磁選態(tài)銫原子鐘弱信號直接采樣方法研究

高天翔，王驥，趙玉龍，董鵬玲，黃良育，劉志棟

蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州 730000

1 引言

磁選態(tài)銫原子鐘以其優(yōu)良的長期穩(wěn)定性和高可靠性特點，無論在地面導(dǎo)航、守時還是在星載應(yīng)用領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用[1-2]。磁選態(tài)銫原子鐘主伺服控制電路如圖1所示，是一個嵌入式伺服控制系統(tǒng)。該電路控制微波模塊產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的微波信號激勵銫原子躍遷，銫束管輸出的帶有躍遷信息的弱電流信號經(jīng)過采樣，通過CPU計算出壓控晶振的調(diào)節(jié)電壓，再通過數(shù)據(jù)總線控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器，從而對壓控晶振的輸出頻率進行調(diào)整，控制壓控晶振輸出，完成環(huán)路鎖定[3-5]。在以5071A銫原子鐘為代表的“CSⅡ”技術(shù)中，弱信號采樣方法為使用AD652芯片作為壓頻轉(zhuǎn)換器件的壓頻轉(zhuǎn)換法；2000年以后，以Cs4310B和Cs4000銫原子鐘為代表的“CSⅢ”技術(shù)采用的是16位A/D直接采樣銫束管弱信號[6]。壓頻轉(zhuǎn)換法是一種間接型模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，勉強達到12位分辨率時所需采樣時間為20 ms，A/D直接采樣法理論上不僅能夠保證采樣精度，還能提高采樣速率，實現(xiàn)高穩(wěn)定度和低相噪指標(biāo)。因此，比較上述兩種方法對磁選態(tài)銫原子鐘技術(shù)指標(biāo)究竟有何影響就顯得十分重要；同時，由于壓頻轉(zhuǎn)換法所需芯片無法實現(xiàn)全部國產(chǎn)，研究銫束管弱信號A/D直接采樣優(yōu)化主伺服控制電路將對提高銫原子鐘性能指標(biāo)，并實現(xiàn)完全國產(chǎn)化奠定一定基礎(chǔ)。針對此問題，本文設(shè)計了以DSP28335芯片為CPU，利用CAN總線通信技術(shù)和主控CPU板進行通信的A/D直接采樣電路，來完成對于弱信號的高精度快速采樣、處理，計算壓控晶振的調(diào)節(jié)電壓，控制其輸出頻率以實現(xiàn)目的。

圖1 磁選態(tài)銫原子鐘主伺服控制電路原理框圖Fig.1 The main servo control circuit principle diagram of the magnetically selected cesium atomic clock

2 弱信號采樣方式對比

2.1 壓頻轉(zhuǎn)換法

磁選態(tài)銫原子鐘產(chǎn)品利用AD652轉(zhuǎn)換芯片對銫束管輸出弱信號采樣的壓頻轉(zhuǎn)換法，其原理框圖如圖2所示。弱信號壓頻轉(zhuǎn)換模塊的輸入為銫束管輸出電流經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換后的弱電壓信號，然后通過轉(zhuǎn)換將電壓信號轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號，再將頻率信號輸出給FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊通過對脈沖頻率計數(shù)，獲得銫束管輸出電流，F(xiàn)PGA將電流信號上報給主控板CPU進行計算處理。壓頻轉(zhuǎn)換是一種間接比較型的A/D采樣法，即輸入模擬量與參考電壓不直接進行比較，而是轉(zhuǎn)換成頻率這個中間變量進行比較，然后對結(jié)果進行數(shù)字編碼。該方法的A/D分辨率是由時鐘頻率和轉(zhuǎn)換時間(門控時間)決定的，其轉(zhuǎn)換時間TC為：

圖2 壓頻轉(zhuǎn)換原理框圖Fig.2 Block diagram of voltage-frequency conversion principle

式中：FFS為AD652的滿度頻率；N為給定分辨率的數(shù)字量；fCL為時鐘頻率。在現(xiàn)有磁選態(tài)銫原子鐘時鐘頻率500 kHz輸出頻率250 kHz的情況下，構(gòu)成12位ADC，所需轉(zhuǎn)換時間為：

另外加之銫束管響應(yīng)時間3 ms以及放大電路響應(yīng)時間4 ms,則壓頻轉(zhuǎn)換總采樣時間為它們的和23.4 ms，即23.4 ms內(nèi)只采集了一個數(shù)，采樣速度慢。在本文設(shè)計的A/D直接采樣電路中，調(diào)制點信號采樣時間為20 ms,因此實際轉(zhuǎn)換時達不到12位分辨率，這會導(dǎo)致銫原子鐘的調(diào)制點信號誤差無法控制到1 mV以下，影響銫原子鐘短期穩(wěn)定度。

