（检测技术与自动化装置专业论文）被动型氢钟控制系统研究与设计.pdf

r e s e a r c ha n dd e s i g n o fc o n t r o ls y s t e m i np l a ss i v eh y d r o g e nm a s e r ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e “n g b y q ub a o c h u a n g s u p e i s e db y a s s o c i a t ep r o fc h e nc o n g y a n s c h o o lo fa u t o m a t i o n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 7川，3m167，il-y 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：煎丝鱼导师签名： 日 期：7 矿卯职l ， 摘要 摘要 被动型氢原子钟是一种高精度的时间频率标准，主要应用于航空航天等需求小型高 精度频率标准的场合，并在基础理论研究、导航、雷达、大地测量、天文观测和通信领 域都有重要应用，被动型氢原子钟相关的应用研究势在必行。 本文研究的内容是在被动型氢钟伺服环路中控制系统部分，对控制部分的指标要求 做出分析，完成控制部分的软硬件实现及联合测试，实现较高精度和稳定度的被动型氢 钟控制输出。 文章首先在被动型氢钟的应用背景中分析了其基本的工作原理；在此基础上根据最 终的控制指标提出对控制系统的性能要求，并根据工作原理设计了原理电路、完成了硬 件电路制作；第3 章实现了基于应用目的的驱动程序和系统框架的开发，使得系统可控 并利于调试实验；第4 章提出了应用于被动型氢钟的频率锁定控制算法；第5 章对控制 系统进行测试，并进行系统联调，实现了氢钟的智能快速精确的锁定，在充分实验的基 础上，针对控制过程之中遇到的关键问题提出了解决方案，控制效果显著提高；最后总 结了本课题所做的工作并提出改进的措施。 关键字：原子频标控制电路控制算法晶振谐振腔 a b s h a d a b s 仃a c t p a s s i v eh y d r o g e nm a s e ri sm eh i 曲1 艘i s i o nt i m ea n d 矗嘲u e i l c ys t a l l d a r d s ，、) l ，h i c h m a i l l l yb eu s e di n t l l eo c c a s i o nw h e r en e e d sas m a l l s c a l e 觚dl l i 曲- p r e c ：i s i o n 舶q u e i l c y s t a i l d a r d ，j u s tl i k ea v i a t i o na i l ds p a c e ，b e s i d e si tp l a y sa ni i i l p o r t a n tr o l ei i lb a s i ct h 删i c a l r e s e a r c h ，n a v i g a t i o n ，r a d 碣g e o d e t i c ，嬲们n o m i c a l0 b s e a t i o n 锄dc o 衄n l 皿c a t i o n s ，s ot h e r e l a t e dr e s e 砌lo fp a s s i v eh y d r o g e nm a s e ri si m p e r a t i v e t h ec o n t e i l ti sa b o u tt h ec o 砷r o ls y s t e mi nm es e r v el o o po fm ep 嬲s i v eh y d r o g e i lm a s 觚di n c l u d e sar e q u i r e m e n t sa i l a l y s i sa b o u tt l l ec o n 仃o ls y s t e m t h ec o 纳r 0 1s y s t e mc o m e s 饥l e a n e rm es o r w a r ea 1 1 dh a r d w a r ew e r ec o m p l e t e d ；a n da r e rt e s tt o 彻n o v et h eb u g ，i tc a n 西v e h i 曲- p r e c i s i o na n ds t a b l ec o n t r 0 1 f i r s t ，o nm eb a s i so ft l l ew o r kp r i i l c i p l ea b o u tm ep a s s i v eh 姐i r o g e i lm a s e ri i lt l l e a p p l i c a t i o nb a c k 粤o