用于冷原子干涉儀激光時序控制的DDS跳頻系統設計與實現

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(浙江工業大學 理學院光學光電子研究中心，杭州 310023)

用于冷原子干涉儀激光時序控制的DDS跳頻系統設計與實現

羅東云，程冰，吳彬，林強

(浙江工業大學理學院光學光電子研究中心，杭州310023)

為了滿足冷原子干涉實驗對時序控制的需求，設計并實現了一個基于LabVIEW軟件的激光時序控制DDS系統，其工作過程為通過設計的LabVIEW上位機軟件輸入需要產生的頻率和頻率間隔時間，ARM芯片根據LabVIEW軟件發送來的控制信息實現對射頻信號芯片的控制，CPLD芯片用來控制射頻信號之間的時間間隔，最后DDS芯片產生與控制信息相對應的射頻信號;與目前同類裝置相比，系統實現了跳頻時間和頻率更加精確和工作穩定性更好;經過系統的調試分析以及性能測試，DDS跳頻系統能夠滿足原子干涉儀激光時序控制需求;通過測試DDS裝置，DDS裝置能夠輸出準確輸出射頻頻率值，并且射頻頻率時間間隔能精確到微秒。DDS裝置可以有效控制冷原子干涉儀的激光時序，在探詢時間為120毫秒且重復率為2.2赫茲的情況下，冷原子重力儀的重力測量靈敏度達到1.0×10-7g/Hz1/2。

冷原子干涉儀；LabVIEW; 激光時序；數字式頻率合成器L

0 引言

自從冷卻激光技術實現并獲得1997年諾貝爾物理學獎以來，這一技術在原子干涉、光頻標、冷原子物理等領域獲得了廣泛的應用。精確控制激光頻率成為這些領域中共同的關鍵技術之一，不但要求頻率調節準確性，而且要求調控時序要達到一定的精度。原子干涉儀工作過程中涉及到比較復雜的激光頻率和功率的調整操作，這些操作必須按照一定的時序運行。原子干涉儀的動作時序有4個階段：冷原子制備、原子團純化、拉曼脈沖作用、探測4個階段。本系統設計的跳頻DDS將提供5個跳頻射頻信號，分別為f0、f1f2、f3 和f4，f0的射頻信號作用為與7 G赫茲信號混頻向原子團提供一個6.834 G赫茲的微波場，f1的射頻信號作用為對原子進行速度選擇，f2、f3 和f4射頻信號分別作用于原子團分束、原子態反轉和原子合束過程。通過控制拉曼激光脈沖的時間及強度，形成π/2-π-π/2激光脈沖序列，在t=0時刻，第一個π/2脈沖將處于基態|agt;的原子團均等地分為|agt;態和|bgt;態，這是原子團分束過程，再將一個π脈沖作用于原子波包上，|agt;態的原子躍遷為|bgt;態的原子，而|bgt;態的原子躍遷為|agt;態，這是原子態反轉過程，第二個π/2脈沖將不同路徑演化的|agt;|bgt;的原子相干的分裂到疊加態，這時這是原子團和束過程[1]。

1 系統設計

原子干涉儀激光時序控制的跳頻DDS系統的結構如圖1所示，它主要由以下四大部分組成，LABVIEW上位機、ARM、CPLD和射頻DDS芯片，LABVIEW上位機與ARM通過USB接口相連，這個而ARM與CPLD之間則通過SPI串行接口相連，CPLD還通過一個I/O輸出口與ARM中斷1相連，用來產生定時中斷，CPLD通過SPI串行接口與DDS芯片相連，用來向DDS芯片傳輸控制的頻率字。

圖1 DDS結構框圖

2 硬件設計

2.1 DDS頻率電路設計

DDS頻率產生是采用芯片AD9954，AD9954采用先進的DDS技術開發的高集成器件。其主要特性如下：內置400 MSPS時鐘；內含14位DAC；相位、幅度可編程；有32位頻率轉換字；可用串行I/O控制；內置超高速模擬比較器；可自行線性和非線性跳頻；內部集成有1024×32位RAM;采用1.8 V電源供電；可4～20倍頻[2]。本系統設計的AD9954工作原理圖如圖2所示，SDIO、SCLK是SPI串口數據輸入輸出口和時鐘線，通過此信號線可以設置輸出射頻信號的相位、幅度，在系統設計當中AD9954工作的頻率為395 M，為了實現395 M 射頻信號，采用MINI CIRCUIT公司的SYN395芯片設計了一款電路板將10 M頻率信號變成395 M參考信號電路[3-4]。

