氫原子鐘頻率合成器設(shè)計(jì)

李錫瑞，蔡勇

（中國科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海 200030）

0 引言

氫原子鐘是一種利用氫原子能級(jí)躍遷產(chǎn)生的電磁波來進(jìn)行計(jì)時(shí)的高精度儀器，在大型工程建設(shè)和基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著廣泛而重要的應(yīng)用。例如，在守時(shí)授時(shí)、載人航天、探月工程、空間科學(xué)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，氫原子鐘是支撐項(xiàng)目工程的關(guān)鍵設(shè)施；在美國的GP-A（gravity probe-A，重力紅移）實(shí)驗(yàn)中，氫原子鐘直接用于愛因斯坦相對(duì)論紅移效應(yīng)的測量；在歐洲的ACES （atomic clock ensemble in space，空間原子鐘組）計(jì)劃中，氫鐘也用于進(jìn)行一些基礎(chǔ)物理理論的驗(yàn)證。由于氫原子鐘應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，工作環(huán)境多變，因此，如何提高氫原子鐘在不同環(huán)境下的“生存能力”，保障氫原子鐘穩(wěn)定性，是氫原子鐘發(fā)展必須面對(duì)的問題[1-5]。

近期在印度巨米波射電望遠(yuǎn)鏡（giant metrewave radio telescope，GMRT）天文臺(tái)安裝自激型氫原子鐘。自激型氫原子鐘的超低相位噪聲和穩(wěn)定性特征將有助于甚長基線干涉測量技術(shù)（very long baseline interferometry，VLBI）觀測。并且隨著甚高頻段信號(hào)的觀測，對(duì)原子鐘穩(wěn)定度提出更高要求。俄羅斯正在開發(fā)用于空間天文臺(tái)“Millimetron”（項(xiàng)目“Spectrum-M”）的更高穩(wěn)定度的自激型氫原子鐘（其目前自激型氫原子鐘的長期穩(wěn)定度指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到2×10-16）。這項(xiàng)任務(wù)將使天文學(xué)家能夠以前所未有的靈敏度和角分辨率觀測宇宙[6-9]。

氫原子鐘的接收、鎖相系統(tǒng)用于接收氫脈澤信號(hào)，并把10 MHz晶體振蕩器輸出信號(hào)的相位鎖定到氫脈澤輸出信號(hào)相位上，從而得到所需的輸出電平和頻率。該系統(tǒng)由晶振、前置放大器、混頻器、中頻放大器、鎖相倍頻器、頻率綜合器、分頻器、鎖相環(huán)路、隔離放大器組成。為了使氫脈澤輸出在準(zhǔn)確的頻率上，我們需要根據(jù)對(duì)氫脈澤振蕩頻率的影響因素進(jìn)行分項(xiàng)修正，對(duì)綜合器頻率進(jìn)行設(shè)置。

我們知道，氫脈澤振蕩輸出頻率fn有如下關(guān)系式：

式（1）中，f0為氫原子鐘的零場頻率，等于1 420 405 751.770 Hz，Δfm為磁場修正，Δfd為二級(jí)多普勒修正，Δfw為壁移修正，Δfc為腔失諧修正。

磁場修正：根據(jù)測得的Zeeman頻率fz，則Δfm=1.416 6×10-9fz2Hz；二級(jí)多普勒修正：因?yàn)楹銣厍坏臏囟萒=326 k，則Δfd=-0.063 0 Hz；壁移修正：根據(jù)半經(jīng)典公式，我們可以推算出Δfw=-0.021 4 Hz；腔失諧修正：因?yàn)榍惑w剛進(jìn)行調(diào)諧，則Δfc=0。

由上述各分項(xiàng)修正，根據(jù)式（1），可以算出氫脈澤振蕩輸出頻率fn，然后設(shè)置綜合器讀數(shù)。例如，根據(jù)測得的Zeeman頻率，算得磁場修正為Δfm=+0.01 Hz，則fn=1 420 405 751.770 + 0.01 - 0.063 -0.021 4 + 0=1420 405 751.695 6 Hz，然后將綜合器設(shè)置到51.695 6 Hz即可，這樣就能保證氫脈澤輸出頻率的準(zhǔn)確性[10-11]。

