AD9852芯片在原子頻標(biāo)中的應(yīng)用簡(jiǎn)介

引言

被動(dòng)型銣原子頻標(biāo)中，綜合器模塊完成以下功能：

(1) 量子系統(tǒng)作為一個(gè)鑒頻器，基態(tài)87Rb原子0-0躍遷的中心頻率為6834.××××MHz，其中尾數(shù)部分××××頻率由綜合器產(chǎn)生。

(2) 為了實(shí)現(xiàn)微波磁共振探測(cè)，需要在微波信號(hào)上加一個(gè)鍵控小調(diào)頻(調(diào)制頻率為幾十或上百赫茲)，這項(xiàng)功能亦由綜合器來(lái)完成。

(3) 此外，對(duì)量子鑒頻信號(hào)做同步鑒相時(shí)，需要提供同步鑒相參考信號(hào)且可移相，此項(xiàng)功能也由綜合器完成。

在綜合器的研發(fā)工作中，實(shí)際采用了一微處理器與AD9852配合使用，構(gòu)成綜合模塊。微處理器完成產(chǎn)生同步鑒相參考脈沖與79Hz鍵控調(diào)頻方波信號(hào)的功能，通過(guò)將微處理器產(chǎn)生的方波信號(hào)引入DDS的鍵控調(diào)頻引腳，由DDS產(chǎn)生5.3125MHz鍵控調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)濾波后，送入后續(xù)混合電路環(huán)節(jié)中。

物理機(jī)制

在一臺(tái)實(shí)際的被動(dòng)型銣原子頻標(biāo)中，由于各種因素的影響，原子譜線不可能是絕對(duì)對(duì)稱的，盡管壓控晶振的頻率輸出經(jīng)射頻倍頻、綜合、微波倍頻混頻后獲得的實(shí)際頻率可以精確等于譜線的峰值頻率，但由于實(shí)際譜線不對(duì)稱，經(jīng)過(guò)伺服環(huán)路對(duì)量子系統(tǒng)輸出鑒頻信號(hào)的處理后，輸出的糾偏電壓中就具有調(diào)頻頻率的基波分量，該基波分量是一個(gè)偽誤差電壓，會(huì)使壓控晶振頻率拉偏，如圖1所示。

圖1 量子系統(tǒng)鑒頻輸出示意圖

若方波調(diào)頻的深度保持不變，則這個(gè)頻移量也不變，但是由于傳統(tǒng)銣頻標(biāo)中采用了變?nèi)荻?jí)管調(diào)制電路，變?nèi)荻?jí)管是溫敏元件，環(huán)境溫度變化時(shí)，不可避免地將造成方波調(diào)頻深度發(fā)生變化。顯然，當(dāng)方波調(diào)頻的深度增加時(shí)，附加頻移量增加;當(dāng)方波調(diào)頻的深度減小時(shí)，附加頻移量減小。因此，銣頻標(biāo)中的譜線不對(duì)稱，將會(huì)通過(guò)調(diào)制電路給銣頻標(biāo)帶來(lái)溫度系數(shù)。故在設(shè)計(jì)時(shí)，將調(diào)制電路從變?nèi)荻O管調(diào)制方式改為DDS鍵控調(diào)頻調(diào)制方式。
 

直接頻率合成

AD9852主要由參考頻率源、相位累加器、波形存儲(chǔ)器(正弦函數(shù)功能表)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器組成。參考頻率源為DDS提供工作時(shí)鐘頻率，DDS輸出的合成信號(hào)的頻率穩(wěn)定度在不考慮內(nèi)部諸如附加相位噪聲等環(huán)節(jié)的影響時(shí)，和參考頻率源是一樣的。

在頻率變換器件中，100Hz和1kHz處的相噪是比較關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)用DDS做成的綜合器而言，它取決于DDS輸出信號(hào)的相噪、濾波環(huán)路的性能以及放大電路的附加相噪等，其后兩項(xiàng)是根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的濾波及放大電路決定的，對(duì)于第一項(xiàng)則取決于實(shí)際采用的芯片種類。圖2為一款DDS的輸出相噪圖。

圖2 DDS相噪對(duì)比圖

由圖2可見，采用內(nèi)部倍頻的方式在偏離1kHz、輸出5MHz時(shí)相噪為﹣140dBc/Hz;若直接采用300MHz的時(shí)鐘時(shí)，相噪的性能在偏離1kHz時(shí)為﹣142dBc/Hz。因此，為了提高DDS輸出信號(hào)的相噪性能，采用外部倍頻法是一個(gè)比較好的選擇，即把輸入時(shí)鐘信號(hào)在外部進(jìn)行N倍頻后加到DDS上。

DDS在使用時(shí)，要通過(guò)微處理器或CPLD對(duì)其信號(hào)、數(shù)據(jù)進(jìn)行管理控制來(lái)實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用中所需要的若干功能，圖3為我們選用的一款DDS芯片外圍電路示意圖。

