基于AD9851的高频高压脉冲发生器设计

引言
当前脉冲发生器里的脉冲形成器件，大部分是用火花气隙(spark gap)和高压电子开关(high voltage switch)。采用火花气隙充当脉冲形成器件有很多弊病：(1)火花气隙在低于1kV时，在机械和电气上不稳定，所以对低于2kV的试验电压要通过分压器来得到。(2)脉冲群中单个脉冲的重复频率实际值为10kHz到100KHz，然而广泛调查的结果表明，采用固定调节火花气隙的发生器难以再现这种较高的重复频率。随着脉冲形成器件的更新，特别是高速高压电子开关的选用，把脉冲重复频率提高到5kHz和100kHz是理所当然的事情。而采用直接数字合成芯片(DDS)实现脉冲，其单个脉冲频率能达10MHz甚至更高，脉冲重复频率也可达100KHz以上，还可以在线更改单个脉冲宽度及脉冲重复频率，并且信号非常稳定。这一改变，对提高脉冲发生器工作的稳定性，提高脉冲频率起到了关键作用。

AD9851的功能及控制方式

AD9851是AD公司采用先进的DDS技术生产的高集成度DDS器件。它的内部有高速、高性能的D/A转换器和高速比较器，可作为全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。外接参考频率源时，AD9851可以产生一个频谱纯净，频率和相位都可以控制而且稳定性非常高的模拟正弦波。这个正弦波可以直接作为基准信号源，或通过其内部的高速比较器转换成为方波输出, 作为灵敏的时钟产生器。其系统功能原理框图如所示。
AD9851 的主要特性有：

(1) 允许输入时钟180MHz, 同时提供可选择的片内6倍频乘法器。

(2) 内置高性能的10b数模转换器。

(3) 内含一个高速比较器。

(4) 具有简单的控制接口，允许串/并行异步输入控制字。 (5) 采用32b频率控制字。

(6) 内部使用5b相位调制字。

(7) 工作电压2.7～5.25V。

(8) 可以工作在掉电方式。

(9) 采用极小的28脚贴片式封装。

AD9851内部有5个输入寄存器，储存来自外部数据总线的32位频率控制字，5位相位控制字，一位6倍参考时钟倍乘器使能控制，一位电源休眠功能(powerdown)控制和一位逻辑0 。寄存器接收数据的方式有并行和串行两种方式。并行方式通过8位数据总线D0～D7来完成全部40位控制数据的输入。复位信号RESET有效会使输入数据地址指针指向个输入寄存器，W_CLK上升沿写入组8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个W_CLK上升沿后，即完成全部40位控制数据的输入，此后W_CLK信号的边沿无效。当FQ_UD上升沿到来之际40位数据会从输入寄存器被写入频率和相位控制寄存器，更新DDS的输出频率和相位，同时把地址指针复位到个输入寄存器，等待着下一组新数据的写入。串行方式W_CLK上升沿把引脚D7上的数据按位串行移入到输入寄存器，40位输入结束后，任何W_CLK上升沿到来都会造成数据顺序移出并导致原来数据无效，此时FQ_UD端的上升脉冲就可以使40位数据更新芯片的输出频率和相位。

硬件接口

AD9851的数据线可直接与多种类型单片机相连，本系统的微处理控制器选用的是AT89S52，它是美国Atmel公司生产新一代的51芯片，采用Atmel非易失存储器制造技术，将功能提升，增加了竞争力。89CXX与89SXX指令集和输出管脚可以兼容。89S52内置8K闪存，256字节RAM，是一种高效微控制器,为很多控制系统提供了一种有效方案。更重要的是AT89SXX支持在线编程，非常方便。是系统硬件整体结构。

中，AT89S52的引脚P1.0～P1.7作为AD9851的并/串行数据输入端口，连接AD9851的DO～D7脚。P2.1、P2.0作为I/O口输出数据对AD9851的W_CLK、FQ_UD进行控制。在本设计中采用了并行置数的方式，对DDS的置数用单片机89S52完成。外部时钟源选用20M有源晶振，能保证DDS输出信号的频率稳定性和。

给整个系统上电后，单片机首先对DDS、LCD等进行初始化，预置完毕后向单片机发出应答，接着单片机读取内部数据存储器中作为系统缓存器的数据，把DDS的频率数据先转换成BCD码送到LCD显示，延时一段时间后启动DDS芯片，AD9851输出相应频率的频谱纯净的正弦信号。输出经外部无源低通滤波后，由引脚VINP进入AD9851内部高速比较器，由引脚VOUTP输出得到稳定性好的方波。然后进入键盘扫描程序，判断是否有按键按下，如有按键按下单片机则执行停止动作、送显示、或改变输出信号频率控制字的值等操作。该系统输出信号稳定性、都相当高。

由于AD9851是贴片式的，体积非常小，引脚排列比较密。在其外围采用了电源、输入、输出以及数据线的保护电路。为了不受外界干扰，添加了不少滤波电路，使整个电路完善。 带通滤波器（BPF）