u n d ，t h e c o n t r 0 1s y s t 锄p 晌m l a i l c er e q u i r e m e n t sa r ep u tf o 刑a r d a c c o r d i n gt ot h ep a s s i v eh y d r o g e nm a s m e i lt h ee l e c t r i cs c h e m a t i cd i a 鲫ni sd e s i 印e da l l d t h ep c bi sf a b r i c a t e d t h ed r i v e r 锄ds y s t e ms o 胁a r e 矗a m ea r ed e v e l o p e di nc h a p t e r3t 0 a c h i e v em ep u i p o s eo fm a k i n gm es y s t 锄c o n t r o l l a b l e 锄dc o n d u c i v et od e b u g ；t h ec o n t m l a l g o r i m mi nt h ep a l s s i v eh y d r o g e nm a s e r i sa d v a n c e di nc h 印t e r4 ；t h ec o n 仃o ls y s t e mi st e s t a l o n ea n di nm em a s s i v eh y d r o g e nm a s e ri nc h 印t e r5 ，m ee x p e r i m e l l ts h o w st h a tm es y s t e m a c h i e v e sa i li n t e l l i g e l l c eq u i c k l ya n da c c u r a t e l yl o c k ；i nt h ec x p 嘶m e n t ，s o m ek e yi s s u e sa r e e n c o u n t e r e da i l ds o l v e d ，u l t i m a t e l ym ei d e a le x p 嘶m e i l t a lr e s u l t sa r ea c q u i r e d ，a 1 1 dm ec o n 乜d l e 虢c ti si n c r e a s e ds i 印i f i c a n t l y f i n a l l ym ew o r ki nt l l es u b j e c ti s s 啪m 撕z e d 锄d i m p r o v 锄饥tm e a s u r e sa r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：a t o m i cf 沁q u e n c ys t a i l d a r d ，c o n t r o lc i r c u i t ，c o n t r o la l g o r i t h m ，c r y s t a lo s c i l l a t o r ， r e s o n a l l tc a v i t y 2 3 硬件方案设计及器件选择 2 3 1 晶振控制模块 2 3 2 误差信号采集模块 2 3 3 谐振腔控制模块 2 3 4 基准源选择 2 3 5 其他部分的器件选择 2 4 氢钟控制系统电路设计与实现 2 4 1 谐振腔控制电路设计 2 4 2 晶振控制电路设计 2 4 3 误差采集电路设计 2 4 4 电压基准电路设计 2 4 5d s p 外同电路设计 2 4 6 供电电路设计 2 4 7 其他电路设计 2 4 8 布线制作 2 5 本章小结 第3 章氢钟控制系统软件设计 3 1 开发环境及平台搭建 3 2 底层功能没计实现 3 2 1s p i 驱动d a 转换器件 3 2 2 模数转换 3 2 3 外部同步信号与时钟信号 3 2 4s c i 驱动上位机传输模块 3 3 控制系统主程序设计 3 4 控制接口及量程切换处理 3 5 采样功能实现 3 6 上位机程序设计 3 7 本章小结 第4 章系统控制算法设计 4 1p i d 专家控制 4 2 应用于被动型氢钟的控制算法及实现 4 2 1 误差的获取及参数选择 4 2 2 环路参数确定 4 2 3 稳态控制参数选择 4 2 4 误差解耦与控制 4 2 5 误差评估一 n l 4 5 4 6 4 8 4 8 5 0 5 0 5 l u挖墙堪均加俎丝历药粥勰勰四n札驼驼盯鹪勰虬铊褐必钙 l v 第l 章课题研究背景 第1 章课题研究背景 时间和频率是最重要的物理量之一。人类研究和掌握自然规律需要恒定不变的时间 标尺；人类处理信号的方式不论模拟的方法还是数字的方法都需要一个重要的物理量： 时间或频率。随着社会生产力和科学技术的进步，对时间的准确度和稳定度要求越来越 高。本章介绍了原子频标的研究背景和意义，介绍了原子频标的发展现状及趋势以及被 动型氢原子钟的系统概况和控制部分的特点。 