AOTF成像光譜儀多通道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常凌穎　靳夢(mèng)竹　田軒　張強(qiáng)

摘? 要： 根據(jù)1 500～2 500 nm的近紅外聲光可調(diào)濾波器（AOTF）成像光譜儀的工作要求，設(shè)計(jì)AOTF成像光譜儀多通道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32微控制器控制直接數(shù)字頻率合成（DDS）芯片AD9959生成四路頻率信號(hào)，同時(shí)STM32微控制器控制通道切換電路實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率快速切換，提高數(shù)據(jù)采集效率。最后將切換輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行功率放大，達(dá)到AOTF成像光譜儀的工作要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該文系統(tǒng)可生成頻率30～80 MHz、功率達(dá)33 dBm的信號(hào)，滿足1 500～2 500 nm 近紅外AOTF成像光譜儀的工作要求。

關(guān)鍵詞： AOTF成像光譜儀; 多通道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 頻率切換; 數(shù)據(jù)采集; 系統(tǒng)測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN741?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）20?0018?05

Design of multi?channel drive system of AOTF imaging spectrometer

CHANG Lingying， JIN Mengzhu， TIAN Xuan， ZHANG Qiang

（School of Electronic Engineering， Xian University of Posts and Telecommunication， Xian 710121， China）

Abstract： A multi?channel drive system of acousto?optic tunable filter （AOTF） imaging spectrometer is designed according to the operation requirements of the near?infrared AOTF imaging spectrometer at 1500～2500 nm. In this system， the STM32 microcontroller is used to control the direct digital synthesis （DDS） chip AD9959 to generate four?channel frequency signals， and control the channel switching circuit to realize the fast switching of multiple frequencies and improve the efficiency of data acquisition. The switched output frequency signal is amplified to meet the operation requirements of AOTF imaging spectrometer. The testing experimental results show that the system can generate 33 dBm signals at 30～80 MHz， and meet the operation requirements of near?infrared AOTF imaging spectrometer at 1 500～2 500 nm.

Keywords： AOTF imaging spectrometer; multi?channel drive system; system design; frequency switching; data acquisition; system testing

0? 引? 言

聲光可調(diào)濾波器（Acousto?Optic Tunable Filter，AOTF）成像光譜儀的成像質(zhì)量及性能主要受到核心分光部件AOTF的影響[1]。在AOTF成像光譜儀中，AOTF驅(qū)動(dòng)頻率的精確度和噪聲影響了衍射帶寬，驅(qū)動(dòng)頻率的切換速度限制了光譜信息獲得速度。因此，研究AOTF驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠提高AOTF成像光譜儀的性能。

AOTF驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作用在超聲換能器上可調(diào)頻信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)，目前多采用頻率合成結(jié)合功率放大的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。J. Vanhamel等人針對(duì)AOTF高光譜成像儀，選擇鎖相環(huán)方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成[2]。但鎖相環(huán)電路頻率分辨率較低，鎖頻所需時(shí)間較長(zhǎng)，存在不能快速切換衍射光波長(zhǎng)的缺點(diǎn)。中北大學(xué)高天學(xué)等人主要針對(duì)900～1 700 nm近紅外聲光可調(diào)諧濾光器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]，采取直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（Direct Digital Synthesis，DDS）產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。同時(shí)設(shè)計(jì)單頻和線性掃頻兩種模式，但單頻模式頻率切換需要重新對(duì)DDS芯片進(jìn)行配置，使得AOTF不能快速調(diào)諧。

針對(duì)1 500～2 500 nm頻段的AOTF光譜成像儀對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)AOTF光譜成像儀多通道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32微控制器，控制AD9959直接數(shù)字頻率合成芯片生成4路不同頻率的信號(hào)，同時(shí)控制通道切換電路對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行選擇，將選擇的頻率信號(hào)通過(guò)功率放大電路進(jìn)行放大。通道切換電路能夠快速進(jìn)行不同頻率的切換，減少頻率重新設(shè)置的時(shí)間，提高不同波長(zhǎng)的光譜信息獲取速度。通道切換周期設(shè)定可以與AOTF光譜成像儀中的成像系統(tǒng)相匹配，可以讓AOTF光譜成像儀同時(shí)段生成多幅光譜圖像。該AOTF成像光譜儀多通道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有頻率分辨率高、頻率高速可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。

1? AOTF成像光譜儀工作原理

AOTF成像光譜儀是根據(jù)各向異性雙折射晶體聲光衍射原理制成[4]。工作原理如圖1所示，目標(biāo)信息（即入射光）進(jìn)入AOTF成像光譜儀，由可控射頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的射頻信號(hào)作用在超聲換能器產(chǎn)生超聲波。在聲光晶體中入射光和超聲波發(fā)生聲光效應(yīng)，發(fā)生反常布拉格衍射，使入射光經(jīng)過(guò)AOTF衍射后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)波段的零級(jí)光和正負(fù)一級(jí)衍射光。光闌將零級(jí)光和負(fù)一級(jí)衍射光濾除，獲得正一級(jí)衍射光[5]。AOTF成像光譜儀對(duì)所獲衍射光進(jìn)行處理生成光譜圖像。