其中，MCLK引腳接外部時(shí)鐘源，使DDS的IOUT引腳輸出端頻率信號(hào)的穩(wěn)定度與外部時(shí)鐘源一致。對(duì)于內(nèi)部沒(méi)有PLL倍頻環(huán)節(jié)的DDS芯片，通常MCLK端輸入時(shí)鐘源的頻率應(yīng)高于IOUT端輸出信號(hào)頻率的4倍。如輸出信號(hào)頻率為5.3125MHz，那么MCLK時(shí)鐘端的信號(hào)頻率應(yīng)該大于20MHz，以期望得到更好的相位噪聲，通過(guò)外部濾波電路后，可得到比較純凈的信號(hào)譜。FSELECT為鍵控調(diào)頻信號(hào)輸入端，也就是我們的調(diào)制方波79Hz信號(hào)輸入端，我們使用的DDS內(nèi)部有兩個(gè)頻率控制寄存器，通過(guò)編程的方式將預(yù)先設(shè)置好的頻率值F0、F1保存在寄存器中，當(dāng)FSELECT端有有方波信號(hào)輸入時(shí)(即電平上升沿或下降沿轉(zhuǎn)換)，DDS的IOUT端將會(huì)隨之分別從頻率控制寄存器中讀出F1或F0的值作為輸出，并且會(huì)保障頻率信號(hào)在切換時(shí)相位無(wú)變化。PSEL1、PSEL0為兩路信號(hào)頻率F1、F0的相位調(diào)節(jié)端，在應(yīng)用中，如果需要保持F1、F0在切換時(shí)的相位連續(xù)，需要在設(shè)計(jì)中直接將PSEL1、PSEL0接地。DDS與外界通訊的時(shí)序是通過(guò)引腳FSYNC、SCLK、SDATA來(lái)完成的，其串行通訊的時(shí)序如圖4所示。

當(dāng)FSYNC為高電平時(shí)，SCLK、SDATA引腳為高阻狀態(tài)。當(dāng)FSYNC為低電平時(shí)，DDS將處于通訊狀態(tài)。此時(shí)引腳SCLK有一下降沿的脈沖時(shí)，將使掛在數(shù)據(jù)總線SDATA上的DATA寫入DDS數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，直至最終一個(gè)DATA寫入時(shí)，DDS將根據(jù)引腳FSELECT上的狀態(tài)選擇F1或F0作為IOUT端的輸出。

信號(hào)的產(chǎn)生

本文選用的DDS芯片內(nèi)部有2個(gè)32位頻率控制寄存器(F0、F1)，對(duì)照?qǐng)D4的串行通訊時(shí)序，在SDATA端實(shí)際需要通信的DATA位就是32位。假設(shè)MCLK外部輸入時(shí)鐘頻率為20MHz，DDS的最小的頻率分辨率為：

IOUT輸出20MHz時(shí)(實(shí)際上是不可能的，或是輸出的信號(hào)譜將非常差)，對(duì)應(yīng)的32位頻率控制寄存器的值全為1;輸出5.3125MHz時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)值為(5.3125MHz/20MHz)×232，將所得到的十進(jìn)制值轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制對(duì)應(yīng)32位頻率控制寄存器的值。根據(jù)圖4的串行時(shí)序，通過(guò)微處理器將相應(yīng)的32位值寫入DDS緩沖區(qū)后，在IOUT引腳端將會(huì)產(chǎn)生5.3125MHz正弦波頻率信號(hào)的輸出。其峰峰值在50歐姆負(fù)載的情況下為1V左右，具體的峰谷、峰尖的電平可以通過(guò)引腳FSADJUST端的外接電阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在具體的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)輸出的5.3125MHz正弦波信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)濾波、整形、放大等處理后才能引入到其它電路環(huán)節(jié)中。在設(shè)計(jì)時(shí)，為得到比較純凈的信號(hào)譜，在IOUT端輸出后通常考慮接一帶通濾波器或低通濾波器。

圖3 DDS外圍電路原理圖

圖4 DDS串行通訊時(shí)序示意圖
 

DDS芯片的散熱

在實(shí)際應(yīng)用中DDS時(shí)鐘頻率比較高時(shí)，芯片會(huì)發(fā)燙，必須考慮DDS的散熱。在我們的工作中，采取了簡(jiǎn)潔的方法實(shí)現(xiàn)了散熱片的良好散熱安裝，其方法是在焊接好DDS芯片的印制電路板上通過(guò)導(dǎo)熱膠及散熱片來(lái)散熱。

圖5 帶調(diào)制5.3125MHz信號(hào)測(cè)試譜

小結(jié)

直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)是近些年來(lái)出現(xiàn)的一種頻率合成方法，對(duì)于被動(dòng)型銣原子頻標(biāo)中的綜合器部分，應(yīng)用全數(shù)字DDS芯片設(shè)計(jì)，具有體積小、價(jià)格低、頻率分辨率高、快速換頻、易于智能控制等突出特點(diǎn)。在傳統(tǒng)被動(dòng)型銣頻標(biāo)中，要微調(diào)整機(jī)輸出的頻率，是通過(guò)調(diào)節(jié)C場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)達(dá)到目的，現(xiàn)在由于采用了DDS設(shè)計(jì)，對(duì)于綜合環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)可以很方便地產(chǎn)生任一頻率的值，而且分辨率也很高，這就給整機(jī)頻率的調(diào)整提供了非常好的手段。