1 1 课题背景和意义 对于时间和频率高精度和高稳定性的研究始终是各国基础研究中最重要的环节之 一，并投入了大量的资源。它的技术水平制约着很多相关方面的应用突破现有水平，达 到国际领先。科学家一直致力于寻找更高精度的频率源，并探索其作为频率标准的可行 性。 随着科学和技术的提高，随着人类的探索步伐从宏观领域走向微观世界。对微观物 质和电磁相互作用、对物质的微观量子态和它的跃迁做了比较深入系统的研究后，找到 了一种新的作为时间频率的标准：物质微观运动的量子跃迁，从而开辟了量子频标的新 纪元。量子频标是能产生标准频率信号用来进行频率和时间测量的计量装置，它以 原子或分子、离子等内部量子跃迁的发射或吸收频率为参考标准。以它为基础的时 间频率测量的相对精密度和准确度高达1 0 叫6 和l o 叫4 的数量级。 目前各类量子频标已经走出实验室，高精度的原子频标应用广泛，主要有授时授频、 导弹靶场、核爆侦听、天文学、地球物理学、减灾预报、通信网中的精密定时源等，并 成为实现导航定位卫星中系统工作的基础，频标在科学研究和日常生活中起到了非常重 要的作用嘲。 2 0 世纪原子钟的最辉煌应用莫过于由它构成全球定位系统的核心。而9 6 年研制成 功的冷原子钟，今天又迅速链接至空间应用，成为未来新一代的空间频率基准。这些原 子钟，不仅结构紧凑、可靠性高、寿命长，而且具有高性能水平，代表着原子钟的顶尖 级应用吲。 卫星导航系统中的多普勒导航为了测量多普勒频移，用户钟和卫星钟的频率变化在 1 0 1 0 一。以内。在g p s 被动定位中，星载高稳定度的频率标准成为精密定位的关键，其 精度直接影响到了最终测距的精度。时频系统以其对定位精度的绝对性影响，在卫星导 航系统中占有重要地位，并因此成为空间探测和军工领域研究的重点h 1 。当前频率的测 量精度已经达到优于l 1 0 。1 5 ，也就是原子钟可以准确到每三千万年误差一秒的精度。 大量与频率有关的物理量都可以通过与频率的联系非常准确的测量瞄1 。因此对原子钟方 面的性能研究非常重要。 基于应用需求，频标的一个最主要的发展方向为星载原子钟。星载原子钟主要有氢 脉泽钟( 氢钟) 、铯钟和铷钟3 种。自1 9 7 4 年g p s 发射第一颗实验卫星以来，各国就开 始不断提高星载钟的性能水平，截至目前，星载原子钟已经超过了3 0 0 台，其中大部分 垄壹盔堂堡主堂垡堡塞 用于美国“全球定位系统”( g p s ) 和俄罗斯的“全球导航卫星系统”( g l o n a s s ) 嘲。欧 洲的伽利略系统已经成功的应用了星载被动型氢钟。 氢钟与其他原子频标相比，在稳定度具有最佳的性能，氢钟由于其在稳定度方面的 优势被广泛研究和应用。氢原子钟仅在长期稳定性方面比铯钟差，而长期稳定性通过加 入了腔协调之后有效的进行了改善，加入腔协调的商品氢钟在长期稳定性方面优于铯 钟。被动型氢钟的产生基于应用中对频标小型化的要求，传统的主动型氢钟在准确性和 稳定性都高于被动机理的小氢钟，但是其安装使用不便，且成本较高，由于其质量和体 积的限制，无法将其优秀的性能应用到受空间和质量限制的场所，一个典型的场所就是 飞行物上，被动型氢钟性能上的优势和体积方面的小型化已经成为了研究的重点。 近年来，我国加强了空间探测技术的开发研制，对于空间各项技术的要求逐渐迫切， 因此加大了空间许多项目的研制规模。而且在空间技术方面我国坚持独立自主研发，国 外许多技术的引进受到了限制，在此背景下，星载氢原子钟的开发就迫在眉睫，其开发 成功直接促使空间许多项目的最终实现。 1 2 原子频标发展现状 目前，最为成熟最为实用的传统原子频标仍为铯、氢、铷三种。2 0 世纪8 0 年代以 来，美国、加拿大、德国、日本、法国、意大利、俄罗斯以及中国在传统时频基准的研 究和改进方面取得了很大成绩。尤其是德国的技术物理研究院( p ，i i b ) 、加拿大国家研究 院( n r c ) 和美国国家标准技术研究院( n i s t ) 的铯基准准确度最高，达2 1 0 _ 4 8 1 0 1 4 ， 稳定度也在l 1 0 。1 4 以上口3 。目前常用商品型原子频标的主要性能特征如表1 1 所示。 表1 1 实用频率标准特征 种类 商品铯钟商品氢钟商品铷钟 劳荭 标准型优质型主动型被动型普通型极小型 频 l s5 x lo - 5 1o - 1 23 lo 1 31 1 0 1 2l lo - 1 1l lo - 裒 l h4 x lo - 1 3l 1 0 。1 31 lo - h3 1 0 。1 42 lo 1 32 lo - 1 2 稳 l d7 l o h4 lo 1 45 1o - 1 5l 1 0 。h3 l0 1 2l lo - 1 2 定 度 1 0 d6 10 _ 1 44 lo 0 42 1o 1 53 lo 53x lo 1 23 x 1 0 1 2 频率准确性 3 1o 1 21 5 1o - 23 l o 。55 lo 1 3l 1o l 1 0 1 1 频率再现性 5 1o - 1 j5 x lo - 1 33 lo 。