AOTF成像光谱仪多通道驱动系统设计

常凌颖　靳梦竹　田轩　张强

摘  要： 根据1 500～2 500 nm的近红外声光可调滤波器（AOTF）成像光谱仪的工作要求，设计AOTF成像光谱仪多通道驱动系统。该系统采用STM32微控制器控制直接数字频率合成（DDS）芯片AD9959生成四路頻率信号，同时STM32微控制器控制通道切换电路实现多个频率快速切换，提高数据采集效率。最后将切换输出的频率信号进行功率放大，达到AOTF成像光谱仪的工作要求。经实验测试结果表明，该文系统可生成频率30～80 MHz、功率达33 dBm的信号，满足1 500～2 500 nm 近红外AOTF成像光谱仪的工作要求。

关键词： AOTF成像光谱仪; 多通道驱动系统; 系统设计; 频率切换; 数据采集; 系统测试

中图分类号： TN741?34                            文献标识码： A                       文章编号： 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

声光可调滤波器（Acousto?Optic Tunable Filter，AOTF）成像光谱仪的成像质量及性能主要受到核心分光部件AOTF的影响[1]。在AOTF成像光谱仪中，AOTF驱动频率的精确度和噪声影响了衍射带宽，驱动频率的切换速度限制了光谱信息获得速度。因此，研究AOTF驱动系统能够提高AOTF成像光谱仪的性能。

AOTF驱动系统作用在超声换能器上可调频信号发生系统，目前多采用频率合成结合功率放大的方式来实现。J. Vanhamel等人针对AOTF高光谱成像仪，选择锁相环方法进行驱动信号生成[2]。但锁相环电路频率分辨率较低，锁频所需时间较长，存在不能快速切换衍射光波长的缺点。中北大学高天学等人主要针对900～1 700 nm近红外声光可调谐滤光器进行驱动系统设计[3]，采取直接数字频率合成技术（Direct Digital Synthesis，DDS）产生驱动信号。同时设计单频和线性扫频两种模式，但单频模式频率切换需要重新对DDS芯片进行配置，使得AOTF不能快速调谐。

针对1 500～2 500 nm频段的AOTF光谱成像仪对驱动系统设计AOTF光谱成像仪多通道驱动系统。该系统采用STM32微控制器，控制AD9959直接数字频率合成芯片生成4路不同频率的信号，同时控制通道切换电路对频率信号进行选择，将选择的频率信号通过功率放大电路进行放大。通道切换电路能够快速进行不同频率的切换，减少频率重新设置的时间，提高不同波长的光谱信息获取速度。通道切换周期设定可以与AOTF光谱成像仪中的成像系统相匹配，可以让AOTF光谱成像仪同时段生成多幅光谱图像。该AOTF成像光谱仪多通道驱动系统具有频率分辨率高、频率高速可调的优点。

1  AOTF成像光谱仪工作原理

AOTF成像光谱仪是根据各向异性双折射晶体声光衍射原理制成[4]。工作原理如图1所示，目标信息（即入射光）进入AOTF成像光谱仪，由可控射频信号发生器产生的射频信号作用在超声换能器产生超声波。在声光晶体中入射光和超声波发生声光效应，发生反常布拉格衍射，使入射光经过AOTF衍射后产生对应波段的零级光和正负一级衍射光。光阑将零级光和负一级衍射光滤除，获得正一级衍射光[5]。AOTF成像光谱仪对所获衍射光进行处理生成光谱图像。

图1  AOTF成像光谱仪工作原理

由于动量守恒的存在，衍射光的波长与介质中声波的波长相关。当AOTF及入射光方向固定时，AOTF输出的衍射光波长[λ]与超声波频率[f]关系如下[6]：

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

式中：[θi]为入射光与晶体光轴的夹角;[θd]为衍射光与晶体光轴的夹角;[ni]为入射光折射率;[nd]为衍射光折射率;[λ]为衍射光波长;[f]为超声波频率;[va]为超声波的速度。AOTF的参数确定且入射光方向固定时，[θi]，[θd]，[ni]，[nd]确定，衍射光波长只与超声波频率相关[6]。超声换能器能够将所加载的电信号转换为同频的超声信号。因此，对射频驱动系统产生的射频信号进行调谐，就能够改变输出光的波长。本设计中近红外光波长范围为1 500～2 500 nm，波长与驱动频率的调谐关系如图2所示。由图2可知，系统所需要的射频信号频率范围为38～64 MHz。

2  硬件和软件设计

2.1  系统总体框架

AOTF成像光谱仪多通道驱动系统设计实现，主要包括频率合成模块、通道切换模块、功率放大模块，系统性能要满足工作范围为1 500～2 500 nm的近红外的AOTF成像光谱仪的使用。因此设计频率范围为30～80 MHz，驱动功率达33 dBm的AOTF成像光谱仪的多通道驱动系统。

AOTF成像光谱仪的高速调频多通道驱动系统总体结构如图3所示。

上位机发送数据到STM32微控制器，STM32通过SPI总线接口发送地址和数据控制DDS芯片，产生4路不同频率的信号。通过低通滤波器对信号进行平滑处理，滤除杂散频率。通道切换电路再对4路信号进行选择，最后将选择的信号进行功率放大，并将该频率信号加载到AOTF超声换能器上，激发AOTF发生反常布拉格衍射。