本文所研究的是氫原子鐘頻率綜合器的設(shè)計(jì)模式，如果頻率綜合器數(shù)值異常將直接影響氫原子鐘穩(wěn)定度的指標(biāo)，因此每臺(tái)鐘設(shè)置精準(zhǔn)的頻率綜合器數(shù)值至關(guān)重要。

1 目前的設(shè)計(jì)模式

通過AT89C52單片機(jī)結(jié)合3片串入并出芯片74LS595輸出氫原子鐘頻率綜合器所需的頻率數(shù)值，然后借助一根25芯的連接線接入接收機(jī)中的CPLD輸入端與接收機(jī)輸出的20.405 7 MHz混頻產(chǎn)生。數(shù)字頻率綜合器的輸出頻率為405.751 ABCD kHz，A到F數(shù)字可以通過智能化面板上綜合器按鍵來調(diào)節(jié)或修改，調(diào)節(jié)范圍為405 751.000 0～405 751.999 9 Hz，即對(duì)氫原子鐘輸出頻率影響的最小分辨率為7×10-14，輸出電平為TTL電平，數(shù)字綜合器的原理框圖如圖1所示。

圖1 目前頻率綜合器的硬件設(shè)計(jì)模式

其中數(shù)據(jù)線傳輸涉及氫原子鐘鎖相接收機(jī)系統(tǒng)、氫原子鐘智能化監(jiān)控系統(tǒng)間的硬件連接；工作性能方面涉及兩大系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)芯片的工作狀況。這種設(shè)計(jì)模式電路集成度不高，外圍電路繁雜，可靠性方面存在較大隱患。因此本文采用功能更加強(qiáng)大的 FPGA+DDS設(shè)計(jì)技術(shù)，電路集成度更高，外圍電路更加簡化，降低了設(shè)備故障率。

2 基于DDS和FPGA的頻率合成器設(shè)計(jì)

2.1 DDS的原理及其特點(diǎn)

直接數(shù)字合成（direct digital synthesis，DDS）是利用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生模擬波形信號(hào)（通常是正弦波形）的一種方法和技術(shù)。DDS的基本原理：通過 D/A變換將具有一定規(guī)律（通常是正弦函數(shù)）產(chǎn)生的隨時(shí)間連續(xù)變化的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬波形信號(hào)。獲得隨時(shí)間連續(xù)變化的數(shù)字信號(hào)的方法有查表法和寄存器法。為了保證或改善產(chǎn)生的模擬波形信號(hào)的技術(shù)指標(biāo)，通常還要采取濾波、放大等一些處理措施[12]。

DDS的主要優(yōu)點(diǎn)是：

① 極低的相位噪聲（優(yōu)于-144 dBc/Hz）和時(shí)鐘抖動(dòng)（＜ 1 ps）。這是DDS最關(guān)鍵的性能優(yōu)勢(shì)。

② 很高的頻率、相位控制分辨率。頻率分辨率可達(dá)10-6Hz，相位分辨率可達(dá)0.02°。

③ 輸出頻率或相位轉(zhuǎn)換快速準(zhǔn)確。轉(zhuǎn)換時(shí)間通常在ns量級(jí)。由于沒有跟蹤或鎖定過程，不會(huì)出現(xiàn)輸出頻率過頭或不足的情況。

④ 數(shù)字控制接口結(jié)構(gòu)，能夠與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合并充分發(fā)揮軟件靈活、方便的控制功能和作用，可用于頻率和相位的遠(yuǎn)距離控制。

⑤ 數(shù)字結(jié)構(gòu)技術(shù)克服了由于器件老化或溫度改變引起的工作參數(shù)漂移，免除了手動(dòng)調(diào)節(jié)和調(diào)試。

⑥ 低成本、高性能、多功能、高集成度。

2.2 DDS芯片選擇

DDS作為一種成熟的技術(shù)，現(xiàn)有芯片有多種選擇；結(jié)合氫原子鐘在頻率綜合器控制精度的要求，在本文設(shè)計(jì)中我們采用了具有48 bit頻率調(diào)諧字DDS芯片AD9956，其功能框圖如圖2所示[13-16]。

