AOTF近紅外光譜儀信號源設計*

蓋沙沙, 毛文華, 張俊寧, 張小超, 趙雙龍

(1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院,北京 100083；2.呼倫貝爾市農(nóng)牧業(yè)機械推廣站,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008)

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AOTF近紅外光譜儀信號源設計*

蓋沙沙1, 毛文華1, 張俊寧1, 張小超1, 趙雙龍2

(1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院,北京 100083；2.呼倫貝爾市農(nóng)牧業(yè)機械推廣站,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008)

在聲光可調(diào)濾光器(AOTF)近紅外光譜儀系統(tǒng)中，穩(wěn)定的射頻驅(qū)動信號源是AOTF實現(xiàn)分光功能的關鍵。本文根據(jù)近紅外光譜分析所需的波長范圍，利用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術，設計了驅(qū)動AOTF所需的射頻信號源。系統(tǒng)包括單片機控制模塊、DDS信號發(fā)生模塊、濾波電路、功率放大模塊四部分。經(jīng)實驗測試，系統(tǒng)可在80～150 MHz頻段內(nèi)任意頻點輸出穩(wěn)定的正弦信號波形，相對誤差在0.45 %以內(nèi),功率為1 W，滿足AOTF的工作要求(對應輸出波長范圍900～1 700 nm)。

單片機; 直接數(shù)字頻率合成; 聲光可調(diào)濾光器； 低通濾波

0 引 言

近紅外光譜分析技術廣泛應用于糧油、食品、飼料、育種等行業(yè)，目前正在取代傳統(tǒng)的化學方法，成為這些行業(yè)中對產(chǎn)品成分測定的標準方法。

分光系統(tǒng)是光譜儀的核心系統(tǒng)。聲光可調(diào)濾光器(acousto-optic tunable filter，AOTF)是目前最先進的第五代分光系統(tǒng)的核心部件,它利用聲光調(diào)制技術實現(xiàn)光譜掃描，是一種全固態(tài)濾光器。AOTF克服了機械分光系統(tǒng)的許多缺點，提高了儀器的抗震性，有利于光譜儀的小型化及程序化控制，因此,AOTF光譜儀近年來在工業(yè)在線和現(xiàn)場分析中得到越來越廣泛的應用[1,2]。

在AOTF光譜儀的系統(tǒng)中，穩(wěn)定的射頻驅(qū)動信號源是AOTF實現(xiàn)分光功能的關鍵。本文詳細介紹了基于直接數(shù)字頻率合成技術(direct digital synthesis,DDS)的AOTF光譜儀射頻驅(qū)動信號源設計。該系統(tǒng)可輸出80～150 MHz頻段內(nèi)任意頻點的正弦信號，輸出功率為1 W，對應AOTF的輸出波長范圍900～1 700 nm，滿足近紅外分析的要求。

1 AOTF工作原理

AOTF利用聲光調(diào)制技術工作[3],其工作原理如圖1所示。 AOTF由單軸雙折射晶體、粘合在晶體一側(cè)的壓電換能器組成。射頻信號作用于壓電換能器，在晶體內(nèi)產(chǎn)生超聲波。傳導中的聲波對晶體產(chǎn)生折射率的周期性調(diào)制，這相當于提供了一個移動的光柵，可以對入射光進行衍射，將特定波長的單色光從多色光中選出來。當AOTF及入射光方向固定時，AOTF輸出的單色光波長λ與射頻信號頻率f有如下關系

(1)

式中Δn為雙折射引起的折射率差，v為超聲波速度，f為超聲波頻率(即射頻信號頻率)，θi為入射光與超聲波波面的夾角。因此，只需要通過電信號的調(diào)諧即可快速、方便地改變輸出光的波長。

本設計中所需要的近紅外波長范圍為900～1 700nm。本系統(tǒng)使用TeO2晶體AOTF，通過式(1)得到所需要的射頻信號頻率范圍為80～150MHz,驅(qū)動功率為1W。

圖1 AOTF結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure of AOTF

2 AOTF射頻驅(qū)動信號源設計

2.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。采用STC系列單片機作為主控制器,DDS選用AD公司的AD9910芯片。單片機通過SPI接口控制DDS芯片，產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)。經(jīng)過濾波電路后，得到平滑的正弦信號。最后對正弦信號進行功率放大，以得到足夠驅(qū)動AOTF的射頻信號。外部晶振為DDS芯片提供精準的時鐘信號。

圖2 系統(tǒng)電路設計框圖Fig 2 Design block diagram of system circuit

2.2 系統(tǒng)硬件設計

2.2.1 單片機與DDS接口電路

AD9910 是一種內(nèi)置14位DAC的直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，支持高1 GSPS采樣速率[4]。AD9910采用高級DDS專利技術，在不犧牲性能的前提下可極大降低功耗。DDS組合構(gòu)成數(shù)字可編程的高頻模擬輸出頻率合成器，能夠在高達400 MHz的頻率下生成頻率捷變正弦波形。在1 GSPS采樣速率下，調(diào)諧分辨率為0.23 Hz。通過串行端口對AD9910的內(nèi)部控制寄存器進行編程，以實現(xiàn)對AD9910的控制。單片機與AD9910的接口電路如圖3所示。