在DDS的输出端设计了一个专门的滤波器来滤除杂散。普通的DDS输出滤波器一般是用一个低通滤波器。而实际的DDS杂散信号并不仅存在于比主频点高的频带内，而往往是在全频带范围里面都存在。所以在本设计中使用带通滤波器作为DDS的输出滤波器。在带通滤波器中有切比雪夫、椭圆滤波器、巴特沃斯滤波器等滤波器可供选择。其中，巴特沃斯滤波器通带内的波动较小，但带外抑制也比较小，且矩形系数较差，因此不太适合作为AD9851输出滤波器使用。切比雪夫滤波器的带外抑制很好，但是其矩形系数不高，在通带附近的衰减不是足够大，同时通带内的纹波比较大，所以也不太适合作为DDS输出滤波器使用。椭圆滤波器是这三种中用相同阶数能够得到矩形系数，5阶椭圆滤波器在通带附近的频点可以得到40dB的带外抑制，很适合将杂散信号滤除。因此滤波器设计中采用了椭圆滤波器，以确保输出频率信号应有的频谱纯度。

为保证电路能安全可靠地工作，防止模拟和数字电路之间的干扰，需要采取隔离措施。在AD9851的电路部分中，数字信号传入模拟部分对输出信号的干扰可以通过数字信号线引入AD9851，这部分干扰中的高频信号会对输出产生严重的影响，用89S51输人时，数字信号的变化频率一般在300KHz以内，所以对这些信号可以用低通滤波器的方式滤除，在本设计中的AD9851和89S51的连接线上都加装了一个一阶RC滤波器。数字信号对模拟部分干扰的另一个重要的途径是通过电源和地串入模拟部分，从电源引人的干扰将严重影响输出频谱的纯度，在的DAC中，电源的周期纹波将被调制到输出的频谱中，使输出信号成为载频调制上噪声信号。在电路设计中必须极力避免从电源线和地中引入干扰信号，在AD9851的电源中必须将模拟地和数字地分开，模拟电源和数字电源完全隔开，且为模拟部分提供低噪声的电源。因此将DDS模拟部分的+5V供电和数字部分的+5V供电完全隔离，也让数字地和模拟地隔离开。

信号经滤波和三极管射极跟随送至高速光耦，然后经由高压运放放大至250V，考虑到信号的放大部分电压较高约为260V，而且信号发生部分还需要和计算机接口，为保证电路能安全可靠地工作，在信号发生单元和放大单元间加入了信号隔离单元。该单元使用一片6N137高速光耦作信号传递元件，其隔离电压为3kV，频率在10MHz以上，每个芯片仅提供一个隔离通道。 该单元采用PA85系列高压运放。这种芯片可以在225V正负电源内工作，输出电流可达200mA。该芯片在使用上与普通运放基本没有差别，但其截止频率高，高频特性好，增益大，1MHz处的增益带宽积为100MHz。由于AD9851得到的信号频率很高，且电压幅值很小，只有毫伏级，为保证能放大信号幅值接近电源电压，所以先由共发-共基组合电路将小信号电压放大到12～15V，然后将这个放大的信号送到PA85高压运放单元。PA85通过外接两枚电阻对输出电流加以限制，实现对电路的保护作用。输出信号的幅度可以方便地通过改变运放的增益系数实现调节。
由PA85放大到200V左右的高频振荡信号，经高压开关，通过电容充放电得到要求的输出电压。

键盘和液晶显示模块

系统外设扩展了一个4x4的键盘实现频率值的设置与在线修改，以实现不同频率的高频信号。系统中的DM-162带有背光的液晶模块，它是字符型液晶模块，是5x7点阵图形显示字符的液晶显示器，它显示的容量为2行16个字，具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动/闪烁等功能。同MCU可采用8位并行传输或4位并行传输两种方式。其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在仪表、仪器和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。

软件编程 软件编程主要是根据AD9851的控制字方式，把具有不同功能的控制字写入到芯片内部。本系统采用并行输入方式，软件流程图如示。

系统上电后先对AD9851及微处理器AT89S52进行初始化，然后通过键盘输入需要信号的频率，送入内存并将其转换为BCD码送到LCD显示，延时一小段时间，通过将89S52的P2.1口置位，使AD9851的写装入信号端W_CLK有效，连续5个W_CLK上升沿后，即完成全部40位控制数据的输入，然后将89S52的P2.0口置位，即频率更新控制信号端FQ_UD有效，40位数据会从输入寄存器被写入频率和相位控制寄存器，更新DDS的输出频率和相位，同时把地址指针复位到个输入寄存器,等待着下一组新数据的写入。

结束语

DDS芯片应用简单，集成度高，体积小，相对带宽较宽，频率切换时间短，相位连续性好，相位噪声比较低。通过合理选用DDS芯片，采用必要措施设计其相关辅助电路来实现高频高压脉冲发生器，提高了脉冲发生器工作的稳定性，对脉冲频率值的提高及在线调节脉冲宽度与重复频率等起到了关键的作用。

  

参考文献:

[1]. AD9851 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD9851_251850.html.
[2]. AT89S52 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89S52_970343.html.
[3]. BCD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/BCD_1225719.html.
[4]. 89S51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/89S51_1135673.html.
[5]. 6N137 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/6N137_91364.html.
[6]. PA85 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PA85_539602.html.