4l 1o 25 lo 5 10 - 频率漂移性 1 1o - 1 d1 lo _ 1 5 ，d1 lo - 1 5 dl lo - 5 d1 lo 1 m o n 1 lo 1 1 m o n 商品小铯钟是国际上广泛实用的原子频标。1 9 9 1 年1 2 月3 1 日h p 公司宣布：“世界 上最精密的守时装置h p 5 0 7 1 铯原子钟从市场上可以买到，它的守时精度在1 6 0 万年 内为1 秒 。它采用铯i i 技术，因而改进了原子钟的精度和稳定性。它在多种环境条件 下均可正常工作，并采用微处理器控制铯管的微波功率、铯温、磁场、电子倍增管的电 压和增益，使其工作在最佳水平上。平均每十年才出现一次故障阳1 。 铷原子频标也是一种传统的实用型原子频标，尽管其性能相对较差，但因这类频标 有体积小、价格低、预热快、功耗低等特点，应用最为广泛。其准确度1 1 0 。1 ，稳定 度l o 。1 2 量级。这种频标的改进方向主要在于扩大其对恶劣环境的适应性和提高其可靠性 和寿命。但是其体积在1 0 c m 见方的铷振荡器的产品已不稀罕。 目i ； ，氢脉泽频标仍是传统原子频标中稳定度最高的标准，稳定度达1 0 。5 天的量 2 蔓! 童堡望堕塞笪垦 级，准确度为3 l o - 1 3 5 l o 。1 3 。自从腔自动调谐技术引入氢频后，使氢频标漂移大大 改善，近年来主动型氢频标的主要努力方向在于研制成既保持高性能而又方便实用的小 型化装置憎1 。 电磁囚禁技术的出现以及激光冷却、囚禁技术、激光抽运一荧光探测等技术的应用， 对原子频标技术的发展产生了重要的影响。近来产生了其准确度能力可与当代最准确的 铯基准相竞争的新装置，如离子阱频标、喷泉型频标等口引。 在传统的原子频标方面，美国a 西1 e i l t 公司( 原h p ) 公司的小铯钟在国际上独领风 骚，无人与之匹敌，瑞士的o s c i l l i q u a n z 公司的小铯钟也引起了人们的关注。美国的 d u 嘶公司生产的氢原子钟在国际上产生很大影响，目前，国际市场上能与之匹敌的是 俄罗斯的迎m y ：a c h 和k v a r z 公司以及俄罗斯和英国合资的公司q u a 比l o c k ，他们 的氢钟采用流水线生产，已有几百台销往国内外。瑞士的t n t 公司和俄罗斯合作正在 研制星载小型氢钟，其质量约1 6 公斤【1 1 】。由于其技术在国外已经成熟并商品化，因此 国外开始转向新型频标的应用研究。 我国上海天文台已有成品主动型氢钟出售，为军工和国家重点科研试验项目提供频 率源。对于星载被动型氢原子钟，国外已有成品被动型氢钟出售，由于技术保密，我国 根据应用需求，在上个世纪武汉物理研究所的初步研究成果的基础上，目前正在积极开 展被动型小型氢钟的研制，主要有北京的2 0 3 所和上海天文台，他们都取得了初步的研 究成果。 影响原子频标的性能有很多方面，在氢原子钟中，晶振的频率需要锁定到原子跃迁 频率上，而晶振的频率作为原子钟的频率输出，因此晶振控制端的性能无疑将起着重要 的作用，其控制电压的精度和干扰将直接作用于晶振而影响氢钟的频率特性。伺服控制 部分实现的功能就是根据频率偏差校正控制电压，提高晶振的长期稳定度。伺服部分可 以分为模拟和数字两种实现方法，早先的锁频控制部分都采用模拟电路，电路简单，但 是控制过程中受到了诸多的限制。目前国外有采用数字伺服的控制电路，其在抗干扰方 面和控制速度，控制算法方面都有了大大的改善，使得故障率大为降低，因此数字化是 原子频标伺服控制部分的一个发展方向。数字部分更改方便，可以在算法方面使得控制 过程频率残差进一步减少，提高最终的输出精度。 频率准确度是指频标的输出信号频率与其标称频率的吻合程度，而标称频率是以国 际上规定的铯原子基态零场超精细跃迁频率为标准给出的频率。频率稳定度指在取样测 量时间内输出信号平均频率随时间的变化量。它们是评价频率标准性能的两个重要参 数。 1 3 被动型氢原子钟系统概况 被动型氢原子钟的产生基于氢钟小型化的要求，与主动性氢钟相比，大大减少了谐 振腔的体积和重量。被动型氢钟是一种非自激型原子振荡器，由于腔的有载品质因素比 较低，氢原子不能完全靠自己振荡，需要外界的激励信号即微波激射信号。微波激射信 号的频率与氢原子基态超精细分裂中的两个能级间的跃迁频率非常接近，此时的脉泽振 荡器相当于一个窄带微波放大器n 引。 被动型氢钟结构上主要分为物理部分和电路部分。物理部分主要完成氢原子电离， 壅堕丕堂堡主堂垡丝塞 选态，受激辐射，体现为谐振腔部分。谐振腔的腔体是氢原子跃迁频率的受激辐射场， 其设计必须使得辐射频率能够产生较大的增益，即高q 值和较高的稳定性n 1 ，它根本上 决定了氢原子钟的频率输出特性。早期的控制电路仅有单个晶振环路，系统的长期稳定 度由于谐振腔物理性能的变化而变差，为了克服这个缺点，目前控制电路中有两个锁频 环路：晶振环路与腔体环路。量子系统中氢原子跃迁频率用以控制晶振的频率，而为了 消除量子系统内微波腔谐振频率变化产生的牵引效应，还需要用晶振频率来控制微波腔 频率1 引。 