基于FPGA和DDS的声光调制器驱动电路的实现

游 峰, 陈 滔, 孔 伟, 刘 豪, 舒 嵘，胡以华,3

(1.中国科学院 上海技术物理研究所，上海 200083；2.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院，北京 100049；3.国防科技大学 脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037)

0 引言

声光调制器(AOM)在冷原子控制[1]，测距激光雷达的线性调频[2]，激光雷达探测大气环境要素[3]等方面有着广泛应用。常见的声光调制器驱动电路采用固定频率的振荡器进行功率放大，或者采用压控振荡器(VCO)[4]通过锁相环将频率锁定在较高的工作频点，然后进行功率放大，推动声光调制器工作。在不同的应用场景下可能需要快速改变射频信号的幅度和频率，但VCO频率切换速度较慢，专用的射频信号源仪器价格较贵。近年来，直接数字频率合成器(DDS)[5]因具有频率切换速度快，相位噪声低等优势，被广泛应用于声光调制器驱动电路中。为了满足实验室激光雷达系统中声光调制器的应用需求，本文选用现场可编程门阵列(FPGA)芯片和DDS芯片AD9910[6]为核心器件，搭配功率放大器，采用模块化设计方式设计了一种输出频率在30 ～300 MHz可调谐，输出功率在20～30 dBm可调谐的声光调制器驱动电路。驱动电路在30～200 MHz内输出29 dBm功率时，增益平坦度小于1 dB。通过编写Verilog HDL代码配置AD9910的寄存器，可以实现单频输出，频移键控(FSK)输出和扫频输出。该驱动电路具有较高的灵活性，可满足不同应用场景的需求。

1 硬件和软件设计

1.1 硬件电路设计框架

驱动电路的系统框图如图1所示。主控芯片选用Xilinx公司Spartan 6系列FPGA芯片,型号为XC6SLX9-2TQG144C，FPGA配置芯片选用Xilinx公司的XCF04SVOG20C芯片。DDS芯片选用Analog Devices公司AD9910。与上一代的AD9858芯片相比，AD9910降低了芯片功耗，提高了数模转换器(DAC)的位数，内部集成了锁相环。AD9910内部集成14 bit的DAC，支持最高1 Gs/s的采样率，最高能输出400 MHz的正弦波信号，频率分辨率为0.23 Hz，通过软件编程可以灵活地改变频率、幅度和相位。AD9910的输出频率可由下式确定：

(1)

式中：fout为输出频率；nFTW为AD9910内部32位寄存器的值；fSYSCLK为参考时钟频率。此处，驱动电路的参考时钟频率配置为1 GHz。

图1 硬件电路框图

AD9910的差分输出管脚IOUT和IOUT*直接与Linear公司LT5514的IN+和IN-管脚连接在一起。LT5514是可编程增益放大器，有22.5 dB可编程增益，1.5 dB的增益控制步长，通过4个管脚PGA0～PGA3可改变器件的放大增益。选择输出电阻200 Ω，LT5514的大信号带宽为LF～500 MHz。调整LT5514的放大器增益，搭配使用不同组合的功率放大器可适用不同的应用场景。选用Mini-Circuits公司的射频变压器ADT4-5WT将LT5514输出的差分信号转换成单端信号。

此处选用LT5514作为第一级放大，Analog Devices公司的HMC680LP4作为第二级放大，Mini-Circuit公司的HELA-10D作为第三级放大。HMC680LP4是5位数字可变增益放大器，工作频率在30～400 MHz。HELA-10D[7]的工作频率在8～300 MHz，内部阻抗匹配为50 Ω，无需进行外部匹配，最大输出功率为1 W(30 dBm)。组成的三级级联放大器可对30～300 MHz的正弦波信号进行放大。

1.2 AD9910的寄存器配置

使用Xilinx公司开发环境ISE Design Suite 14.7编写Verilog HDL代码。FPGA芯片通过与AD9910的以下管脚相连进行逻辑控制：

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

2) 输出振幅键控管脚OSK。

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

4) 数字斜坡发生器模式的控制管脚DRCTL， DRHOLD，DROVER。

FPGA通过SPI总线协议对AD9910寄存器进行配置。通过配置寄存器可以选择AD9910工作在单频信号模式或数字斜坡发生器模式。在单频信号模式下，通过控制OSK管脚的高低电平可实现2ASK调制。通过FPGA控制Profile 0～Profile 2管脚，可在配置好的8个Profile寄存器中进行切换，改变AD9910的输出频率，如实现2FSK调制[8]。

