AOTF近红外光谱仪信号源设计*

盖沙沙, 毛文华, 张俊宁, 张小超, 赵双龙

(1.中国农业机械化科学研究院,北京 100083；2.呼伦贝尔市农牧业机械推广站,内蒙古 呼伦贝尔 021008)



AOTF近红外光谱仪信号源设计*

盖沙沙1, 毛文华1, 张俊宁1, 张小超1, 赵双龙2

(1.中国农业机械化科学研究院,北京 100083；2.呼伦贝尔市农牧业机械推广站,内蒙古 呼伦贝尔 021008)

在声光可调滤光器(AOTF)近红外光谱仪系统中，稳定的射频驱动信号源是AOTF实现分光功能的关键。本文根据近红外光谱分析所需的波长范围，利用直接数字频率合成(DDS)技术，设计了驱动AOTF所需的射频信号源。系统包括单片机控制模块、DDS信号发生模块、滤波电路、功率放大模块四部分。经实验测试，系统可在80～150 MHz频段内任意频点输出稳定的正弦信号波形，相对误差在0.45 %以内,功率为1 W，满足AOTF的工作要求(对应输出波长范围900～1 700 nm)。

单片机; 直接数字频率合成; 声光可调滤光器； 低通滤波

0 引 言

近红外光谱分析技术广泛应用于粮油、食品、饲料、育种等行业，目前正在取代传统的化学方法，成为这些行业中对产品成分测定的标准方法。

分光系统是光谱仪的核心系统。声光可调滤光器(acousto-optic tunable filter，AOTF)是目前最先进的第五代分光系统的核心部件,它利用声光调制技术实现光谱扫描，是一种全固态滤光器。AOTF克服了机械分光系统的许多缺点，提高了仪器的抗震性，有利于光谱仪的小型化及程序化控制，因此,AOTF光谱仪近年来在工业在线和现场分析中得到越来越广泛的应用[1,2]。

在AOTF光谱仪的系统中，稳定的射频驱动信号源是AOTF实现分光功能的关键。本文详细介绍了基于直接数字频率合成技术(direct digital synthesis,DDS)的AOTF光谱仪射频驱动信号源设计。该系统可输出80～150 MHz频段内任意频点的正弦信号，输出功率为1 W，对应AOTF的输出波长范围900～1 700 nm，满足近红外分析的要求。

1 AOTF工作原理

AOTF利用声光调制技术工作[3],其工作原理如图1所示。 AOTF由单轴双折射晶体、粘合在晶体一侧的压电换能器组成。射频信号作用于压电换能器，在晶体内产生超声波。传导中的声波对晶体产生折射率的周期性调制，这相当于提供了一个移动的光栅，可以对入射光进行衍射，将特定波长的单色光从多色光中选出来。当AOTF及入射光方向固定时，AOTF输出的单色光波长λ与射频信号频率f有如下关系

(1)

式中Δn为双折射引起的折射率差，v为超声波速度，f为超声波频率(即射频信号频率)，θi为入射光与超声波波面的夹角。因此，只需要通过电信号的调谐即可快速、方便地改变输出光的波长。

本设计中所需要的近红外波长范围为900～1 700nm。本系统使用TeO2晶体AOTF，通过式(1)得到所需要的射频信号频率范围为80～150MHz,驱动功率为1W。

图1 AOTF结构图Fig 1 Structure of AOTF

2 AOTF射频驱动信号源设计

2.1 系统总体框架

系统总体框图如图2所示。采用STC系列单片机作为主控制器,DDS选用AD公司的AD9910芯片。单片机通过SPI接口控制DDS芯片，产生波形数据。经过滤波电路后，得到平滑的正弦信号。最后对正弦信号进行功率放大，以得到足够驱动AOTF的射频信号。外部晶振为DDS芯片提供精准的时钟信号。

图2 系统电路设计框图Fig 2 Design block diagram of system circuit

2.2 系统硬件设计

2.2.1 单片机与DDS接口电路

AD9910 是一种内置14位DAC的直接数字频率合成器(DDS)，支持高1 GSPS采样速率[4]。AD9910采用高级DDS专利技术，在不牺牲性能的前提下可极大降低功耗。DDS组合构成数字可编程的高频模拟输出频率合成器，能够在高达400 MHz的频率下生成频率捷变正弦波形。在1 GSPS采样速率下，调谐分辨率为0.23 Hz。通过串行端口对AD9910的内部控制寄存器进行编程，以实现对AD9910的控制。单片机与AD9910的接口电路如图3所示。

图3 单片机与AD9910接口电路Fig 3 Interface circuit of MCU and AD9910

MASTER_RESET用来给AD9910复位，I/O_RESET可视为单片机与AD9910通信出现故障时实现对I/O复位[5,6]，I/O_UPDATE用于将串行I/O缓冲器中的数据传输到器件的有效寄存器中。CS,SCLK,SDIO 为AD9910的串行时钟，其中,CS为片选信号，SCLK为串行时钟，SDIO为串行数据输入/输出引脚。单片机通过串行输入输出引脚配置AD9910的内部寄存器。PROFILE0，PROFILE1，PROFILE2为PROFILE选择引脚。

2.2.2 DDS外围电路

DDS芯片AD9910的外围电路主要包括时钟电路(图4)和环路滤波器(图5)。

图4 DDS时钟电路Fig 4 Clock circuit of DDS

AD9910 参考时钟的质量直接决定了模拟输出信号的质量，在本文设计中采用了40 MHz的恒温晶振，通过AD9910的内部锁相环倍频到1 GHz。

图5 锁相环配置电路Fig 5 PLL circuit of DDS

锁相环电路需要外部设置环路滤波参数才能正常工作。图5中的C1,C2,R1构成RC滤波器，电容和电阻值按以下公式确定

(2)

