基于FPGA和DDS的聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)

游 峰, 陳 滔, 孔 偉, 劉 豪, 舒 嶸，胡以華,3

(1.中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049；3.國防科技大學(xué) 脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230037)

0 引言

聲光調(diào)制器(AOM)在冷原子控制[1]，測距激光雷達(dá)的線性調(diào)頻[2]，激光雷達(dá)探測大氣環(huán)境要素[3]等方面有著廣泛應(yīng)用。常見的聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路采用固定頻率的振蕩器進(jìn)行功率放大，或者采用壓控振蕩器(VCO)[4]通過鎖相環(huán)將頻率鎖定在較高的工作頻點(diǎn)，然后進(jìn)行功率放大，推動(dòng)聲光調(diào)制器工作。在不同的應(yīng)用場景下可能需要快速改變射頻信號(hào)的幅度和頻率，但VCO頻率切換速度較慢，專用的射頻信號(hào)源儀器價(jià)格較貴。近年來，直接數(shù)字頻率合成器(DDS)[5]因具有頻率切換速度快，相位噪聲低等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路中。為了滿足實(shí)驗(yàn)室激光雷達(dá)系統(tǒng)中聲光調(diào)制器的應(yīng)用需求，本文選用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片和DDS芯片AD9910[6]為核心器件，搭配功率放大器，采用模塊化設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)了一種輸出頻率在30 ～300 MHz可調(diào)諧，輸出功率在20～30 dBm可調(diào)諧的聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路在30～200 MHz內(nèi)輸出29 dBm功率時(shí)，增益平坦度小于1 dB。通過編寫Verilog HDL代碼配置AD9910的寄存器，可以實(shí)現(xiàn)單頻輸出，頻移鍵控(FSK)輸出和掃頻輸出。該驅(qū)動(dòng)電路具有較高的靈活性，可滿足不同應(yīng)用場景的需求。

1 硬件和軟件設(shè)計(jì)

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)框架

驅(qū)動(dòng)電路的系統(tǒng)框圖如圖1所示。主控芯片選用Xilinx公司Spartan 6系列FPGA芯片,型號(hào)為XC6SLX9-2TQG144C，F(xiàn)PGA配置芯片選用Xilinx公司的XCF04SVOG20C芯片。DDS芯片選用Analog Devices公司AD9910。與上一代的AD9858芯片相比，AD9910降低了芯片功耗，提高了數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的位數(shù)，內(nèi)部集成了鎖相環(huán)。AD9910內(nèi)部集成14 bit的DAC，支持最高1 Gs/s的采樣率，最高能輸出400 MHz的正弦波信號(hào)，頻率分辨率為0.23 Hz，通過軟件編程可以靈活地改變頻率、幅度和相位。AD9910的輸出頻率可由下式確定：

(1)

式中：fout為輸出頻率；nFTW為AD9910內(nèi)部32位寄存器的值；fSYSCLK為參考時(shí)鐘頻率。此處，驅(qū)動(dòng)電路的參考時(shí)鐘頻率配置為1 GHz。

圖1 硬件電路框圖

AD9910的差分輸出管腳IOUT和IOUT*直接與Linear公司LT5514的IN+和IN-管腳連接在一起。LT5514是可編程增益放大器，有22.5 dB可編程增益，1.5 dB的增益控制步長，通過4個(gè)管腳PGA0～PGA3可改變器件的放大增益。選擇輸出電阻200 Ω，LT5514的大信號(hào)帶寬為LF～500 MHz。調(diào)整LT5514的放大器增益，搭配使用不同組合的功率放大器可適用不同的應(yīng)用場景。選用Mini-Circuits公司的射頻變壓器ADT4-5WT將LT5514輸出的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)。

此處選用LT5514作為第一級(jí)放大，Analog Devices公司的HMC680LP4作為第二級(jí)放大，Mini-Circuit公司的HELA-10D作為第三級(jí)放大。HMC680LP4是5位數(shù)字可變增益放大器，工作頻率在30～400 MHz。HELA-10D[7]的工作頻率在8～300 MHz，內(nèi)部阻抗匹配為50 Ω，無需進(jìn)行外部匹配，最大輸出功率為1 W(30 dBm)。組成的三級(jí)級(jí)聯(lián)放大器可對30～300 MHz的正弦波信號(hào)進(jìn)行放大。

1.2 AD9910的寄存器配置

使用Xilinx公司開發(fā)環(huán)境ISE Design Suite 14.7編寫Verilog HDL代碼。FPGA芯片通過與AD9910的以下管腳相連進(jìn)行邏輯控制：

1) SPI通信管腳SDIO，SCLK，CS，I/O_RESET，IO_UPDATE。

2) 輸出振幅鍵控管腳OSK。

3) Profile管腳Profile 0, Profile 1, Profile 2。

4) 數(shù)字斜坡發(fā)生器模式的控制管腳DRCTL， DRHOLD，DROVER。

FPGA通過SPI總線協(xié)議對AD9910寄存器進(jìn)行配置。通過配置寄存器可以選擇AD9910工作在單頻信號(hào)模式或數(shù)字斜坡發(fā)生器模式。在單頻信號(hào)模式下，通過控制OSK管腳的高低電平可實(shí)現(xiàn)2ASK調(diào)制。通過FPGA控制Profile 0～Profile 2管腳，可在配置好的8個(gè)Profile寄存器中進(jìn)行切換，改變AD9910的輸出頻率，如實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制[8]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 驅(qū)動(dòng)電路輸出性能測試