被动型氢钟有不同的方法得到误差信号，一种是调制频率分别为谱线的半线宽，得 到最大的鉴频斜率，称为慢速调制，慢速调制有两个探测信号得到晶振误差和谐振腔误 差信号，美国国家标准技术研究院( n i s t ) 研制的被动型小氢钟采用此方法。另一种是 调制频率大于原子谱线的半线宽，小于微波腔的半线宽，利用共振色散得到晶振误差和 谐振腔误差信号，称为快速调制，俄罗斯k v a r z 公司的小氢钟采用此方法。这两种方法 物理部分都是起到鉴频的作用n3 i 。 被动型氢钟利用氢原子的能级跃迁谱线对激励信号进行鉴频，经过锁频环路将压控 晶体振荡器的频率锁定在谱线中心频率上，课题所研究的被动型氢钟控制系统主要是指 锁频环路。锁频环路如图卜1 所示。 图卜1 锁频环路不意图 按照锁频原理，设原子跃迁频率为输入频率，晶振频率为输出频率，则系统的传递 函数为： 耶) 2 丢羔 ( 1 1 ) 式中 七综合器的传递函数； g o ( s ) 锁频环路的开环传递函数； 则对应的锁频环路中控制系统误差传递函数为： 皿2 吉志 ( 1 2 ) 根据终值定理有： ( o 。) = l i 骤啦( s ) ( 1 3 ) 由上式可知锁频环路存在着系统残差，提高开环系统的阶数可以使得固定的频率残 差变成零成为无差系统，提高锁频环路的准确度，因此控制系统中应当添加积分功能， 提高系统的阶数。理想的积分器在零输入的时候应当有零输出，但是在实际情况下，模 4 笙! 至堡望婴壅笪墨 拟积分器会有电流偏差和电压偏差。在积分器的使用当中，零漂以及温度变化引起的漂 移是造成频偏的主要因素。为了减少积分器的影响，可以采用数字电路代替模拟电路的 方法，因此数字伺服控制在锁频环路具有广泛的应用n 引。 最终输出的频率进行长、短周期评估时通常采用的是与更高精度的频率源比对得到 频率数据进行a 1 1 a n 方差评估。a 1 1 a n 方差也称阿伦方程，是时域内描述频率稳定度广 泛采用的方法，其定义为 仃；( 矗) 全( 蛀呼丝1 ) ( 1 4 ) z 式中 一1k y 置= il y ( f ) 班o o ( ) 表示取期望值，即在无限长的时间内去平均。但实际上，只能在有限的时间内， 或进行有限次的测量来取平均，从而得到其估值。 1 4 研究目标与主要工作 论文工作主要实现的目标： 1 、实现锁频环路的闭环 被动型氢钟锁频坏路所检测到的误差必须通过某种方式作用到被动对象上，使得被 动对象在一定程度上反应目前频差的变化。实现闭环指的是根据传递的误差信号方式和 控制方式设计系统的总体构成。 2 、实现不同速率模拟量的采集计算 环路中，能够准确反应频率偏差的物理量为误差电压，这是控制部分给出控制量的 基础，检测误差的精度也决定了检测到频率偏差的精度，误差采集需要兼容快速调制和 慢速调制在速度上的不同以及所带来的采集方式的变化。 3 、高精度晶振控制电压输出 最终频率输出的精密度决定了控制电压的精度，越高的频率短期稳定度需要越精密 的电压输出控制精度，由于采用数字控制的方式，数模转换器件及后续输出电路需要较 高的要求，如何设计达到要求的精度是本课题的一个研究重点。 4 、控制算法设计 为使得系统能够独立的工作，考虑锁频环路的控制目标的阶段性和特殊性，设计完 整的锁频控制算法，构成完整的控制系统，最终实现高精度的频率输出，达到原子频标 的要求。 本课题作为被动型氢钟不可缺少的一部分，其输出直接决定了控制对象晶振的输出 频率，其性能指标和被动型氢钟的最终指标息息相关。总课题被动型氢原子钟的最终目 标是实现稳定度达到1 0 1 4 以内，而此课题是实现精密控制和长期稳定控制，在较长的时 间内保持较小的频率残差，从而使得频率评估数据达到总系统的要求。 本课题在分析了被动型氢钟工作原理的基础上，根据最终的控制目标分析了系统实 现的可行性，实现整个系统的数字化控制部分，使系统实现闭环。本文详细介绍了符合 壅堕丕堂堡主堂垡丝塞 系统性能的硬件设计和软件设计，并在测试的过程中改进算法，最终控制系统锁频性能 良好，提高了输出晶振的稳定度。主要在以下方面做了详细论述： 1 、在系统需求的前提下，分析系统的可实现性，设计了系统的总体结构框架和功 能，为系统选择了核心的控制器和软硬件分工。以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，外围扩展电源， 通信接口，j t a g 仿真，状态显示等电路。 2 、根据控制要求设计双路输出控制电压的范围和精度，根据前向误差采集的需求 设计误差采集部分实现高速高精度误差信号采集。满足输入输出的基础上选择合理的数 字控制电路并完成电路从原理到实际应用的转变。 3 、在设计的电路硬件基础上，开发设备驱动程序，根据环路控制特点设计控制流 程，实现高效的控制算法，发挥数字控制电路高速锁定和抗干扰性强的特点，最终对系 统进行测试。 6 第2 章锁频控制系统研究与硬件设计 第2 章锁频控制系统研究与硬件设计 本章从系统全局上分析了系统基本原理及指标要求和硬件可行性，在此基础上绘制 了硬件原理图，并完成硬件功能设计，性能指标分析，原件参数选择以及制作实现。因 为控制部分的数字化使得控制信号直接来源于控制电路板，其性能直接决定了氢原子钟 频率稳定性能，在整个系统中占据重要位置。 