基于直接数字合成技术的声光驱动器

摘要

一种基于直接数字合成(DDS)技术的声光驱动器，由频率综合器(1)、逻辑控制器(2)、参考时钟(3)、射频控制与放大器(4)和电源管理模块(5)构成：逻辑控制器与频率综合器连接，在逻辑控制器的控制下，频率综合器输出频率和幅度的波形，提供液晶显示屏显示工作状态；参考时钟与频率综合器连接，提供基准时钟信号给频率综合器；射频控制与放大器与频率综合器连接，将频率综合器所产生的高频信号进行放大后输出；电源管理模块将电源连接到各个单元器件。具有驱动频带宽、频率精度高、分辨率高，频率稳定性好，适用于高频，射频波段，各种声光器件和超声器件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种声光驱动器，特别是基于直接数字合成技术(DDS)的声光驱动器。

背景技术

在工业、科研的很多领域，声光器件都有很多应用，例如：快速光谱分析，声光调Q激光，声光移频，声光斩波，声光主动锁模激光等等。原有的声光驱动器主要由压控振荡的频率综合器和射频控制与放大器两部分组成。传统上采用压控振荡器(VCO)作为可调谐的频率综合器，通过施加不同的电压控制输出频率，输出的射频信号通过射频控制与放大器进行功率放大。这种类型的声光驱动器输出频率不够精确，稳定，其频率漂移往往达到数兆赫兹，而且使用时需要额外提供一个精确，稳定的模拟控制电压，十分不方便。我们发明了一种基于直接数字合成技术(DDS)的声光驱动器，主要由频率综合器、逻辑控制器、参考时钟、射频控制与放大器组成。其优点是输出频率更加精确，稳定，分辨率高，并且频率转换速度快；数字控制，不需要外加模拟电压，使用灵活方便，便于同数字工控设备协同工作；采用大规模集成电路，可靠性高，升级方便。十分适合工业、科研使用。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于直接数字合成技术(DDS)的声光驱动器，用来取代传统的压控振荡器声光驱动器。其特征是使用了直接数字合成的频率综合技术。

本发明所提供的基于直接数字合成(DDS)技术的声光驱动器，由频率综合器、逻辑控制器、参考时钟、射频控制与放大器和电源管理模块构成：所述的逻辑控制器与频率综合器连接，基于单片机的逻辑控制器，接受控制键和可编程数字控制端口输入的数字控制信号，在逻辑控制器的控制下，频率综合器输出频率和幅度的波形，提供液晶显示屏显示工作状态；所述的参考时钟与频率综合器连接，提供基准时钟信号给频率综合器；所述的射频控制与放大器与频率综合器连接，将频率综合器所产生的高频信号进行预放大、滤波、幅度控制、末级功率放大后输出；所述的电源管理模块将电源连接到各个单元器件。

本发明所述的频率综合器采用专用的DDS芯片，在逻辑控制器的控制下，输出所需的频率和幅度的波形。频率综合器对从逻辑控制器传来的频率数进行计算，算出每个时钟周期需要增加的相位，再通过相位累加计算出下一个时钟周期需要输出的相位。然后通过储存在芯片内部的相位-振幅关系函数，计算出该时刻应该输出的幅度，经过低通滤波器平滑处理，即可输出需要的频率和幅度的波形。

本发明所述的逻辑控制器，采用通用的单片机作为控制核心，与控制键、液晶显示屏、可编程数字控制端口、外部通用串行端口、在线编程接口连接，控制频率综合器的输出频率和幅度；接受外界控制键和可编程数字控制端口输入的数字控制信号，提供液晶显示屏显示当前工作状态；可编程数字控制端口与外部通用串行端口，便于同工控机协同使用；具备在线编程功能，具有极强的扩展性能和弹性。同时具有专门的记忆体芯片和监控芯片，当发生异常断电或者死机时，将当前工作状态记忆下来，在下一次启动之后自动恢复到原来的工作状态。

本发明所述的参考时钟为产生基准时钟信号的单元，提供基准时钟信号给频率综合器。可以使用普通的石英晶体振荡器以供低成本使用。当作精密应用时，也可以使用原子钟等高档频率源，此时可以充分发挥本发明输出频率精确，稳定的优点。