(3)

(4)

式中 KD为ICP编程值，KV通过查表查找。

本设计最终得到的参数如下：C1=680PF,R1=1kΩ,C2=22pF。

2.2.3 滤波电路

根据DDS的工作原理，直接产生的DAC输出信号必然包括所要求的频率和镜像频率以及谐波频率[7，8]，因此，在输出端必须经过低通滤波器进行滤波，根据Nyquist原理，通常只有芯片工作时钟频率50 %以内的频率不受镜像频率的影响。滤波电路的作用是滤除DDS输出信号的带外杂散信号，提高信号的频谱纯度。在本设计中滤波电路采用的是七阶椭圆滤波器。滤波电路如图6所示。

图6 滤波电路Fig 6 Filtering circuit

2.2.4 功率放大电路

本设计所用AOTF所需要的驱动信号功率要求为1 W，而DDS所输出的信号功率较小，因此需要对其进行功率放大。在设计中采用了Freescale的A类通用线性放大器模块MHW1345，图7为MHW1345电路原理图。

图7 MHW1345 应用电路Fig 7 Application circuit of MHW1345

2.3 系统软件流程设计

系统软件流程如图8所示。在软件设计中，AD9910工作在单频模式[9]，首先对 AD9910初始化选择单频模式，然后进入串口中断程序等待计算机下发指令，如果收到计算机下发的串口指令，将进入串口中断程序对计算机下发的指令进行解析，然后对AD9910的寄存器进行配置，配置完成后，程序返回到等待中断状态，等待计算机发出下一条频率指令。

图8 软件流程图Fig 8 Software flow chart of system

3 信号源试验

设定AOTF近红外光谱仪信号源系统，使之输出频率为80～150 MHz的正弦信号，用示波器对系统的输出波形进行测试，试验结果满足设计要求。测试数据如表1所示。信号波形(120 MHz)如图9所示。

测试的9组数据结果表明，系统能够稳定的输出所需的频率要求范围，频率相对误差在0.45 %以内。

表1 测试数据

图9 120 MHz信号波形Fig 9 Signal waveform with frequency of 120 MHz

4 结束语

本文利用单片机及DDS芯片为AOTF近红外光谱仪设计了射频驱动信号源。其输出频率为80 ～150 MHz，功率为1 W，对应光谱范围为900 ～1 700 nm。该设计频率转换速度快，信号稳定，操作简便，测试结果满足设计要求，为AOTF近红外光谱仪的研发奠定了基础。

[1] Morttense A N,Dyer S A,Hammaker M A.Hadamard-multiplexed spectrometer based on acousto—optic tunable filter[J].IEEE Transanction on Instrumentation and Measurement,1996,45(2):394-398.[2] Baldwin D P,Zamazow D S,Dsilva A P.High-resolution spectro-scopy using an acousto-optic tunable filer and a fiber optic Fabry-Perot interfermeter[J].Appled Spectroscopy,1996,50(4):498-503.

[3] 张小超，吴静珠，徐 云，等.近红外光谱分析技术及其在现代农业中的应用[M].北京：电子工业出版社，2012：54-55.

[4] 黄 勇，高仕红，龙傲雪.DDS在光栅传感器位移测量系统调试中的应用[J].传感器与微系统,2009,28(9):112-114.

[5] 李 征，刘玮玮.一种基于单片机和DDS技术的信号源设计[J].现代电子技术,2014(17)：46-48.

[6] 李 俊，谭秋林，崔永俊，等.基于AD9910的高频多模式信号发生器的设计[J].电视技术，2012，36(9)：51-54.

[7] 高明辉，林洁琼，廉凤慧，等.基于AOTF的便携式近红外光谱测量仪的研制[J].长春工业大学学报:自然科学版,2008(3):315-318.

[8] 张宏波，曾立波，柯亭玉，等.基于AOTF的新型近红外光谱仪控制系统设计[J].应用技术与工程科学学报，2006,14(1)：138-141.

[9] 李 俊，谭秋林，崔永俊，等.基于AD9910的高频多模式信号发生器的设计[J].电视技术，2012，36(9)：51-54.

盖沙沙 (1988-) ,女，山东东营人，硕士研究生，研究方向为自动检测与控制技术。

Design of signal source for NIR spectrometer based on AOTF*

GAI Sha-sha1, MAO Wen-hua1, ZHANG Jun-ning1, ZHANG Xiao-chao1, ZHAO Shuang-long2

(1.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Science,Beijing 100083,China;2.Hulun Buir Agriculture and Animal Husbandry Machinery Technology Promotion Station,Hulun Buir 021008,China)

Acousto-optic tunable filter(AOTF)is the fifth generation of spectroscopic system core component.In AOTF near-infrared(NIR)spectrometer system.Stable RF driven signal source is a key issue in research and development of AOTF NIR Spectrometer system.Based on wavelength range of near infrared spectroscopy,The system uses SCM to drive DDS and designs output frequency range at 80～150 MHz.The system includes a single-chip control module, DDS signal generator module,filter circuit,power amplifier module.Test results show that in the desired output frequency range,the system can output the desired waveform and output signal frequency relative error within 0.45 %,with power of 1W,corresponding to the output wavelength range of 900～1 700 nm.

MCU; direct digital synthesis(DDS); acousto-optic tunable filter(AOTF); low pass filtering

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0103—03

2016—01—26

国家国际科技合作专项项目(2015DFA71150, 2014DFA31660)

TN 741

A

1000—9787(2016)12—0103—03