基于銣原子振蕩器的DDS精密時鐘源設計

鄧 韜，林建輝，張 兵

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

0 引 言

在高速列車監測中，對任何一個子采集節點來說，時鐘同步是一個非常關鍵的組成部分。在計算機網絡中，由于時鐘間存在偏移，所以網絡中各個節點的觀察時間和時間的持續間隔存在差別。時間同步的目的就是對各個節點的本地時鐘提供一個統一的時間標尺。在無線傳感器網絡中，各節點都有自己的時鐘，在需要事件時間的時候，就要求這些節點的時鐘必須一致。在無線傳感器網絡的很多應用中，用戶向無線傳感器網絡咨詢或無線傳感器網絡向外部網絡報告都需要說明事件發生的時間。

從整個高鐵數據采集來看，高速輪軌關系、弓網關系、空氣動力學、車體結構涉及到的振動加速度、位移、噪聲、空氣壓力等一系列測試數據不能進行簡單的獨立分析，對它們進行廣義上的數據融合是必然趨勢。各測試系統間精確的時鐘同步對基準時鐘提出了很高的要求，這也是海量數據發掘的重要前提。

進行一次完整的在線實車試驗需要耗費大量的人力、物力、財力，組織一次試驗很不容易[1]。由于涉及到眾多參試單位的的協調，特別是列車的調度等問題，頻繁的同步顯然不可能。這些問題在京津線、武廣線、鄭西線多次的高鐵客專試驗中都有所體現。原子振蕩器頻率基準的引入可以在一次同步后相當長的時間內保持各部時間的準確性和一致性。

1 時鐘源硬件組成

系統由AD9851、FE-5680A銣原子振蕩器、上位機、MCU、LPF電路5部分組成，如圖1所示。

系統工作原理：計算機將所需波形的配置數據通過232接口發送至單片機，單片機將這些配置數據對應地發送給AD9851，AD9851會根據接收到的配置數據產生相應頻率和相位的波形，最后經由LPF電路輸出。AD9851的頻率基準由銣原子振蕩器提供。

圖1 時鐘源硬件組成系統框圖

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芯片都需要一個外部時鐘振蕩器作為參考，這個振蕩器的頻率越高，理論上DDS合成后的輸出頻率也可以越高，但是過高的外部頻率源可能產生的相位噪聲也會很大。由于在AD9851芯片中內部集成了一個6倍的參考時鐘乘法器，當系統時鐘為180MHz時，在參考時鐘輸入端只需輸入30MHz的參考時鐘即可，降低了對外部參考的要求。

AD9851結構圖如圖2所示。芯片內部一共有5個輸入寄存器，儲存來自外部數據總線的32位頻率控制字、5位相位控制字、1位6倍參考時鐘倍乘器使能控制、1位電源休眠功能控制和1位邏輯0。寄存器可以采用并行或串行方式來接收這些數據。并行方式由5組8位控制字反復送入，前8位控制由輸出相位、6倍參考時鐘倍頻器、電源休眠和輸入方式組成，其余各位構成32位頻率控制字。串行輸入是以一個40位的串行數據流經過一個并行輸入總線輸入。

寄存器加載完畢后就可產生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制且穩定性很好的正弦模擬信號，這個正弦波能夠直接作為基準信號源，或通過其內部高速比較器轉換成標準方波輸出，作為靈敏時鐘發生器來使用。AD9851輸出的方波還可以通過相應的功能處理、電路處理后得到頻率連續可調的三角波、鋸齒波、斜波、脈沖等信號。

圖2 AD9851結構框圖

DDS系統的相關參數可以通過式（1）～式（4）計算[3]。假設相位累加器的位數為n，相位控制字的值為fn，頻率控制字的位數為m，頻率控制字的值為fm，系統外部參考時鐘頻率為30 MHz，經過內部6倍參考時鐘倍乘器后，可得到AD9851內部工作時鐘fc為180MHz，最終合成信號的頻率為

合成信號的相位為

DDS輸出的最小分辨率為

最高合成頻率受奈奎斯特抽樣定理限制為

1.2 FE-5680A銣原子振蕩器

FE-5650A銣原子振蕩器是美國FEI公司生產的高性能銣原子振蕩器[4]，具有穩定度高、體積小、質量輕等特點，一般用于GPS馴服鐘。振蕩器的基本原理就是一個光抽運過程。位于前室真空管中的銣原子首先會被高頻電場加熱至等離子態，使銣金屬離子處于一個合適的能量狀態從而發射足夠的光子。后室主體是一個充滿銣原子蒸氣的石英管，同時集成了原子光譜濾鏡、微波頻率注入和光電池信號檢出部分，里面被隔離成了2個小室，分別填充了Rb-85與Rb-87。在吸收了前室發出的光子后，某些能級上的電子受選擇定則限制受激后不能躍遷，而其他基態仍然可以共振躍遷，最終將使電子在這個能級的數目過多而達到富集。然后通過一個強烈的微波場，微波能量的頻率在一個很窄的頻率范圍內震蕩，以使得在每一個循環中一些頻率點可以達到6.83GHz。精確的晶體振蕩器所產生的微波的頻率范圍已經接近于這一精確頻率。當一個銣原子外圍對應能級的電子接收到正確頻率的微波能量時，能量狀態將會發生相應改變。上述過程將多次重復進行，而每一次微波腔中的頻率都不相同。由此可以得到一個確定頻率的微波，使大部分銣原子的能量狀態發生相應改變。這個頻率就是銣原子的天然共振頻率，或確定秒長的頻率，經調理電路輸出后作為AD9851的參考源。