2 实验结果与讨论

2.1 驱动电路输出性能测试

首先测试驱动电路单频信号的输出，配置AD9910寄存器，使AD9910输出40 MHz和100 MHz的单频信号，经过第一级LT5514放大后测量输出信号。设置频谱仪的扫频带宽(Span)为100 Hz，分辨率带宽(RBW)为1 Hz，得到的输出频谱如图2所示。

图2 40 MHz和100 MHz输出信号频谱

改变AD9910的寄存器配置，使AD9910在100 MHz和200 MHz频点进行正弦波输出频率切换。经过LT5514放大后，使用示波器捕捉频率切换的波形，实验结果如图3(a)所示。

图3 100 MHz和200 MHz下的正弦波频率切换波形和输出信号的频谱

更改AD9910工作模式为数字斜坡发生器模式，对输出信号进行三级级联的功率放大。调整第一级LT5514的增益为18 dB，使输出信号功率约为24.25 dBm。测试驱动电路在40～150 MHz的扫频输出功率曲线，得到的实验结果如图4所示。由图4插图可知，经过三级放大后，输出信号功率波动小于1.5 dB。调整LT5514的增益为22.5 dB，使经过三级级联的功率放大后，输出信号功率为29 dBm。

图4 驱动电路在40～150 MHz的输出功率曲线

图5是测试AD9910从30～200 MHz进行扫频，步长为5 MHz，得到的输出信号功率曲线。由图可见，驱动电路在30～200 MHz的输出功率波动小于1 dB。由于 HELA-10D发热量较大，工作一段时间后，电路板整体温度升高会导致输出信号的功率下降，需要对电路板进行散热处理。LT5514在本驱动电路中可调谐的最小增益为13.5 dB，最大增益为24 dB，因此,输出信号经过三级放大的功率在20～30 dBm内可调谐。

图5 驱动电路在30～200 MHz的输出功率曲线

2.2 驱动声光调制器实验

以1 572 nm 波长的DFB激光二极管作为光源，测试驱动电路用于驱动2款声光调制器的效果。

第一款声光调制器选用中电二十六所的保偏光纤声光调制器，工作频率为100 MHz(±1 MHz)，射频驱动信号的典型功率为1 W(30 dBm)。

第二款声光调制器选用古奇(Gooch & Housego)公司的光纤声光调制器，工作频率为40 MHz(±1 MHz)，射频驱动信号功率的典型值为0.2 W(23.01 dBm)，最大功率值为0.4 W(26.02 dBm)。

实验测试框图如图6所示。DFB激光器产生的连续激光通过AOM后，使用光纤衰减器将激光衰减到合适强度后连接到光电探测器，使用示波器捕捉对应的波形。测试结果如图7所示，图7(a)是声光调制器驱动电路的输出波形，其中正弦波频率为100 MHz，对OSK管脚施加5 kHz方波得到的调制包络波形。图7(b)是经过工作频率为100 MHz的AOM后光电探测器探测得到的波形。图7(c)是用15 kHz正弦波对DFB激光二极管进行幅度调制后，光电探测器探测到的波形。图7(d)是将使用15 kHz正弦波幅度调制的激光通过工作频率为40 MHz的AOM后光电探测器探测得到的波形，其中驱动电路的包络为500 Hz方波。实验测试结果表明,该驱动电路可以通过配置AD9910不同参数和改变第一级放大器的增益，实现驱动40 MHz和100 MHz工作频率的2款光纤声光调制器。该驱动电路具有较高的灵活性，通过选择不同的工作模式可以用在其他的应用场景。

图6 实验测试框图

图7 实验测试结果

3 结束语

本文介绍了一种声光调制器驱动电路，以FPGA和DDS芯片AD9910为核心器件，通过功率放大器芯片LT5514，HMC680LP4和HELA-10D将信号进行三级功率放大后输出，三级级联的放大器工作范围为30～300 MHz。通过FPGA配置AD9910的相关寄存器，可以实现不同的工作模式：单频输出、调频输出和扫频输出。通过控制第一级功率放大器的增益管脚，可以调谐输出信号的功率在20～30 dBm内变化。该驱动电路具有较高的灵活性，可用于驱动不同工作频率和驱动功率的声光调制器，具有较好的应用前景。