基于AD9851的高頻高壓脈沖發生器設計

引言

當前脈沖發生器里的脈沖形成器件，大部分是用火花氣隙(spark gap)和高壓電子開關(high voltage switch)。采用火花氣隙充當脈沖形成器件有很多弊病：(1)火花氣隙在低于1kv時，在機械和電氣上不穩定，所以對低于2kv的試驗電壓要通過分壓器來得到。(2)脈沖群中單個脈沖的重復頻率實際值為10khz到100khz，然而廣泛調查的結果表明，采用固定調節火花氣隙的發生器難以再現這種較高的重復頻率。隨著脈沖形成器件的更新，特別是高速高壓電子開關的選用，把脈沖重復頻率提高到5khz和100khz是理所當然的事情。而采用直接數字合成芯片(dds)實現脈沖，其單個脈沖頻率能達10mhz甚至更高，脈沖重復頻率也可達100khz以上，還可以在線更改單個脈沖寬度及脈沖重復頻率，并且信號非常穩定。這一改變，對提高脈沖發生器工作的穩定性，提高脈沖頻率起到了關鍵作用。

ad9851的功能及控制方式

ad9851是ad公司采用先進的dds技術生產的高集成度dds器件。它的內部有高速、高性能的d/a轉換器和高速比較器，可作為全數字編程控制的頻率合成器和時鐘發生器。外接參考頻率源時，ad9851可以產生一個頻譜純凈，頻率和相位都可以控制而且穩定性非常高的模擬正弦波。這個正弦波可以直接作為基準信號源，或通過其內部的高速比較器轉換成為方波輸出, 作為靈敏的時鐘產生器。其系統功能原理框圖如圖1所示。
ad9851 的主要特性有：

(2) 內置高性能的10b數模轉換器。

(3) 內含一個高速比較器。

(4) 具有簡單的控制接口，允許串/并行異步輸入控制字。 (5) 采用32b頻率控制字。

(6) 內部使用5b相位調制字。

(7) 工作電壓2.7～5.25v。

(8) 可以工作在掉電方式。

(9) 采用極小的28腳貼片式封裝。

ad9851內部有5個輸入寄存器，儲存來自外部數據總線的32位頻率控制字，5位相位控制字，一位6倍參考時鐘倍乘器使能控制，一位電源休眠功能(powerdown)控制和一位邏輯0 。寄存器接收數據的方式有并行和串行兩種方式。并行方式通過8位數據總線d0～d7來完成全部40位控制數據的輸入。復位信號reset有效會使輸入數據地址指針指向第一個輸入寄存器，w_clk上升沿寫入第一組8位數據，并把指針指向下一個輸入寄存器，連續5個w_clk上升沿后，即完成全部40位控制數據的輸入，此后w_clk信號的邊沿無效。當fq_ud上升沿到來之際40位數據會從輸入寄存器被寫入頻率和相位控制寄存器，更新dds的輸出頻率和相位，同時把地址指針復位到第一個輸入寄存器，等待著下一組新數據的寫入。串行方式w_clk上升沿把引腳d7上的數據按位串行移入到輸入寄存器，40位輸入結束后，任何w_clk上升沿到來都會造成數據順序移出并導致原來數據無效，此時fq_ud端的上升脈沖就可以使40位數據更新芯片的輸出頻率和相位。

硬件接口

ad9851的數據線可直接與多種類型單片機相連，本系統的微處理控制器選用的是at89s52，它是美國atmel公司生產新一代的51芯片，采用atmel非易失存儲器制造技術，將功能提升，增加了競爭力。89cxx與89sxx指令集和輸出管腳可以兼容。89s52內置8k閃存，256字節ram，是一種高效微控制器,為很多控制系統提供了一種有效方案。更重要的是at89sxx支持在線編程，非常方便。圖2是系統硬件整體結構。

系統工作原理

圖2中，at89s52的引腳p1.0～p1.7作為ad9851的并/串行數據輸入端口，連接ad9851的do～d7腳。p2.1、p2.0作為i/o口輸出數據對ad9851的w_clk、fq_ud進行控制。在本設計中采用了并行置數的方式，對dds的置數用單片機89s52完成。外部時鐘源選用20m有源晶振，能保證dds輸出信號的頻率穩定性和精度。

由于ad9851是貼片式的，體積非常小，引腳排列比較密。在其外圍采用了電源、輸入、輸出以及數據線的保護電路。為了不受外界干擾，添加了不少濾波電路，使整個電路完善。 帶通濾波器（bpf）

