基于铷原子振荡器的DDS精密时钟源设计

2012-07-14林建辉

中国测试 2012年2期

邓韬，林建辉，张兵

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031）

0 引言

在高速列车监测中，对任何一个子采集节点来说，时钟同步是一个非常关键的组成部分。在计算机网络中，由于时钟间存在偏移，所以网络中各个节点的观察时间和时间的持续间隔存在差别。时间同步的目的就是对各个节点的本地时钟提供一个统一的时间标尺。在无线传感器网络中，各节点都有自己的时钟，在需要事件时间的时候，就要求这些节点的时钟必须一致。在无线传感器网络的很多应用中，用户向无线传感器网络咨询或无线传感器网络向外部网络报告都需要说明事件发生的时间。

从整个高铁数据采集来看，高速轮轨关系、弓网关系、空气动力学、车体结构涉及到的振动加速度、位移、噪声、空气压力等一系列测试数据不能进行简单的独立分析，对它们进行广义上的数据融合是必然趋势。各测试系统间精确的时钟同步对基准时钟提出了很高的要求，这也是海量数据发掘的重要前提。

进行一次完整的在线实车试验需要耗费大量的人力、物力、财力，组织一次试验很不容易[1]。由于涉及到众多参试单位的的协调，特别是列车的调度等问题，频繁的同步显然不可能。这些问题在京津线、武广线、郑西线多次的高铁客专试验中都有所体现。原子振荡器频率基准的引入可以在一次同步后相当长的时间内保持各部时间的准确性和一致性。

1 时钟源硬件组成

系统由AD9851、FE-5680A铷原子振荡器、上位机、MCU、LPF电路5部分组成，如图1所示。

系统工作原理：计算机将所需波形的配置数据通过232接口发送至单片机，单片机将这些配置数据对应地发送给AD9851，AD9851会根据接收到的配置数据产生相应频率和相位的波形，最后经由LPF电路输出。AD9851的频率基准由铷原子振荡器提供。

图1 时钟源硬件组成系统框图

1.1 AD9851芯片

AD9851是由ANALOG DEVICES公司推出的一款高性能DDS芯片[2]。由于DDS芯片都需要一个外部时钟振荡器作为参考，这个振荡器的频率越高，理论上DDS合成后的输出频率也可以越高，但是过高的外部频率源可能产生的相位噪声也会很大。由于在AD9851芯片中内部集成了一个6倍的参考时钟乘法器，当系统时钟为180MHz时，在参考时钟输入端只需输入30MHz的参考时钟即可，降低了对外部参考的要求。

AD9851结构图如图2所示。芯片内部一共有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、1位6倍参考时钟倍乘器使能控制、1位电源休眠功能控制和1位逻辑0。寄存器可以采用并行或串行方式来接收这些数据。并行方式由5组8位控制字反复送入，前8位控制由输出相位、6倍参考时钟倍频器、电源休眠和输入方式组成，其余各位构成32位频率控制字。串行输入是以一个40位的串行数据流经过一个并行输入总线输入。

寄存器加载完毕后就可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制且稳定性很好的正弦模拟信号，这个正弦波能够直接作为基准信号源，或通过其内部高速比较器转换成标准方波输出，作为灵敏时钟发生器来使用。AD9851输出的方波还可以通过相应的功能处理、电路处理后得到频率连续可调的三角波、锯齿波、斜波、脉冲等信号。

图2 AD9851结构框图

DDS系统的相关参数可以通过式（1）～式（4）计算[3]。假设相位累加器的位数为n，相位控制字的值为fn，频率控制字的位数为m，频率控制字的值为fm，系统外部参考时钟频率为30 MHz，经过内部6倍参考时钟倍乘器后，可得到AD9851内部工作时钟fc为180MHz，最终合成信号的频率为

合成信号的相位为

DDS输出的最小分辨率为

最高合成频率受奈奎斯特抽样定理限制为

1.2 FE-5680A铷原子振荡器

FE-5650A铷原子振荡器是美国FEI公司生产的高性能铷原子振荡器[4]，具有稳定度高、体积小、质量轻等特点，一般用于GPS驯服钟。振荡器的基本原理就是一个光抽运过程。位于前室真空管中的铷原子首先会被高频电场加热至等离子态，使铷金属离子处于一个合适的能量状态从而发射足够的光子。后室主体是一个充满铷原子蒸气的石英管，同时集成了原子光谱滤镜、微波频率注入和光电池信号检出部分，里面被隔离成了2个小室，分别填充了Rb-85与Rb-87。在吸收了前室发出的光子后，某些能级上的电子受选择定则限制受激后不能跃迁，而其他基态仍然可以共振跃迁，最终将使电子在这个能级的数目过多而达到富集。然后通过一个强烈的微波场，微波能量的频率在一个很窄的频率范围内震荡，以使得在每一个循环中一些频率点可以达到6.83GHz。精确的晶体振荡器所产生的微波的频率范围已经接近于这一精确频率。当一个铷原子外围对应能级的电子接收到正确频率的微波能量时，能量状态将会发生相应改变。上述过程将多次重复进行，而每一次微波腔中的频率都不相同。由此可以得到一个确定频率的微波，使大部分铷原子的能量状态发生相应改变。这个频率就是铷原子的天然共振频率，或确定秒长的频率，经调理电路输出后作为AD9851的参考源。

