基于AD9835的高壓射頻信號源設(shè)計(jì)

1 引言
    質(zhì)譜儀等儀器系統(tǒng)中常需要千伏以上的電壓．幾百千赫茲到幾兆赫茲的頻率射頻信號加到極板上，形成射頻電場．調(diào)制離子束。近年來，在電子儀表與測試領(lǐng)域，直接數(shù)字頻率合成DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)的模擬方式。因此，這里提出一種基于DDS AD9835的高壓射頻信號源的設(shè)計(jì)方案。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    圖l是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖。單片機(jī)STC89C58控制DDS集成電路AD9835，輸出所期望的頻率正弦波信號。單片機(jī)還用于控制輸出信號幅值，檢測按鍵，控制液晶屏顯示，并與PC通訊接收遠(yuǎn)程指令。AD9835輸出的信號經(jīng)寬帶放大器uPCI676放大后，送至D／A轉(zhuǎn)換器TLC7524，控制其幅值，TLC7524輸出后經(jīng)射頻運(yùn)算放大器AD829放大，再送入功放，經(jīng)變壓器升壓，最后輸出至負(fù)載。

2．1 頻率發(fā)生模塊
    作為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，頻率發(fā)生模塊是由AD9835和單片機(jī)構(gòu)成。其中，AD9835是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，最高時鐘頻率為50 MHz。當(dāng)AD9835的時鐘為25 MHz時，其輸出頻率范圍為DC~12．5 MHz，分辨率是0．005 82 Hz。AD9835控制靈活方便，采用串行方式加載數(shù)據(jù)，只需3根單片機(jī)端口線即可控制。圖2為頻率發(fā)生模塊電路，SCLK、SDATA、FSYNC連接到單片機(jī)，接收控制命令。為了保證性能和抗干擾，最好將數(shù)字電源DVDD和模擬電源AVDD分開供電。電路布局時，電容應(yīng)該盡可能地靠近AD9835放置。由于AD9835輸出信號太弱，只有1.35 V，必須對其多級濾波放大。因此，AD9835輸出先進(jìn)行無源濾波，然后再通過寬帶放大器uPC1676將信號放大到接近5 V。

2．2 幅值調(diào)節(jié)模塊
    為了實(shí)現(xiàn)以數(shù)字方式控制輸出幅值，將DDS輸出信號經(jīng)濾波放大，送入D／A轉(zhuǎn)換器TLC7524，單片機(jī)控制TLC7524實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)節(jié)。其中，TLC7524采用直通方式，8位數(shù)字量一旦達(dá)到D7～DO輸入端，便進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)256級幅值調(diào)節(jié)。TLC7524采用電流工作模式，外接一片運(yùn)算放大器AD829將電流電壓變換為模擬電壓輸出。
2．3 信號放大模塊
    由于D／A轉(zhuǎn)換器輸出信號幅值小于5 V，需多級放大，因此選用AD829放大器。AD829是一款低噪、高性能高速運(yùn)算放大器．壓擺率230 V／μs，帶寬750 MHz?！?5 V供電，輸出電壓最大幅值可達(dá)28 VP-P滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。圖3為電壓放大模塊電路，采用反相比例放大，其增益為R9/R12，手動調(diào)節(jié)R9調(diào)整電壓輸出幅值，C1電容有效濾除雜波。

2．4 升壓輸出模塊
    圖4為升壓輸出模塊電路，采用2SD669型高壓中功率三極管，其帶寬增益積140 MHz，Pc為1 W，Vcbo為180 V。各電阻均采用0．5 W功率電阻，采用耐壓100 V以上的電容。空心變壓器是用0．8 mm漆包線在75 mm直徑PVC管上繞制而成的。針對飛行時間質(zhì)譜儀中射頻信號源需要，采用原邊線圈4匝，兩組副邊線圈各30匝，測量線圈4匝，可以得到兩組輸出。該電路可以根據(jù)實(shí)際需要應(yīng)用于其他設(shè)計(jì)，只需調(diào)整副邊的繞制方式和匝數(shù)就可得到所要的輸出幅值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 主程序
    系統(tǒng)軟件采用KeilμVision3單片機(jī)開發(fā)環(huán)境，采用KeilC語言。圖5為主程序流程圖。主程序主要完成單片機(jī)初始化、鍵盤掃描、串口通訊、液晶顯示，頻率和幅度控制等功能。通過鍵盤輸入或計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使用1602LCD液晶顯示。頻率幅值等設(shè)置參數(shù)實(shí)時存儲于E2PROM，每次開機(jī)，可以再現(xiàn)上次關(guān)機(jī)前設(shè)置的參數(shù)。

3．2 AD9835編程設(shè)置
    所輸出頻率為fout，根據(jù)regset=fout232/fmclk‰計(jì)算寄存器設(shè)置數(shù)據(jù)regset。將32位regset處理后，寫入AD9835的頻率寄存器，即可得到相應(yīng)頻率的正弦波信號輸出。
    采用串行方式加載數(shù)據(jù)，按照AD9835的時序，將16比特?cái)?shù)據(jù)寫入AD9835內(nèi)部的寄存器中。使用Keil C編程，方便高效，程序簡潔易懂。AD9835的FSYNC、SDA、SCLK分別與單片機(jī)連接，用于加載數(shù)據(jù)的子函數(shù)SendData()。

4 結(jié)語
    實(shí)現(xiàn)一個頻率為100 kHz～2 MHz，調(diào)節(jié)步長為1 Hz的高壓射頻信號源，并具有頻率發(fā)生控制方便、穩(wěn)定性和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。并通過按鍵和PC遠(yuǎn)程控制頻率和輸出幅值。采用高速運(yùn)算放大器、高頻三極管和自制的變壓器，可得到最大1200 Vp—p高壓的射頻信號。