在dds的輸出端設計了一個專門的濾波器來濾除雜散。普通的dds輸出濾波器一般是用一個低通濾波器。而實際的dds雜散信號并不僅存在于比主頻點高的頻帶內，而往往是在全頻帶范圍里面都存在。所以在本設計中使用帶通濾波器作為dds的輸出濾波器。在帶通濾波器中有切比雪夫、橢圓濾波器、巴特沃斯濾波器等濾波器可供選擇。其中，巴特沃斯濾波器通帶內的波動較小，但帶外抑制也比較小，且矩形系數較差，因此不太適合作為ad9851輸出濾波器使用。切比雪夫濾波器的帶外抑制很好，但是其矩形系數不高，在通帶附近的衰減不是足夠大，同時通帶內的紋波比較大，所以也不太適合作為dds輸出濾波器使用。橢圓濾波器是這三種中用相同階數能夠得到最好矩形系數，5階橢圓濾波器在通帶附近的頻點可以得到40db的帶外抑制，很適合將雜散信號濾除。因此濾波器設計中采用了橢圓濾波器，以確保輸出頻率信號應有的頻譜純度。

信號隔離和放大單元

為保證電路能安全可靠地工作，防止模擬和數字電路之間的干擾，需要采取隔離措施。在ad9851的電路部分中，數字信號傳入模擬部分對輸出信號的干擾可以通過數字信號線引入ad9851，這部分干擾中的高頻信號會對輸出產生嚴重的影響，用89s51輸人時，數字信號的變化頻率一般在300khz以內，所以對這些信號可以用低通濾波器的方式濾除，在本設計中的ad9851和89s51的連接線上都加裝了一個一階rc濾波器。數字信號對模擬部分干擾的另一個重要的途徑是通過電源和地串入模擬部分，從電源引人的干擾將嚴重影響輸出頻譜的純度，在最后的dac中，電源的周期紋波將被調制到輸出的頻譜中，使輸出信號成為載頻調制上噪聲信號。在電路設計中必須極力避免從電源線和地中引入干擾信號，在ad9851的電源中必須將模擬地和數字地分開，模擬電源和數字電源完全隔開，且為模擬部分提供低噪聲的電源。因此將dds模擬部分的+5v供電和數字部分的+5v供電完全隔離，也讓數字地和模擬地隔離開。

信號經濾波和三極管射極跟隨送至高速光耦，然后經由高壓運放放大至250v，考慮到信號的放大部分電壓較高約為260v，而且信號發生部分還需要和計算機接口，為保證電路能安全可靠地工作，在信號發生單元和放大單元間加入了一級信號隔離單元。該單元使用一片6n137高速光耦作信號傳遞元件，其隔離電壓為3kv，頻率在10mhz以上，每個芯片僅提供一個隔離通道。 該單元采用pa85系列高壓運放。這種芯片可以在225v正負電源內工作，輸出電流可達200ma。該芯片在使用上與普通運放基本沒有差別，但其截止頻率高，高頻特性好，增益大，1mhz處的增益帶寬積為100mhz。由于ad9851得到的信號頻率很高，且電壓幅值很小，只有毫伏級，為保證能放大信號幅值接近電源電壓，所以先由共發-共基組合電路將小信號電壓放大到12～15v，然后將這個放大的信號送到pa85高壓運放單元。pa85通過外接兩枚電阻對輸出電流加以限制，實現對電路的保護作用。輸出信號的幅度可以方便地通過改變運放的增益系數實現調節。
由pa85放大到200v左右的高頻振蕩信號，經高壓開關，通過電容充放電得到要求的輸出電壓。

鍵盤和液晶顯示模塊

系統外設擴展了一個4x4的鍵盤實現頻率值的設置與在線修改，以實現不同頻率的高頻信號。系統中的dm-162帶有背光的液晶模塊，它是字符型液晶模塊，是5x7點陣圖形顯示字符的液晶顯示器，它顯示的容量為2行16個字，具有簡單而功能較強的指令集，可實現字符移動/閃爍等功能。同mcu可采用8位并行傳輸或4位并行傳輸兩種方式。其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優點，在儀表、儀器和低功耗應用系統中得到越來越廣泛的應用。

軟件編程 軟件編程主要是根據ad9851的控制字方式，把具有不同功能的控制字寫入到芯片內部。本系統采用并行輸入方式，軟件流程圖如圖3示。

結束語

dds芯片應用簡單，集成度高，體積小，相對帶寬較寬，頻率切換時間短，相位連續性好，相位噪聲比較低。通過合理選用dds芯片，采用必要措施設計其相關輔助電路來實現高頻高壓脈沖發生器，提高了脈沖發生器工作的穩定性，對脈沖頻率值的提高及在線調節脈沖寬度與重復頻率等起到了關鍵的作用。