2.2  频率合成电路

2.2.1  信号生成电路

AD9959芯片有4个完整的DDS通道，AD9959每个通道之间的通道隔离度均大于 65 dB。在采样时钟高达500 MSPS时32位频率控制字能够使每个通道的频率分辨率可达0.116 Hz，最大输出频率200 MHz，能够满足30～80 MHz频率设计要求[7]。因此选择ADI公司的DDS芯片AD9959作为频率合成电路的核心组件。STM32微控制器通过串行端口对 AD9959的内部寄存器进行编程，实现4路频率信号的生成。STM32芯片与AD9959接口电路如图4所示。

图中：RSESET接收到STM32发送信号，当输入高电平AD9959芯片的内部寄存器复位;CS接收到低电平信号控制芯片能够进行串口通信;I/O_UPDATE接收到信号上升沿时，将数据从SDIO0～SDIO3缓冲区传输到内部寄存器。SCLK为串行数据时钟，由STM32提供用于I/O通信最高可达200 MHz;P0～P3通过STM32对其进行编程可完成扫频等功能的实现;SDIO0～SDIO3接收从STM32中发送的串行数据，每根均以串行数据时钟的频率进行通信[8]。因此，整片AD9959的最高通信频率达4×200 MHz，使得驱动系统能够高速地产生所需的射频信号，提高AOTF成像光谱仪的数据采集效率。

2.2.2  滤波电路

DDS因采用全数字结构，难以避免会产生杂散频率[9]。DDS杂散频率主要集中在高频段，因此在输出之前合成的信號需要通过低通滤波器除去大量杂散频率。因此，设计合适的低通滤波器非常重要。椭圆滤波器相比其他类型的滤波器，在阶数相同的条件下有着最小的通带和阻带波动[10]。因此，在本次设计中滤波电路设置为频带在200 MHz的低通椭圆滤波器。滤波电路及仿真结果如图5所示。

2.3  通道切换电路

AOTF具有多频复用能力，但随着作用在AOTF上频率个数的增加，功率逐渐增大，导致假响应的出现，在滤波的光谱中产生伪影，影响成像光谱仪的图像清晰度。所以本次设计中使用通道切换电路切换频率，频率信号作用在超声换能器产生不同频率的声波信号分时复用通过声光晶体。在提高AOTF的不同波长的衍射光强的同时，减少假响应对于光谱的影响。通道切换电路原理如图6所示。

通道切换电路采用单刀双掷射频开关芯片HMC284AMS8G，开关芯片通断通过74ACT00与非门芯片控制。通道切换电路作为频率合成电路的末级输出，其输出端口受STM32微控制器控制，只需上位机选择多个通道，设置通道切换时间便可实现任意通道转换。通道切换电路真值表如表1所示。

2.4  系统软件流程设计

系统软件流程如图7所示。在软件设计中 ，首先对STM32，AD9959及通道切换等模块初始化，然后进入串口中断程序等待上位机下发指令。STM32芯片收到上位机发出的串口指令，进入串口中断程序对串口指令进行参数解析，然后配置AD9959的寄存器和通道切换模式，配置完成后，程序返回到等待中断状态，等待上位机发出下一条频率指令。上位机软件用于驱动系统模式的选择和参数的配置，其指令可设置驱动信号输出模式（单频、线性扫描）及相应参数[11]。线性扫描时，可以选择2个通道进行起始频率、终止频率和频率步进的设置。单频模式可以选择多个通道，设置每个通道的频率，实现多个频率之间的切换。通道切换时间可以根据AOTF成像光谱仪的成像系统进行设置，实现多个频率分时输出。上位机界面如图8所示。

2.5  功率放大电路

功率放大电路工作频带为30～80 MHz，带宽接近2个倍频程，驱动功率要达到33 dBm。由于驱动功率要达到33 dBm，而频率合成电路的信号功率约为0 dBm，需要设计两级功率放大电路。驱动级功率放大增益为17 dB，末级选用高效率功放管，增益为16 dB，达到输出功率为33 dBm。功率放大电路图如图9所示。

驱动级使用CGR?0218Z放大器芯片，可以在5～200 MHz工作，增益为17 dB。该芯片内部已经完成阻抗匹配，因此驱动级功放电路的设计简单。末级功放电路使用2SK3476芯片，对芯片进行阻抗匹配以及电源电路的设计[12]，使得功率放大电路在30～80 MHz能够达到33 dBm的放大功率。

3  驱动系统实验

测试频率合成电路，上位机控制电路输出30～80 MHz的频率，用示波器对系统的输出波形进行测试。频率合成电路测试数据如表2所示。频率信号波形（60 MHz）如图10所示。测试的6组数据结果表明，系统能够稳定输出频率，且频率相对误差控制在0.004%以内。

通过频谱仪对驱动系统进行输出功率的测试，测试电路中加入了20 dB的衰减器得到不同频率信号的输出功率，测试数据如表3所示。信号的功率谱（60 MHz）如图11所示。驱动电路在信号30～80 MHz功率可达33 dBm。

4  结  语

本文系统采用微控制器STM32控制DDS芯片AD9959，产生多路不同的频率信号，通过通道切换电路实现频率的快速切换，减少频率重新设置的时间，提高不同波长的光谱信息获取速度。功率放大电路频带范围在30～80 MHz，输出功率信号可达33 dBm。经过实验验证，该多通道驱动系统产生的频率信号，满足驱动1 500～2 500 nm AOTF光谱成像仪的设计要求。

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