2.2 A/D直接采樣法

銫束管輸出信號為100 nA左右，經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換后達到1 V，再經(jīng)前量放大達到2.5 V以上，因此可以采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片直接采集。本文采用了A/D直接采樣法，即利用DSP28335做為CPU和A/D采樣模塊，銫束管輸出的弱信號經(jīng)放大后，DSP28335對該信號進行采樣并處理，然后利用CAN通信技術(shù)和主控CPU板進行通信，進而對壓控晶振模塊輸出頻率進行調(diào)整完成閉環(huán)鎖定，其原理框圖如圖3所示。集成在DSP28335中的A/D模塊的核心資源是具有12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時具有2個采樣保持器，通過多路復(fù)用后有16個模擬轉(zhuǎn)換輸入通道，這16個模擬轉(zhuǎn)換輸入通道復(fù)用2個采樣保持器保證了ADC模塊能夠同時采樣2個輸入通道[7]。其最高時鐘頻率可配置為25 MHz，可由多個觸發(fā)源啟動ADC，又允許每個或者每隔一個序列轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生中斷請求[8-9]，因此該方法較壓頻轉(zhuǎn)換法大大提升了采集速率。通過CPU

圖3 A/D直接采樣原理框圖Fig.3 Block diagram of A/D direct sampling principle

內(nèi)的軟件設(shè)計，可以實現(xiàn)20 ms完成1 200次數(shù)據(jù)采樣，由于采樣點數(shù)多，可以通過求平均值的方法獲得調(diào)制點信號值，還可以數(shù)字濾波排除掉異常干擾。

3 弱信號A/D直接采樣方案硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件整體設(shè)計原理如圖4所示。該系統(tǒng)基于DSP芯片TMS320F28335為控制核心，由數(shù)據(jù)采集模塊、CAN總線通信模塊和供電電源模塊組成。銫束管輸出的含有頻率偏差信息的信號經(jīng)濾波、放大轉(zhuǎn)化為電壓信號送入DSP的A/D引腳，DSP接收該信號后經(jīng)過處理運算通過CAN總線通信模塊上報到主控板CPU的I/O端口，再進行頻率調(diào)整量計算，完成環(huán)路鎖定。電源模塊為采樣CPU及CAN總線通信模塊提供所需的供電。

圖4 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計原理框圖Fig.4 Block diagram of the overall hardware design of the system

3.1 處理器選型

磁選態(tài)銫原子鐘弱信號采樣系統(tǒng)需要對數(shù)據(jù)進行精準(zhǔn)采集和計算，這要求處理器擁有較高的數(shù)據(jù)運算精度和速度；同時采樣系統(tǒng)需要外接數(shù)據(jù)采集、通信模塊等外設(shè)，這對處理器的接口也有較高要求。

采樣電路采用的系統(tǒng)CPU是DSP28335芯片，這是一款主頻150 MHz的32位數(shù)字信號處理器，具有浮點處理能力外兼功耗小、成本低、外設(shè)集成度高等優(yōu)點。該芯片擁有16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及2個eCAN通信模塊，能夠完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理[10-11]，A/D模塊在3 V內(nèi)分辨率為12位，優(yōu)于1 mv，同時帶浮點處理器實現(xiàn)平均和濾波功能時間小于1 ms，滿足系統(tǒng)的采樣需求。

3.2 通信模塊

為了保證弱信號采樣系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源的實時性與準(zhǔn)確性，在磁選態(tài)銫原子鐘采樣系統(tǒng)DSP與主控板CPU間采用CAN總線通信方式傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)。DSP28335芯片內(nèi)部集成了完整的CAN總線通信控制器。該控制器可以完成數(shù)據(jù)傳送時的自動回復(fù)、自動重發(fā)、錯誤診斷，并具有可編程的中斷配置、總線喚醒等功能。其支持CAN2.0B協(xié)議，提供29位標(biāo)志符、幾個控制位和32個具有8字節(jié)數(shù)據(jù)的消息郵箱，是一個32位的外設(shè)模塊[12]。雖然DSP的內(nèi)部具有CAN總線通信控制器，但生成的數(shù)據(jù)不符合標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線通信協(xié)議，必須要通過驅(qū)動芯片驅(qū)動CAN總線轉(zhuǎn)發(fā)器才能正常通信。CAN總線通信接口連接設(shè)計如圖5所示。CAN總線通信驅(qū)動器采用了SN65HVD230芯片，為消除信號反射必需要在總線高低兩端添加120 Ω的電阻。

圖5 CAN總線通信連接Fig.5 CAN communication connection diagram

4 弱信號A/D直接采樣方案軟件設(shè)計

磁選態(tài)銫原子鐘弱信號采樣系統(tǒng)軟件以CCS7.4軟件作為開發(fā)環(huán)境。軟件部分主要由數(shù)據(jù)采樣及處理、CAN總線通信組成。圖6為弱信號采樣程序流程。

圖6 弱信號采樣程序流程Fig.6 Flow chart of weak signal sampling program

A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量通常要經(jīng)過4個步驟：采樣、保持、量化和編碼[9-11]。銫束管產(chǎn)生弱信號，然后將這些信號送入A/D采集模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC采樣軟件設(shè)計主要有3部分：ADC工作時鐘設(shè)置、ADC初始化設(shè)置，ADC工作方式設(shè)置。ADC工作前必須要進行時鐘即工作頻率的設(shè)置，再對ADC進行初始化，然后設(shè)置其工作方式、采樣順序、采樣模式等。采樣一個周期后通過求平均值的方法獲得調(diào)制點信號，并加入數(shù)字濾波。