2 硬件电路设计

2.1 DDS主体电路

AD9851的外围器件硬件连接原理图如图3所示。AD9851的正弦信号输出Iout接到外部低通滤波器[5]（图4），滤掉过多的谐波分量抑制高频杂散[6]，然后输出正弦信号，此时输出可直接用作频率源，本设计作为时钟源的话还需要把输出再回接到AD9851内部比较器的正向（VINP）以得到一个抖动很小的方波信号，此时的输出就是标准的时钟源。

MCU选用ATmega8，由于AD9851串口与AT－mega8的串行方式可以直接兼容，且连接简单，设计中DDS与MCU之间采用串行接口方式连接（图3中 J1口，MCU 未给出）。串行模式是由 D0、D1、D2上电平决定的，此时D0=D1=1，D2=0；

2.2 布线和电源设计

DDS电路是一个模拟数字混合电路，工作频率较高，对布线方式、地线和电源的处理尤为重要。

在医院药房工作的所有工作人员都需要拥有自己的编码和登录密码，在输入自己的编码和密码之后才能够进入到药房的管理系统当中，进行各项操作[4]。每一次登录和操作，系统都要准确的记录工作人员对于哪一种药物采取的哪一种操作形式，才能够完善医院的药品质量管理工作。

为了提高整体电路的信噪比，线路板布线采取了如下措施[7]：（1）增大数字地平面，从而增加平面电容；（2）加宽模拟和数字电源平面之间的间隙，以减小间隙耦合；（3）在数字电源平面上设计了一个阻带超过748MHz（噪声频率）的EBG结构，两地交汇处再用1000pF银云母电容消振。

由于电路对电源的要求较高，常用的开关电源供电方式存在高频开关噪声难以消除的弊端，设计时采用了线性稳压电源，模拟数字独立供电[8]。考虑到原子振荡器启动电流较大，稳压芯片采用了linear公司推出的LT1085LT1086高性能稳压芯片，伺服OP为BB的高速运放OPA637，稳压板采用星形接地以避免地回路的形成。

3 软件设计

3.1 上位机软件

为了扩大时钟源的适应面，输出频率理论可以在0～90MHz任意设置，但受到高频段杂散的影响，实际使用可调频段为1～45MHz，步进0.04Hz。调试时选择相应的COM口，勾选打开串口，然后输入希望输出的频率。点击写频后上位机通过232接口把所需波形的配置数据发送至MCU，MCU再将这些配置数据对应地发送给DDS芯片。调试成功后如果需要固化输出频率，则必须在写入前勾选“writ EEPROM”。

图3 AD9851与外围器件的硬件连接原理图

图4 LPF原理图

3.2 DDS软件

软件流程见图5。DDS软件主要分为2部分：（1）AD9851的初始化；（2）把控制字由MCU装载到AD9851的内部寄存器。

图5 DDS软件主流程图

首先是对AD9851初始化，包括DDS复位和初始化为串行发送。复位后除输入寄存器以外的寄存器清零，输出为高阻，RESET端上升沿信号至少保持7 ns。通过更改逻辑控制字，可开启相位调制模式、低功耗选择模式和置数模式。当开启6倍参考时钟倍乘器，关闭电源休眠功能，相位为0时的逻辑控制字为：D39～D32=00000001。

4 系统调试

图6 系统调试图

系统调试图如图6所示。调试中，原子振荡器采用单端15V供电，DDS板和模拟部分采用5V供电。由于铷原子被加热到等离子态大概需要4min，这一过程中系统锁定不了频率，这时振荡器输入电流约为1 A，稳压块的最大输出电流为3 A，完全满足启动需求。稳定后，系统功耗小于5W。30MHz基准从振荡器内部PCB板上直接取出，信号线使用镀银屏蔽线。屏蔽线全部为输入端接地，输出端悬空。稳定后测得正弦波输出幅度为5～4Vpp，幅度随着频率升高而降低，方波输出幅度为5Vpp。