圖3 單片機與AD9910接口電路Fig 3 Interface circuit of MCU and AD9910

MASTER_RESET用來給AD9910復位，I/O_RESET可視為單片機與AD9910通信出現(xiàn)故障時實現(xiàn)對I/O復位[5,6]，I/O_UPDATE用于將串行I/O緩沖器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡骷挠行Ъ拇嫫髦?。CS,SCLK,SDIO 為AD9910的串行時鐘，其中,CS為片選信號，SCLK為串行時鐘，SDIO為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。單片機通過串行輸入輸出引腳配置AD9910的內(nèi)部寄存器。PROFILE0，PROFILE1，PROFILE2為PROFILE選擇引腳。

2.2.2 DDS外圍電路

DDS芯片AD9910的外圍電路主要包括時鐘電路(圖4)和環(huán)路濾波器(圖5)。

圖4 DDS時鐘電路Fig 4 Clock circuit of DDS

AD9910 參考時鐘的質(zhì)量直接決定了模擬輸出信號的質(zhì)量，在本文設計中采用了40 MHz的恒溫晶振，通過AD9910的內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻到1 GHz。

圖5 鎖相環(huán)配置電路Fig 5 PLL circuit of DDS

鎖相環(huán)電路需要外部設置環(huán)路濾波參數(shù)才能正常工作。圖5中的C1,C2,R1構(gòu)成RC濾波器，電容和電阻值按以下公式確定

(2)

(3)

(4)

式中 KD為ICP編程值，KV通過查表查找。

本設計最終得到的參數(shù)如下：C1=680PF,R1=1kΩ,C2=22pF。

2.2.3 濾波電路

根據(jù)DDS的工作原理，直接產(chǎn)生的DAC輸出信號必然包括所要求的頻率和鏡像頻率以及諧波頻率[7，8]，因此，在輸出端必須經(jīng)過低通濾波器進行濾波，根據(jù)Nyquist原理，通常只有芯片工作時鐘頻率50 %以內(nèi)的頻率不受鏡像頻率的影響。濾波電路的作用是濾除DDS輸出信號的帶外雜散信號，提高信號的頻譜純度。在本設計中濾波電路采用的是七階橢圓濾波器。濾波電路如圖6所示。

圖6 濾波電路Fig 6 Filtering circuit

2.2.4 功率放大電路

本設計所用AOTF所需要的驅(qū)動信號功率要求為1 W，而DDS所輸出的信號功率較小，因此需要對其進行功率放大。在設計中采用了Freescale的A類通用線性放大器模塊MHW1345，圖7為MHW1345電路原理圖。

圖7 MHW1345 應用電路Fig 7 Application circuit of MHW1345

2.3 系統(tǒng)軟件流程設計

系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。在軟件設計中，AD9910工作在單頻模式[9]，首先對 AD9910初始化選擇單頻模式，然后進入串口中斷程序等待計算機下發(fā)指令，如果收到計算機下發(fā)的串口指令，將進入串口中斷程序?qū)τ嬎銠C下發(fā)的指令進行解析，然后對AD9910的寄存器進行配置，配置完成后，程序返回到等待中斷狀態(tài)，等待計算機發(fā)出下一條頻率指令。

圖8 軟件流程圖Fig 8 Software flow chart of system

3 信號源試驗

設定AOTF近紅外光譜儀信號源系統(tǒng)，使之輸出頻率為80～150 MHz的正弦信號，用示波器對系統(tǒng)的輸出波形進行測試，試驗結(jié)果滿足設計要求。測試數(shù)據(jù)如表1所示。信號波形(120 MHz)如圖9所示。

測試的9組數(shù)據(jù)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的輸出所需的頻率要求范圍，頻率相對誤差在0.45 %以內(nèi)。

表1 測試數(shù)據(jù)

圖9 120 MHz信號波形Fig 9 Signal waveform with frequency of 120 MHz

4 結(jié)束語

本文利用單片機及DDS芯片為AOTF近紅外光譜儀設計了射頻驅(qū)動信號源。其輸出頻率為80 ～150 MHz，功率為1 W，對應光譜范圍為900 ～1 700 nm。該設計頻率轉(zhuǎn)換速度快，信號穩(wěn)定，操作簡便，測試結(jié)果滿足設計要求，為AOTF近紅外光譜儀的研發(fā)奠定了基礎。

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[3] 張小超，吳靜珠，徐 云，等.近紅外光譜分析技術及其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012：54-55.

[4] 黃 勇，高仕紅，龍傲雪.DDS在光柵傳感器位移測量系統(tǒng)調(diào)試中的應用[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(9):112-114.

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[9] 李 俊，譚秋林，崔永俊，等.基于AD9910的高頻多模式信號發(fā)生器的設計[J].電視技術，2012，36(9)：51-54.

蓋沙沙 (1988-) ,女，山東東營人，碩士研究生，研究方向為自動檢測與控制技術。

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

國家國際科技合作專項項目(2015DFA71150, 2014DFA31660)

TN 741

A

1000—9787(2016)12—0103—03