圖2 DDS芯片AD9956功能框圖

2.3 硬件框圖和工作原理

DDS系統(tǒng)由Cyclone II EP2C8T FPGA，DDS芯片AD9956及電源管理單元構(gòu)成，如圖3所示。EP2C8T為系統(tǒng)主控單元，負(fù)責(zé)控制AD9956和時(shí)鐘分配器單元。10 MHz時(shí)鐘可以由外參考提供，也可以由板載TCXO晶體提供，經(jīng)過時(shí)鐘分配器進(jìn)行選擇，給FPGA和DDS提供高穩(wěn)、低相噪時(shí)鐘源。

圖3 AD9956 DDS系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過硬件控制AD9956的PS0，PS1，PS2的控制腳，讓DDS芯片工作在固定單一頻點(diǎn)模式，如圖4所示。FPGA通過程序設(shè)置向DDS對(duì)應(yīng)寄存器寫入頻率/相位控制字，并發(fā)出IO_UPD命令，DDS則可以輸出對(duì)應(yīng)所需要的頻率。

圖4 AD9956單元電路

AD9956的輸出頻率f0可以用式（2）計(jì)算：

式（2）中，F(xiàn)為頻率控制字。

AD9956為電流型差分輸出，需要將其轉(zhuǎn)成電壓差分信號(hào)，再經(jīng)過ADT1-1WT進(jìn)行差分轉(zhuǎn)單端輸出。圖5為DDS輸出仿真波形，由圖可以看出輸出正弦含有較高的諧雜波。

圖5 DDS直接輸出仿真波形

由于DDS輸出信號(hào)有一定的諧波和雜散，需要在后端增加低通濾波LPF單元進(jìn)行抑制。我們系統(tǒng)采用了7階T形歸一化巴特沃斯型低通濾波電路，通過設(shè)計(jì)計(jì)算采用合適的截止頻率將諧雜波抑制到合適水平。圖6是無外部濾波器時(shí)諧雜波情況，而圖7則表示增加巴特沃斯型低通濾波器后諧雜波得到了大大改善。

圖6 DD輸出無外部濾波器時(shí)諧雜波含量

圖7 外部增加巴特沃斯型低通濾波器后諧雜波含量

DDS系統(tǒng)配置流程圖如圖8所示。

圖8 AD9956配置流程圖

3 研制結(jié)果和結(jié)論

圖9是研制輸出氫原子鐘頻率綜合器數(shù)值的電路板實(shí)物圖。

圖9 研制輸出氫原子鐘頻率綜合器電路板圖

經(jīng)頻譜儀測試，輸出頻率綜合器數(shù)值幅度滿足氫原子鐘鎖相，鑒相的要求；而且諧波的幅度較小，電路設(shè)計(jì)比較理想，與之前設(shè)計(jì)的頻譜對(duì)比圖如圖10所示，同時(shí)將裝配了新設(shè)計(jì)405 kHz電路模塊的氫鐘（H161）與采用老式設(shè)計(jì)氫鐘（H176）進(jìn)行了穩(wěn)定度測試，從測試數(shù)據(jù)來看，裝配了新設(shè)計(jì)模塊的氫鐘指標(biāo)好于老式設(shè)計(jì)模式。新舊405 kHz電路在氫鐘穩(wěn)定度測試結(jié)果如圖11所示，其中橙色線代表H176氫鐘的測試數(shù)據(jù)；綠色線代表H161氫鐘的測試數(shù)據(jù)。

圖10 頻譜儀測試結(jié)果

4 結(jié)語

經(jīng)測試，所設(shè)計(jì)氫原子鐘頻率綜合器輸出信號(hào)的性能滿足接收機(jī)自動(dòng)調(diào)諧的要求，從氫原子鐘的工作狀態(tài)來看達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。與原設(shè)計(jì)相比較，僅需一塊電路板涵蓋了原本三塊電路設(shè)計(jì)所達(dá)到的設(shè)計(jì)要求，采用功能更加強(qiáng)大的FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)后，電路集成度更高，外圍電路更加簡化，降低了設(shè)備故障率，從而提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，可靠性。