2 1 被动型氢原子频标基本原理 被动型小氢钟的原理框图如图2 一l 所示。 图2 1 被动型氢钟环路原理示意图 被动型氢钟的主要控制对象为压控晶振或超稳晶振，其产生的频率经倍频后和谐振 腔中的氢原子跃迁频率比较，接收功率输出信号，检测出频率偏差，通过偏差来控制晶 振使频偏趋于零从而使得晶振输出频率跟随原子跃迁频率，达到超高准确性和稳定性的 频率输出。图中实线所示为晶振控制环路，系统中增加了腔自动协调控制环路( 虚线所 示) ，避免了各种因素对谐振腔的谐振频率的影响，从而提高输出频率的性能。电路部 分将10 m h z 的v x c o 通过锁频环路锁定在原子跃迁频率上。 氢原子基态具有f = 1 和，= o 两个超精细结构能级。在磁场中，= 1 能级又分裂 成，l p = l ，0 ，一1 三个磁子能级。氢原子激射器利用了，= 1 ，m p = o 和f = o ，聊p = 0 这 一对超精细结构能级之间的跃迁，其频率约为1 4 2 0 4 0 5 7 5 1 m h z 。氢激射器持续地为谐 振腔提供f = 1 ，m ，= o 状态的粒子，工作原理如图2 2 所示。 选态磁铁谐振腔 图2 2 氢激射器一r 作原理示意图 氢原子从源出来，形成原子束，通过选态磁场把上能级( ，= l ，m ，= o ) 原子聚焦到 7 銮堕盔堂堡主堂垡鲨塞 贮存泡口内。由于被动型谐振腔的q 值相对主动型谐振腔较小，无法在磁场下产生受激 辐射。其在贮存泡中延长生命周期等待探测信号的注入，相近频率的探测信号产生受激 辐射，向外部输出功率信号。 当探测信号注入时，谐振腔会有功率信号输出，输出功率与注入探测信号的频率关 系口4 1 如图2 3 所示。 腔激励 蓑霆垂内簇霆垂 腔激励 线激励线激励 图2 3 脉泽和微波腔的扫描曲线 其输出功率信号和探测信号关系可简单说明如下：当探测信号的频率与原子谱线 ( 对于腔则是晶振频率) 的频率越接近，产生的幅度响应的值越大。其中磊为氢原子跃 迁频率即原子谱线。 电路部分所要做的工作就是把晶振频率按照一定的对应关系锁定到氢跃迁谱线频 率上，微波腔的频率按照一定的关系锁定到晶振频率上。根据晶振和谐振腔注入频率和 输出激励之间的对应关系，频率比对和误差检测原理如图2 4 所示。 f e = l l。 1 7 r ： _ ， 图2 4 频率偏筹检测原理图 8 e ” o 墨! 兰丝塑丝型至竺堡塑皇堡堡垒生 一一 图中的实线为谐振腔注入频率和输出功率曲线图。其中厂为待测试频率，e 为输出 功率的误差向量。图中的注入的左右偏频，和工满足2 五= ，+ 工且v = 石一，通过实 验的方法选择。由图中可以看出当待测试频率厂与原子跃迁频率厶相同时，所得误差为 零；频率落在五两侧将使得误差e 方向相反；频率厂距离厶越近，产生的误差e 的 绝对值越小。误差信号以向量的形式反应待测频率和标准频率的关系。 以上的频率检测功能由物理部分完成，称为量子鉴频器，其传递函数为： 圪= e ( 1 ，一) ( 2 1 ) 式中 原子谱线的跃迁频率( h z ) ； 1 ，探测频率( h z ) ； ，：与鉴频器相关的传递系数( v h z ) ； 圪鉴频输出电压( v ) ； 谐振腔前端和后端的信号处理部分如图2 5 所示。 图2 5 晶振输出频率至注入微波腔的信号处理流程图 微波腔的输入和输出部分如上图所示，晶振的频率在l o m h z 或者5 删z 附近，倍频 的作用是将晶振的频率倍频到原子谐振频率，从而构成探测信号。微波腔输出的信号经 下混频实现频率相减得到中频信号，其中固定频率段的信号经检波和分离分别得到晶振 误差信号和谐振腔的误差信号。连接误差信号和给出控制信号部分的是控制系统，它直 接控制晶振和谐振腔，作为锁频系统的关键部分影响被动型氢钟的实现。 2 2 控制系统及指标分析 控制系统根据采集到的误差信号给出晶振和谐振腔的控制电压。系统输入需要包含 误差采集部分，由于采用的数字化控制方案，因此误差采集的方式主要是指数字化即误 差信号a d 转化。系统需要两路模拟电压控制输出，分别用于晶振控制和谐振腔控制。 作为控制对象的晶振需要带压控端口利于电压控制，可以采用恒温晶体振荡器和温 度补偿的晶体振荡器，晶振性能方面要求其短期稳定性较好，频率温度稳定度由于很多 恒温晶振的温度调节作用对晶振的影响有所降低，另外晶振必须保证一定的频率压控范 围和线性度，晶振的输出应当满足原子钟输出频率的准确度要求。 课题中晶振的相对准确度要求为1 0 - 1 2 的量级，采用的是海瑞达电子有限公司的 o 奎堕丕堂堡主堂垡堡塞 0 c x 0 8 7 8 8 8 7 8 9 型号超稳晶振，它具有极低的相位噪声，需要恒温控制条件。这里选择 的是输出频率为1 0 删z 的类型，其对应的电压频率控制大于o 8 即m ( o 1 0 加) ，对应 的电压频率控制率为 1 姚o 8 牌聊1 0 y = o 8 舷y ( 2 2 ) 对于输出要求精度为1 0 1 2 的晶振来说理论上对应的输出电压精度为 1 0 舰1 0 - 1 2 ( o 8 胁y ) = 1 2 5 1 0 _ 5 y( 2 3 ) 即对于本被控对象晶振来说，为了达到相对准确度为1 0 。