基于AD9835的高压射频信号源设计

1 引言
质谱仪等仪器系统中常需要千伏以上的电压．几百千赫兹到几兆赫兹的频率射频信号加到极板上，形成射频电场．调制离子束。近年来，在电子仪表与测试领域，直接数字频率合成DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)技术逐渐取代了传统的模拟方式。因此，这里提出一种基于DDS AD9835的高压射频信号源的设计方案。

2 系统硬件设计
图l是该系统设计原理框图。单片机STC89C58控制DDS集成电路AD9835，输出所期望的频率正弦波信号。单片机还用于控制输出信号幅值，检测按键，控制液晶屏显示，并与PC通讯接收远程指令。AD9835输出的信号经宽带放大器uPCI676放大后，送至D／A转换器TLC7524，控制其幅值，TLC7524输出后经射频运算放大器AD829放大，再送入功放，经变压器升压，最后输出至负载。

2．1 频率发生模块
作为该系统设计的核心，频率发生模块是由AD9835和单片机构成。其中，AD9835是一款低功耗、可编程波形发生器，最高时钟频率为50 MHz。当AD9835的时钟为25 MHz时，其输出频率范围为DC~12．5 MHz，分辨率是0．005 82 Hz。AD9835控制灵活方便，采用串行方式加载数据，只需3根单片机端口线即可控制。图2为频率发生模块电路，SCLK、SDATA、FSYNC连接到单片机，接收控制命令。为了保证性能和抗干扰，最好将数字电源DVDD和模拟电源AVDD分开供电。电路布局时，电容应该尽可能地靠近AD9835放置。由于AD9835输出信号太弱，只有1.35 V，必须对其多级滤波放大。因此，AD9835输出先进行无源滤波，然后再通过宽带放大器uPC1676将信号放大到接近5 V。

2．2 幅值调节模块
为了实现以数字方式控制输出幅值，将DDS输出信号经滤波放大，送入D／A转换器TLC7524，单片机控制TLC7524实现幅值调节。其中，TLC7524采用直通方式，8位数字量一旦达到D7～DO输入端，便进行D／A转换，从而实现256级幅值调节。TLC7524采用电流工作模式，外接一片运算放大器AD829将电流电压变换为模拟电压输出。
2．3 信号放大模块
由于D／A转换器输出信号幅值小于5 V，需多级放大，因此选用AD829放大器。AD829是一款低噪、高性能高速运算放大器．压摆率230 V／μs，带宽750 MHz。±15 V供电，输出电压最大幅值可达28 VP-P满足系统设计需要。图3为电压放大模块电路，采用反相比例放大，其增益为R9/R12，手动调节R9调整电压输出幅值，C1电容有效滤除杂波。

2．4 升压输出模块
图4为升压输出模块电路，采用2SD669型高压中功率三极管，其带宽增益积140 MHz，Pc为1 W，Vcbo为180 V。各电阻均采用0．5 W功率电阻，采用耐压100 V以上的电容。空心变压器是用0．8 mm漆包线在75 mm直径PVC管上绕制而成的。针对飞行时间质谱仪中射频信号源需要，采用原边线圈4匝，两组副边线圈各30匝，测量线圈4匝，可以得到两组输出。该电路可以根据实际需要应用于其他设计，只需调整副边的绕制方式和匝数就可得到所要的输出幅值。

3 系统软件设计
3．1 主程序
系统软件采用KeilμVision3单片机开发环境，采用KeilC语言。图5为主程序流程图。主程序主要完成单片机初始化、键盘扫描、串口通讯、液晶显示，频率和幅度控制等功能。通过键盘输入或计算机远程控制实现人机交互，使用1602LCD液晶显示。频率幅值等设置参数实时存储于E2PROM，每次开机，可以再现上次关机前设置的参数。

3．2 AD9835编程设置
所输出频率为fout，根据regset=fout232/fmclk‰计算寄存器设置数据regset。将32位regset处理后，写入AD9835的频率寄存器，即可得到相应频率的正弦波信号输出。
采用串行方式加载数据，按照AD9835的时序，将16比特数据写入AD9835内部的寄存器中。使用Keil C编程，方便高效，程序简洁易懂。AD9835的FSYNC、SDA、SCLK分别与单片机连接，用于加载数据的子函数SendData()。

4 结语
实现一个频率为100 kHz～2 MHz，调节步长为1 Hz的高压射频信号源，并具有频率发生控制方便、稳定性和分辨率高等优点。并通过按键和PC远程控制频率和输出幅值。采用高速运算放大器、高频三极管和自制的变压器，可得到最大1200 Vp―p高压的射频信号。