2 硬件電路設計

2.1 DDS主體電路

AD9851的外圍器件硬件連接原理圖如圖3所示。AD9851的正弦信號輸出Iout接到外部低通濾波器[5]（圖4），濾掉過多的諧波分量抑制高頻雜散[6]，然后輸出正弦信號，此時輸出可直接用作頻率源，本設計作為時鐘源的話還需要把輸出再回接到AD9851內部比較器的正向（VINP）以得到一個抖動很小的方波信號，此時的輸出就是標準的時鐘源。

MCU選用ATmega8，由于AD9851串口與AT－mega8的串行方式可以直接兼容，且連接簡單，設計中DDS與MCU之間采用串行接口方式連接（圖3中 J1口，MCU 未給出）。串行模式是由 D0、D1、D2上電平決定的，此時D0=D1=1，D2=0；

2.2 布線和電源設計

DDS電路是一個模擬數字混合電路，工作頻率較高，對布線方式、地線和電源的處理尤為重要。

在醫院藥房工作的所有工作人員都需要擁有自己的編碼和登錄密碼，在輸入自己的編碼和密碼之后才能夠進入到藥房的管理系統當中，進行各項操作[4]。每一次登錄和操作，系統都要準確的記錄工作人員對于哪一種藥物采取的哪一種操作形式，才能夠完善醫院的藥品質量管理工作。

為了提高整體電路的信噪比，線路板布線采取了如下措施[7]：（1）增大數字地平面，從而增加平面電容；（2）加寬模擬和數字電源平面之間的間隙，以減小間隙耦合；（3）在數字電源平面上設計了一個阻帶超過748MHz（噪聲頻率）的EBG結構，兩地交匯處再用1000pF銀云母電容消振。

由于電路對電源的要求較高，常用的開關電源供電方式存在高頻開關噪聲難以消除的弊端，設計時采用了線性穩壓電源，模擬數字獨立供電[8]。考慮到原子振蕩器啟動電流較大，穩壓芯片采用了linear公司推出的LT1085LT1086高性能穩壓芯片，伺服OP為BB的高速運放OPA637，穩壓板采用星形接地以避免地回路的形成。

3 軟件設計

3.1 上位機軟件

為了擴大時鐘源的適應面，輸出頻率理論可以在0～90MHz任意設置，但受到高頻段雜散的影響，實際使用可調頻段為1～45MHz，步進0.04Hz。調試時選擇相應的COM口，勾選打開串口，然后輸入希望輸出的頻率。點擊寫頻后上位機通過232接口把所需波形的配置數據發送至MCU，MCU再將這些配置數據對應地發送給DDS芯片。調試成功后如果需要固化輸出頻率，則必須在寫入前勾選“writ EEPROM”。

圖3 AD9851與外圍器件的硬件連接原理圖

圖4 LPF原理圖

3.2 DDS軟件

軟件流程見圖5。DDS軟件主要分為2部分：（1）AD9851的初始化；（2）把控制字由MCU裝載到AD9851的內部寄存器。

圖5 DDS軟件主流程圖

首先是對AD9851初始化，包括DDS復位和初始化為串行發送。復位后除輸入寄存器以外的寄存器清零，輸出為高阻，RESET端上升沿信號至少保持7 ns。通過更改邏輯控制字，可開啟相位調制模式、低功耗選擇模式和置數模式。當開啟6倍參考時鐘倍乘器，關閉電源休眠功能，相位為0時的邏輯控制字為：D39～D32=00000001。

4 系統調試

圖6 系統調試圖

系統調試圖如圖6所示。調試中，原子振蕩器采用單端15V供電，DDS板和模擬部分采用5V供電。由于銣原子被加熱到等離子態大概需要4min，這一過程中系統鎖定不了頻率，這時振蕩器輸入電流約為1 A，穩壓塊的最大輸出電流為3 A，完全滿足啟動需求。穩定后，系統功耗小于5W。30MHz基準從振蕩器內部PCB板上直接取出，信號線使用鍍銀屏蔽線。屏蔽線全部為輸入端接地，輸出端懸空。穩定后測得正弦波輸出幅度為5～4Vpp，幅度隨著頻率升高而降低，方波輸出幅度為5Vpp。

5 結束語

時鐘源采用了DDS方式并結合銣原子振蕩器作為參考，最終得到的時鐘信號（方波）可以長時間保持很高的準確度和穩定度，為高速列車檢測中各測試系統同步提供了一種可行方案。該系統體積小巧、穩定、可靠，軟件系統界面友好，操作簡單，時鐘現場調試各項指標理想，達到既定要求。

[1]張衛華.機車車輛動態模擬[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[2]Analog Devices Inc.CMOS 180 MHz DDS synthesizer AD9851 datasheet[EB/OL].[2011-02-28].http:www.analog.com.

[3]萬天才.頻率合成器技術發展動態[J].微電子學，2004，34（4）：366-370.

[4]FEI Inc.Rubidium atomic frequency standard FE-5680A series data sheet[EB/OL].[2011-03-05].http:www.fei.com.

[5]劉抒珍，童子權，任麗軍，等.DDS波形合成技術中低通橢圓濾波器的設計[J].哈爾濱理工大學學報，2004，9（5）：22-24.

[6]祝敏，高志輝.DDS信號的雜散及抑制分析[J].電子工程師，2008，34（9）：17-19.

[7]王衛東.高頻電子電路[M].北京:電子工業出版社，2009.

[8]Swaminathan M，Engin A E.芯片及系統的電源完整性建模與設計[M].李玉山，譯.北京：電子工業出版社，2009.