1 2 量级的要求对应电压控制 绝对精度需要达到1 2 5 雎v ，晶振对应的满量程控制电压为o 1 0 y ，则需要达到的相对 精度为1 2 5 l o 一。 谐振腔的控制是通过改变加在变容二极管上的电压来改变二极管容值，即改变谐振 回路参数来改变谐振频率的。谐振腔控制的目的是为了减少谐振腔谐振频率的漂移产生 的对原子跃迁频率的牵引作用。谐振腔牵引主要影响氢原子钟的长期稳定度n 町。由于谐 振腔部分的控制比例与氢原子系统的物理部分设计相关，这里仅给出大致控制电压精度 要求，其限定在1 0 m v 以内n 引。对于o 1 0 y 的电压控制范围，其相对精度为l 1 0 - 3 。 控制部分数字模拟的变换中需要按照相对精度给出基准电压源，其中对稳定性的要 求也应当考虑在内。控制过程中，系统构成一个闭环，控制器不断的检测误差并且纠正 误差从而克服整个环路的漂移，达到环路稳定。受到控制速度和噪声等的限制，环路的 漂移需要在一定的范围之内，有环路中各个部分的漂移叠加而成，理想情况下仅包括晶 振的漂移，基准的漂移应当占据尽可能小的成份。基准的漂移处于需要克服的漂移范畴 之内，理论上依靠控制作用得以克服，但会对系统的响应造成震荡，谐振腔与此类似。 误差采集有多种制约因素，首先考虑速度因素。对于慢速调制，误差是分时调制的 直流信号，根据采样信号进行采样即可，慢速调制一般在1 h z 左右，则误差采集的速度 为上百赫兹就可以满足多次采样要求。快速调制的误差信号是1 2 5 k h z 的类正弦波，信 号采集需要完成数字积分，则每个周期的采样点数需要有一个下界，根据采样定理n 嗣， 最低采样率为2 5 k h z ，这里考虑每个周期采样4 0 个点来完成信号的数字积分，采样率将 达到5 0 0 l ( h z 。数字积分用来等效模拟积分，用幅度为a 的正弦波的正半周期积分作为例 子比较其性能与模拟积分的差别。模拟积分值和数字积分值如下所示： p s i n f 出= 2 彳 ( 2 4 ) 0 一l 1 一， 一 y 兰竺么s i n 后兰竺：毛彳 ( 2 5 ) 篇2 2 式中 2 n 一个周期的采样点数； 毛简化后的系数； 毛的值接近2 的程度说明了数字积分和模拟积分的接近程度。当选取4 0 个点左右的 采样点数时其对应的厩的值为1 9 9 5 8 9 ，精度达到o 2 。2 0 个点的时候达到了0 8 均 小于1 ，因此采样点数大于2 0 就有很好的近似度。 考虑误差采集精度要求，最小分辨率和误差范围是一对矛盾的物理量，必须权衡取 1 0 第2 苹锁频控制系统研究与硬件设计 得最优值。由于误差采集传送环路较长，为了减少传送过程中带来的干扰，误差检测的 模数转换，最小数字量对应的模拟信号应尽可能的大，误差采集最小精度最小低至百微 伏量级可满足要求。误差前端由于采用了运算放大器，其偏置和放大倍数可调，误差信 号的电压范围的可变性增强，但是误差范围和误差的最小分辨率比例必须满足相对精度 要求。 分析中近似认为系统环路呈线性，误差的相对精度和控制量的相对精度成比例，以 控制量的相对精度估算误差的相对精度。以晶振来考虑，虽然扫描晶振的电压范围较大， 但是出现明显晶振误差的电压范围却比较窄，经验数据显示出现晶振的误差时的控制电 压范围是二十毫伏左右。这里将此范围扩大五倍来估算误差的相对精度。取1 0 0 m v 的控 制量，控制量的精度为1 0 “v ，则按照线性的关系，误差的相对精度和此时控制量相对精 度相同，为l 1 0 - 4 。则误差采集对于1 0 0 的检测步长，满足相对精度的误差电压范围 为1 v 。由于涉及多个误差的提取，还需要一些与误差信号同步的信号来标识误差信号。 由简单的性能分析可知，晶振控制输出端的相对精度达到了1 2 5 1 0 _ 6 ，精密度达到 1 2 5 v ，其中精密度在数十微伏的量级，具有一定的实现难度，电压需要有较大的范围， 跨度实现上也存在困难。误差信号采集需要保证高精度的条件下，实现高速数据采集， 这些都对硬件设计提出了一些挑战。 2 3 硬件方案设计及器件选择 按照系统的功能需求，首先设计整个系统的功能框架，将整个系统分为图2 6 所示 的功能模块，除了所需的误差信号与同步信号，控制输出信号与模拟基准源之外，还需 要配合处理器的在线或离线仿真工具与控制系统功能分析的上位机通信模块。其中的难 点主要在模拟误差信号采集与同步信号配合检测误差、高精度控制端输出电压以及各个 功能模块的配合。 图2 6 系统模块不意图 系统框图完整的阐述了控制系统中信号流向及相互间的关系，处理器作为核心器件 从误差信号采集模块得到需要的误差信号，并根据同步信号检测出独立的误差。然后分 别控制晶振和谐振腔实现纠偏，数据之间的关系通过控制算法联系，并在处理器中编码 实现。程序仿真提供从主机向处理器的程序下载，上位机通信完成上位机和处理器间的 数据交互。 奎堕丕堂堡主堂丝丝塞 2 3 1 晶振控制模块 晶振控制模块因为其控制对象的重要性在整个系统中起着重要作用，同时由于其性 能要求较高使得设计复杂。