圖1? AOTF成像光譜儀工作原理

由于動(dòng)量守恒的存在，衍射光的波長(zhǎng)與介質(zhì)中聲波的波長(zhǎng)相關(guān)。當(dāng)AOTF及入射光方向固定時(shí)，AOTF輸出的衍射光波長(zhǎng)[λ]與超聲波頻率[f]關(guān)系如下[6]：

[fλ=van2i+n2d-2nindcosθi-θd12λ]? ? （1）

式中：[θi]為入射光與晶體光軸的夾角;[θd]為衍射光與晶體光軸的夾角;[ni]為入射光折射率;[nd]為衍射光折射率;[λ]為衍射光波長(zhǎng);[f]為超聲波頻率;[va]為超聲波的速度。AOTF的參數(shù)確定且入射光方向固定時(shí)，[θi]，[θd]，[ni]，[nd]確定，衍射光波長(zhǎng)只與超聲波頻率相關(guān)[6]。超聲換能器能夠?qū)⑺虞d的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻的超聲信號(hào)。因此，對(duì)射頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)諧，就能夠改變輸出光的波長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)中近紅外光波長(zhǎng)范圍為1 500～2 500 nm，波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)頻率的調(diào)諧關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，系統(tǒng)所需要的射頻信號(hào)頻率范圍為38～64 MHz。

2? 硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)總體框架

AOTF成像光譜儀多通道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，主要包括頻率合成模塊、通道切換模塊、功率放大模塊，系統(tǒng)性能要滿足工作范圍為1 500～2 500 nm的近紅外的AOTF成像光譜儀的使用。因此設(shè)計(jì)頻率范圍為30～80 MHz，驅(qū)動(dòng)功率達(dá)33 dBm的AOTF成像光譜儀的多通道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

AOTF成像光譜儀的高速調(diào)頻多通道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到STM32微控制器，STM32通過(guò)SPI總線接口發(fā)送地址和數(shù)據(jù)控制DDS芯片，產(chǎn)生4路不同頻率的信號(hào)。通過(guò)低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑處理，濾除雜散頻率。通道切換電路再對(duì)4路信號(hào)進(jìn)行選擇，最后將選擇的信號(hào)進(jìn)行功率放大，并將該頻率信號(hào)加載到AOTF超聲換能器上，激發(fā)AOTF發(fā)生反常布拉格衍射。

2.2? 頻率合成電路

2.2.1? 信號(hào)生成電路

AD9959芯片有4個(gè)完整的DDS通道，AD9959每個(gè)通道之間的通道隔離度均大于 65 dB。在采樣時(shí)鐘高達(dá)500 MSPS時(shí)32位頻率控制字能夠使每個(gè)通道的頻率分辨率可達(dá)0.116 Hz，最大輸出頻率200 MHz，能夠滿足30～80 MHz頻率設(shè)計(jì)要求[7]。因此選擇ADI公司的DDS芯片AD9959作為頻率合成電路的核心組件。STM32微控制器通過(guò)串行端口對(duì) AD9959的內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)4路頻率信號(hào)的生成。STM32芯片與AD9959接口電路如圖4所示。

圖中：RSESET接收到STM32發(fā)送信號(hào)，當(dāng)輸入高電平AD9959芯片的內(nèi)部寄存器復(fù)位;CS接收到低電平信號(hào)控制芯片能夠進(jìn)行串口通信;I/O_UPDATE接收到信號(hào)上升沿時(shí)，將數(shù)據(jù)從SDIO0～SDIO3緩沖區(qū)傳輸?shù)絻?nèi)部寄存器。SCLK為串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘，由STM32提供用于I/O通信最高可達(dá)200 MHz;P0～P3通過(guò)STM32對(duì)其進(jìn)行編程可完成掃頻等功能的實(shí)現(xiàn);SDIO0～SDIO3接收從STM32中發(fā)送的串行數(shù)據(jù)，每根均以串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘的頻率進(jìn)行通信[8]。因此，整片AD9959的最高通信頻率達(dá)4×200 MHz，使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠高速地產(chǎn)生所需的射頻信號(hào)，提高AOTF成像光譜儀的數(shù)據(jù)采集效率。

2.2.2? 濾波電路

DDS因采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，難以避免會(huì)產(chǎn)生雜散頻率[9]。DDS雜散頻率主要集中在高頻段，因此在輸出之前合成的信號(hào)需要通過(guò)低通濾波器除去大量雜散頻率。因此，設(shè)計(jì)合適的低通濾波器非常重要。橢圓濾波器相比其他類型的濾波器，在階數(shù)相同的條件下有著最小的通帶和阻帶波動(dòng)[10]。因此，在本次設(shè)計(jì)中濾波電路設(shè)置為頻帶在200 MHz的低通橢圓濾波器。濾波電路及仿真結(jié)果如圖5所示。