由于伺服系統(tǒng)是雙DSP的控制模式，需要對傳輸數(shù)據(jù)的CAN總線通信模塊進行軟件配置，主要分為3個部分：初始化模塊、郵箱配置模塊和發(fā)送模塊。CAN總線模塊初始化過程是為了設(shè)置位時間寄存器，以確定調(diào)制點信號通信波特率、狀態(tài)寄存器以及復(fù)位郵箱控制寄存器，在使用CAN總線通信模塊之前必須進行初始化操作。郵箱配置模塊主要是設(shè)定郵箱標(biāo)志，郵箱發(fā)送或者接收以及是否產(chǎn)生中斷等。CAN總線發(fā)送模塊的設(shè)置只需要將經(jīng)過采樣處理后的弱信號數(shù)據(jù)寫入郵箱，然后置位相對應(yīng)的CANTRS位，如果采樣數(shù)據(jù)成功發(fā)送，郵箱的CANTA相應(yīng)位就會置為1[12]。

5 試驗結(jié)果與分析

5.1 測試方案系統(tǒng)

測試系統(tǒng)原理如圖7所示。磁選態(tài)銫原子鐘輸出10 MHz頻率信號進入頻穩(wěn)分析儀，通過和參考鐘(主動氫鐘)輸出的10 MHz參考頻率信號進行對比，對磁選態(tài)銫原子鐘的頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度等進行測試。頻率穩(wěn)定度測試采用了VCH-314頻率穩(wěn)定度測試儀，參考鐘采用了iMaser3000氫鐘[13-15]。

圖7 測試系統(tǒng)原理框圖Fig.7 Block diagram of the test system

5.2 相對頻率偏差對比

相對頻率偏差是磁選態(tài)銫原子鐘的重要指標(biāo)，它是指在實際系統(tǒng)中，磁選態(tài)銫原子鐘輸出頻率與參考(氫原子鐘)輸出頻率相對差值。圖8是壓頻轉(zhuǎn)換法測得1 s采樣相對頻率偏差結(jié)果，可以看出偏差在-2.0×10-11～2.0×10-11，圖9是采用基于DSP28335的A/D直接采樣測得相對頻率偏差結(jié)果，可以看出偏差在-0.7×10-11～0.7×10-11。由圖9和圖10結(jié)果對比可以得出，采用弱信號A/D直接采樣電路可以明顯降低磁選態(tài)銫原子鐘相對頻率偏差的偏差范圍，意味著磁選態(tài)銫原子鐘頻率波動性小，1 s穩(wěn)定度會有所改善。

圖8 采用壓頻轉(zhuǎn)換法的相對頻率偏差Fig.8 Relative frequency deviation using voltage-frequency conversion method

圖9 采用A/D直接采樣法的相對頻率偏差Fig.9 Relative frequency deviation using A/D direct sampling method

5.3 頻率穩(wěn)定度對比

兩種采樣方法獲得的磁選態(tài)銫原子鐘頻率穩(wěn)定度測試曲線如圖10所示。采用A/D直接采樣測得的1 s的頻率穩(wěn)定度為2.29×10-12，10 s的頻率穩(wěn)定度為2.59×10-12。采用壓頻轉(zhuǎn)換測得的秒穩(wěn)為8.64×10-12，10 s穩(wěn)為3.96×10-12。試驗結(jié)果表明，在磁選態(tài)銫原子鐘長期頻率穩(wěn)定度主要由其物理部分決定的情況下[16]，采用的基于DSP28335的A/D直接采樣法對磁選態(tài)銫原子鐘1～1 000 s內(nèi)的短期頻率穩(wěn)定度較壓頻轉(zhuǎn)換法有所改善，尤其是秒穩(wěn)有著顯著提升。

圖10 兩種采樣法的頻率穩(wěn)定度結(jié)果對比Fig.10 Comparison of frequency stability results of the two sampling methods

6 結(jié)論

本文利用DSP28335芯片設(shè)計了一種對于磁選態(tài)銫原子鐘弱信號的A/D直接采樣電路，通過試驗對比了該方法和現(xiàn)有壓頻轉(zhuǎn)換法對于被測磁選態(tài)銫原子鐘相對頻率偏差和頻率穩(wěn)定度的影響。試驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的基于DSP28335芯片的A/D直接采樣電路對弱信號進行采樣、上報、處理的速度更快，準(zhǔn)確度更高；同時由于銫束管輸出的弱信號波動幅值較大，采用A/D直接采樣多次平均后取得了良好的效果，最終有效減小了磁選態(tài)銫原子鐘的相對頻率偏差范圍，提升了短期頻率穩(wěn)定度指標(biāo)，并為實現(xiàn)磁選態(tài)銫原子鐘完全國產(chǎn)化奠定了一定基礎(chǔ)。