根据上一节的结论我们知道晶振的控制范围o 1 0 y ，相对 精度1 2 5 1 0 _ 6 。对应的模数转换器件的位数n 为： = 1 。g ：函杀= 2 0 ( 2 6 ) 如果考虑d a 转化器件的线性漂移，最低比特位的不确定性，则需要2 0 位以上的模 数转换器件，而高于2 0 位的数模转化器件目前还不存在，这是本模块的设计难点所在。 高于2 0 位的数模转换器件需要非常精密的模拟电压分度值，精密的模拟电压可以通过 高精密的衰减器件得到n7 1 ，为了满足数模转化的位数，仍需要有较大的模数转换电压范 围。这里设计的方案是选择大小量程两个模数转换器件的叠加来实现晶振控制模块，取 二者的并集作为输出的范围，则在理论上可以满足模数器件的转换位数要求，其中较为 精密的数模转换器件通过衰减器件得到。由此带来的问题是大范围的模数转换噪声抑制 以及两个范围模数转换器件的无扰合并过程。小量程用来提供晶振控制模块的精密度， 应当选择绝对精度最为接近的数模转换器件，使衰减比例不致过大，从而减小衰减带来 的噪声干扰，大量程必须不影响小量程的精密度。 查询常见的数模转换集成芯片，满足2 0 位的数模转换芯片有t i 公司的d a c l 2 2 0 。 这是一款一原理n8 | ，功耗极低，电压输出d a 转换器件。它片上的校准电路可以显著 的减少偏置和增益误差。 d a c l 2 2 0 采用同步二线串行接口，满量程输出o 5 y ，模拟数字分开供电且都为5 v ， 同时需要一个外部的2 5 v 的电压基准，外部高质量的滤波电容。其结构如图2 7 所示。 c ， v m 岛 cs洲k d g n d 图2 7d a c l 2 2 0 结构框图 考虑此款芯片的控制速度，d a c l 2 2 0 的系统时钟要求在2 5 删z ，串口最大传送速度 在2 5 0 i ( h z 。根据数据传送特点，对于2 0 位的数据传送，需要传送2 4 位的数据位和8 位的指令控制位再加上指令数据间的时间间隔，最高的传送数据速度为7 k h z 。然而2 0 位的全范围响应达到o 0 0 3 的稳态误差时的建立时间为1 5 m s ，因此其最快的数据传送 速度最好不低于建立时间对应的频率1 0 0 h z 。对于晶振，控制速度要求在1 h z 以上，其 控制速度可以满足要求。但是此芯片对于这样的控制速度甚至稍高于此的控制速度，其 输出电压的范围必须减小才能有较快的建立时间，避免输出引起较大波动。 1 2 第2 章锁频控制系统研究与硬件设计 d a c l 2 2 0 的电压噪声一频率关系如图2 8 所示。 01 0 01 k1 0 k1 0 0 k1 m 频率f h z ) 图2 8d a c l 2 2 0 输出噪声与频率关系图 由此图可以计算出输出频率和输出噪声的关系。对于1 0 h z ，1 0 0 h z 和1 kh z 的输出 频率其噪声水平分别为： 1 4 七珂矿勉1 0 勉= 4 4 “y ( 2 7 ) 7 0 0 刀矿勉1 0 0 舷= 7 肛矿 ( 2 8 ) 1 4 七疗y 舷1 0 0 0 舷= 4 4 u 矿( 2 9 ) 应用中需要的最小绝对输出精度为4 8 州左右，仅当输出频率低于1 0 h z 时，其有 效的输出精度才能接近2 0 位，频率加快，其输出精度将受到较大的噪声干扰而减少， 通过分析认为，d a c l 2 2 0 的输出稳定精度只能在输出频率低于1 0 h z 的情况下精度接近 4 8 p v 。 d a c l 2 2 0 的数码非线性误差曲线如图2 9 所示。 - 4 k c ，+ 、 。 一，+ 2 5 c c 、 ，一麓才，、 ， ， ，一 心lr 多 & 如 9 l 少 u 1 佻础础4 u l 姒黜，傩 输出数字量 图2 9d a c l 2 2 0 输出线性误差示意图 由图可以看出在中点数码输出区间，其线性误差比较大，达到了l o 个单位的最小精 度。似乎这样的非线性误差将是很致命的，然而线性误差曲线是连续变化的，没有出现 跳变的现象。晶振控制过程中，控制晶振的输出是在一个较小的范围内不断调节的，理 论上锁定后的范围占总范围的千分之一以下，甚至理论上达到几个l s b 的调节范围。因 此这里更关心的不是输出控制量的具体数值应对应多大的电压，而是相邻数码之间对应 的模拟电压增量偏差大小，或者模拟电压增量和理论计算的增量值的偏差大小，偏差是 谯 徭 ， 禽z7，u)救彗 o 8 6 4 2 o 2 奎堕丕堂堡主堂笪迨塞 比较小的为1 0 4 0 七，仅为0 0 2 5 ，这对于连续控制的影响几乎没有。 其他几个关键参数有：输出电流o 5 m a ；零点漂移1 p p m ；输出噪声( o 卜l o h z ) 1 “v 瞻；使用时的输出电流必须小于允许输出电流值的8 0 ，以免造成功耗较大时热噪声 增大。零点漂移的数据已经达到了5 ，因此对环境温度变化率的要求较高。而输出 噪声的功率值l 可以满足应用要求。 其中d a c l 2 2 0 用于小量程部分的输出，还需要选择一块模数转换芯片完成大步长的 大量程的输出。晶振在稳定控制的时候，仅用小量程来