本发明所述的射频控制与放大器将频率综合器输出的波形进行预放大，滤波，幅度控制，和末级功率放大然后输出驱动声光器件，并且提供了模拟幅度调制的功能。

本发明所述的电源管理模块将外界的电源进行整流，提供给其他各个单元器件。

本发明所提供的DDS声光驱动器的机理是：直接使用全数字的方式直接合成所需的频率和幅度的波形。频率综合器对从逻辑控制器传来的频率数进行计算，算出每个时钟周期需要增加的相位，再通过相位累加计算出下一个时钟周期需要输出的相位。然后通过储存在芯片内部的相位-振幅关系函数，计算出该时刻应该输出的幅度，经过低通滤波器平滑处理，即可输出需要的频率和幅度的波形。然后将该波形放大，控制幅度，输出去驱动声光器件。该发明改善了输出驱动信号的频率精确性，稳定性和分辨率，并且使得驱动信号频率转换速度快；数字控制，不需要外加模拟电压，使用灵活方便，便于同数字工控设备协同工作；采用大规模集成电路，可靠性高，升级方便。十分适合工业、科研使用。

本发明所提供的DDS声光驱动器的驱动频带宽，输出从直流一直到160MHz，适用于高频，射频波段，各种声光器件和超声器件。频率精度、分辨率都很高，均可达到1Hz。频率稳定性好，在使用原子钟的情况下阿伦方差达到10^-11。频率转换速度快，为微秒级。波形畸变失真小，频谱纯度高，谐波、杂散低于-20dB。控制灵活方便，拥有简洁明了的人机交互界面以及完善的控制端口。整体采用大规模集成电路，模块化设计，可靠性高，升级、维修方便。包含在线编程(ISP)功能，用户可以方便地实现软件升级，并且可以方便地开发适用于各种应用的控制软件。

附图说明：

附图1是DDS声光驱动器结构连接关系示意图

附图2是逻辑控制器结构及连接关系示意图

附图3DDS声光驱动器在80MHz和60MHz时的输出波形与频谱

图中：1-频率综合器、2-逻辑控制器、3-参考时钟、4-射频控制与放大器、5-电源管理模块、6-单片机、7-记忆体，8-监控芯片，9-控制键，10-液晶显示屏，11-可编程数字控制端口输入、12-外部通用串行端口，13-在线编程接口

具体实施方式

实施实例1：

参见附图1，频率综合器1通过DDS技术直接数字合成所需频率和幅度的波形。采用专用的DDS芯片AD9951。该芯片为ADI公司产品，48脚TQFP贴片封装，内部时钟频率最高400MHz，集成14位数模转换器，32比特频率字，25M的串行接口，1.8V供电。其2线串行接口与逻辑控制器2连接；模拟1.8V供电，数字1.8V供电，输入输出3.3V供电，3路电源分别连接至电源管理模块5；时钟输入引脚，连接至参考时钟3，通过内部锁相换获得400MHz的内部时钟；复位脚连接至一个RC振荡电路进行开机复位；，所需的波形由输出脚输出，通过微带线传输至射频控制与放大器4。

所述的逻辑控制器2，参见附图2，由单片机6，记忆体7，监控芯片8，控制键9，液晶显示屏10，可编程数字控制端口输入11，外部通用串行端口12，在线编程接口13构成。单片机6选用通用单片机AT89S52，由Atmel公司生产，采用0.18微米制程，最高时钟频率33MHz；包含有4个串行接口，2个中断接口和2个计时器，支持在线编程功能。记忆体7，Atmel 24C16A，与单片机6连接，当DDS声光驱动器关机或者出现电源异常掉电时，该芯片可以存储当前的工作参数，使得DDS声光驱动器重启之后，恢复至上一次正常工作的状态；监控芯片8，MAX708，与单片机6连接，提供自动复位功能和电源电压监控功能；面板上的控制键9与单片机6连接；1602型液晶显示屏10与单片机6连接，显示当前工作状态；可编程数字控制端口输入11与单片机6连接，用于自动控制DDS声光驱动器；外部通用串行端口12与单片机6连接，用于电脑与DDS声光驱动器通讯和同步；在线编程接口13与单片机6连接，用于在线升级DDS声光驱动器的软件。

所述的参考时钟3为产生基准时钟信号的单元，提供基准时钟信号给频率综合器1，采用100MHz石英晶体振荡器，频率稳定度为10-6。

本发明所述的射频控制与放大器4将频率综合器1输出的正弦波进行预放大，滤波，幅度控制，和末级功率放大，输出驱动声光器件，并且提供了模拟幅度调制的功能。预放大使用AG402，输出使用截止频率160MHz的LC滤波电路低通滤波，进入衰减器PAS-3作为幅度控制，最后输出至CA2833进行末级功率放大，从后面板的射频输出端输出。

所述的电源管理模块5提供各个单元器件的驱动电源。1.8V和3.3V输出至频率综合器1和参考时钟3；5V输出至逻辑控制器2；9V和24V输出至射频控制与放大器4。

所有的射频信号使用1.5mm的同轴电缆或者微带线传输，低频信号使用排线连接。外壳使用铝合金材料，DDS声光驱动器在80MHz和60MHz时的输出波形与频谱，如附图3所示。