首先測試驅(qū)動(dòng)電路單頻信號(hào)的輸出，配置AD9910寄存器，使AD9910輸出40 MHz和100 MHz的單頻信號(hào)，經(jīng)過第一級(jí)LT5514放大后測量輸出信號(hào)。設(shè)置頻譜儀的掃頻帶寬(Span)為100 Hz，分辨率帶寬(RBW)為1 Hz，得到的輸出頻譜如圖2所示。

圖2 40 MHz和100 MHz輸出信號(hào)頻譜

改變AD9910的寄存器配置，使AD9910在100 MHz和200 MHz頻點(diǎn)進(jìn)行正弦波輸出頻率切換。經(jīng)過LT5514放大后，使用示波器捕捉頻率切換的波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(a)所示。

圖3 100 MHz和200 MHz下的正弦波頻率切換波形和輸出信號(hào)的頻譜

更改AD9910工作模式為數(shù)字斜坡發(fā)生器模式，對輸出信號(hào)進(jìn)行三級(jí)級(jí)聯(lián)的功率放大。調(diào)整第一級(jí)LT5514的增益為18 dB，使輸出信號(hào)功率約為24.25 dBm。測試驅(qū)動(dòng)電路在40～150 MHz的掃頻輸出功率曲線，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4插圖可知，經(jīng)過三級(jí)放大后，輸出信號(hào)功率波動(dòng)小于1.5 dB。調(diào)整LT5514的增益為22.5 dB，使經(jīng)過三級(jí)級(jí)聯(lián)的功率放大后，輸出信號(hào)功率為29 dBm。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路在40～150 MHz的輸出功率曲線

圖5是測試AD9910從30～200 MHz進(jìn)行掃頻，步長為5 MHz，得到的輸出信號(hào)功率曲線。由圖可見，驅(qū)動(dòng)電路在30～200 MHz的輸出功率波動(dòng)小于1 dB。由于 HELA-10D發(fā)熱量較大，工作一段時(shí)間后，電路板整體溫度升高會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)的功率下降，需要對電路板進(jìn)行散熱處理。LT5514在本驅(qū)動(dòng)電路中可調(diào)諧的最小增益為13.5 dB，最大增益為24 dB，因此,輸出信號(hào)經(jīng)過三級(jí)放大的功率在20～30 dBm內(nèi)可調(diào)諧。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路在30～200 MHz的輸出功率曲線

2.2 驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)

以1 572 nm 波長的DFB激光二極管作為光源，測試驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)2款聲光調(diào)制器的效果。

第一款聲光調(diào)制器選用中電二十六所的保偏光纖聲光調(diào)制器，工作頻率為100 MHz(±1 MHz)，射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的典型功率為1 W(30 dBm)。

第二款聲光調(diào)制器選用古奇(Gooch & Housego)公司的光纖聲光調(diào)制器，工作頻率為40 MHz(±1 MHz)，射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率的典型值為0.2 W(23.01 dBm)，最大功率值為0.4 W(26.02 dBm)。

實(shí)驗(yàn)測試框圖如圖6所示。DFB激光器產(chǎn)生的連續(xù)激光通過AOM后，使用光纖衰減器將激光衰減到合適強(qiáng)度后連接到光電探測器，使用示波器捕捉對應(yīng)的波形。測試結(jié)果如圖7所示，圖7(a)是聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路的輸出波形，其中正弦波頻率為100 MHz，對OSK管腳施加5 kHz方波得到的調(diào)制包絡(luò)波形。圖7(b)是經(jīng)過工作頻率為100 MHz的AOM后光電探測器探測得到的波形。圖7(c)是用15 kHz正弦波對DFB激光二極管進(jìn)行幅度調(diào)制后，光電探測器探測到的波形。圖7(d)是將使用15 kHz正弦波幅度調(diào)制的激光通過工作頻率為40 MHz的AOM后光電探測器探測得到的波形，其中驅(qū)動(dòng)電路的包絡(luò)為500 Hz方波。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明,該驅(qū)動(dòng)電路可以通過配置AD9910不同參數(shù)和改變第一級(jí)放大器的增益，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)40 MHz和100 MHz工作頻率的2款光纖聲光調(diào)制器。該驅(qū)動(dòng)電路具有較高的靈活性，通過選擇不同的工作模式可以用在其他的應(yīng)用場景。

圖6 實(shí)驗(yàn)測試框圖

圖7 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文介紹了一種聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路，以FPGA和DDS芯片AD9910為核心器件，通過功率放大器芯片LT5514，HMC680LP4和HELA-10D將信號(hào)進(jìn)行三級(jí)功率放大后輸出，三級(jí)級(jí)聯(lián)的放大器工作范圍為30～300 MHz。通過FPGA配置AD9910的相關(guān)寄存器，可以實(shí)現(xiàn)不同的工作模式：單頻輸出、調(diào)頻輸出和掃頻輸出。通過控制第一級(jí)功率放大器的增益管腳，可以調(diào)諧輸出信號(hào)的功率在20～30 dBm內(nèi)變化。該驅(qū)動(dòng)電路具有較高的靈活性，可用于驅(qū)動(dòng)不同工作頻率和驅(qū)動(dòng)功率的聲光調(diào)制器，具有較好的應(yīng)用前景。