2.3? 通道切換電路

AOTF具有多頻復(fù)用能力，但隨著作用在AOTF上頻率個(gè)數(shù)的增加，功率逐漸增大，導(dǎo)致假響應(yīng)的出現(xiàn)，在濾波的光譜中產(chǎn)生偽影，影響成像光譜儀的圖像清晰度。所以本次設(shè)計(jì)中使用通道切換電路切換頻率，頻率信號(hào)作用在超聲換能器產(chǎn)生不同頻率的聲波信號(hào)分時(shí)復(fù)用通過(guò)聲光晶體。在提高AOTF的不同波長(zhǎng)的衍射光強(qiáng)的同時(shí)，減少假響應(yīng)對(duì)于光譜的影響。通道切換電路原理如圖6所示。

通道切換電路采用單刀雙擲射頻開(kāi)關(guān)芯片HMC284AMS8G，開(kāi)關(guān)芯片通斷通過(guò)74ACT00與非門(mén)芯片控制。通道切換電路作為頻率合成電路的末級(jí)輸出，其輸出端口受STM32微控制器控制，只需上位機(jī)選擇多個(gè)通道，設(shè)置通道切換時(shí)間便可實(shí)現(xiàn)任意通道轉(zhuǎn)換。通道切換電路真值表如表1所示。

2.4? 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。在軟件設(shè)計(jì)中 ，首先對(duì)STM32，AD9959及通道切換等模塊初始化，然后進(jìn)入串口中斷程序等待上位機(jī)下發(fā)指令。STM32芯片收到上位機(jī)發(fā)出的串口指令，進(jìn)入串口中斷程序?qū)Υ谥噶钸M(jìn)行參數(shù)解析，然后配置AD9959的寄存器和通道切換模式，配置完成后，程序返回到等待中斷狀態(tài)，等待上位機(jī)發(fā)出下一條頻率指令。上位機(jī)軟件用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模式的選擇和參數(shù)的配置，其指令可設(shè)置驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模式（單頻、線性掃描）及相應(yīng)參數(shù)[11]。線性掃描時(shí)，可以選擇2個(gè)通道進(jìn)行起始頻率、終止頻率和頻率步進(jìn)的設(shè)置。單頻模式可以選擇多個(gè)通道，設(shè)置每個(gè)通道的頻率，實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率之間的切換。通道切換時(shí)間可以根據(jù)AOTF成像光譜儀的成像系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率分時(shí)輸出。上位機(jī)界面如圖8所示。

2.5? 功率放大電路

功率放大電路工作頻帶為30～80 MHz，帶寬接近2個(gè)倍頻程，驅(qū)動(dòng)功率要達(dá)到33 dBm。由于驅(qū)動(dòng)功率要達(dá)到33 dBm，而頻率合成電路的信號(hào)功率約為0 dBm，需要設(shè)計(jì)兩級(jí)功率放大電路。驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大增益為17 dB，末級(jí)選用高效率功放管，增益為16 dB，達(dá)到輸出功率為33 dBm。功率放大電路圖如圖9所示。

驅(qū)動(dòng)級(jí)使用CGR?0218Z放大器芯片，可以在5～200 MHz工作，增益為17 dB。該芯片內(nèi)部已經(jīng)完成阻抗匹配，因此驅(qū)動(dòng)級(jí)功放電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。末級(jí)功放電路使用2SK3476芯片，對(duì)芯片進(jìn)行阻抗匹配以及電源電路的設(shè)計(jì)[12]，使得功率放大電路在30～80 MHz能夠達(dá)到33 dBm的放大功率。

3? 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

測(cè)試頻率合成電路，上位機(jī)控制電路輸出30～80 MHz的頻率，用示波器對(duì)系統(tǒng)的輸出波形進(jìn)行測(cè)試。頻率合成電路測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。頻率信號(hào)波形（60 MHz）如圖10所示。測(cè)試的6組數(shù)據(jù)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定輸出頻率，且頻率相對(duì)誤差控制在0.004%以內(nèi)。

通過(guò)頻譜儀對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行輸出功率的測(cè)試，測(cè)試電路中加入了20 dB的衰減器得到不同頻率信號(hào)的輸出功率，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。信號(hào)的功率譜（60 MHz）如圖11所示。驅(qū)動(dòng)電路在信號(hào)30～80 MHz功率可達(dá)33 dBm。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

本文系統(tǒng)采用微控制器STM32控制DDS芯片AD9959，產(chǎn)生多路不同的頻率信號(hào)，通過(guò)通道切換電路實(shí)現(xiàn)頻率的快速切換，減少頻率重新設(shè)置的時(shí)間，提高不同波長(zhǎng)的光譜信息獲取速度。功率放大電路頻帶范圍在30～80 MHz，輸出功率信號(hào)可達(dá)33 dBm。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該多通道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的頻率信號(hào)，滿足驅(qū)動(dòng)1 500～2 500 nm AOTF光譜成像儀的設(shè)計(jì)要求。

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