在參考信號的驅動下，對于ARM發送過來的頻率字進行累加，得到相位碼并進行波形存儲器尋址，輸出對應的幅度碼，AD轉換器將幅度碼變成梯形波形，經過低通濾波器后可以得到頻率的連續波形。輸出頻率的計算公式為：

(1)

圖2 AD9954工作原理圖

M為頻率控制字，fc為輸入的參考頻率，N為相位累加器位寬，AD9954芯片的N取值為32，表1為跳頻頻率表。

表1 跳頻頻率表

2.2 CPLD硬件系統設計

本系統采用的CPLD的型號為EPM240T100，屬于ALTERA公司的MAXII系列產品，TQFP封裝, 100個引腳，192個宏單元，240個邏輯單元，80個輸入輸出接口[5]。本系統控制程序語言采用VERILOG HDL，編譯的軟件為QUARTUS II, CPLD的作用為將頻率控制字發送給DDS芯片產生所需要的頻率，LABVIEW將頻率間隔時間通過SPI接口發送給CPLD[6-7]。EPM240T100主要是由Macro Cell互連可編程矩陣單元構成。Macro Cell具有復雜的互連I/O單元結構，用戶可由需要生成固定的電路結構，完成電路邏輯功能。由于CPLD內部采用固定長度的金屬線進行各邏輯塊的互連，所以設計的邏輯電路具有時間可預測性，避免了分段式互連結構時序不完全預測的缺點。它具有開發周期較短、編程靈活、開發軟件多樣、適用范圍較寬、集成度高、對設計者的硬件知識要求低、無需測試標準產品、設計制造成本較低、保密性較好、性價比高等特點，可實現較大規模的電路設計。

3 軟件設計

3.1 ARM程序設計

ARM芯片采用AT91SAM7S64, AT91SAM7S64是Atmel公司32位ARM的RISC處理器，它擁有64 K字節的高速Flash和16 K字節的SRAM，外設接口包括一個USB2.0設備[8-9]。CPU功能上增加數字信號處理指令集提供增強的32位算術運算能力，提高了靈活性和性能。ARM芯片可以通過USB2.0設備獲得LABVIEW傳遞過來的5個跳頻頻率字，并且通過SPI接口傳遞給射頻產生芯片AD9954，并且初始化AD9954的輸出頻率的幅值與相位，圖3為ARM程序框圖[10]。

圖3 ARM程序框圖

ARM還提供多個前沿特性來幫助嵌入CPU的高集成器件的調試，它們是嵌入式邏輯單元和跟蹤核系列。READ/MEMOR架構不支援地址不對齊內存存取正交指令集，減少編碼數所產生的耗費，降低流水線和解碼化的負擔。最先進、單線程性能最高的ARM應用處理器能提升，滿足為內容生產設備的要求，并在相同功耗下實現最高較好的性能計算能力，僅需移動設備的功耗成本即可運行提高了產品可擴展性與可靠度。

3.2 LABVIEW軟件設計

本系統采用的LABVIEW為提供，與其他計算機編程語言相比其特點在于：LABVIEW軟件采用了圖形化編程程序G語言，產生的程序多為框圖的形式，而目前的計算機語言多采用文本語言產生二進制代碼，NI公司設計的平臺的核心為LABVIEW，由于LabVIEW開發環境集成了工程師和科學家快速構建各種應用所需的所有工具，所以控制和測量系統設計的理想選擇[11]。它主要的方便在于存在一個硬件的情況下，非常方便通過改變軟件可以實現不同的儀器儀表的功能，圖形化主要是上層的單片機編程系統(支持32位的嵌入式系統，并且可以擴展的)，由于LabVIEW的模塊化特性，可通過第三方的附加軟件和添加NI和來滿足項目需求。LabVIEW函數及其高級工具可用于開發特定以及特殊應用并將其部署至終端。

裝有LABVIEW的軟件的上位機通過USB接口與DDS系統板相連，VISA的名稱顯示為USB0，表示系統板的ARM芯片處于正常的工作狀況， DDS系統輸出5個跳頻為f0、f1、f2、f3和f4，另外需要設置2個周期時間，第1個時間是第2個頻率到第3個頻率的間隔時間，第2個時間是第3個頻率、第4個頻率、第5個頻率之間的間隔時間，還有一個按鈕為開啟FSK跳、頻模式切換開關，該開關不打開的時候為普通模式，恒定輸出射頻信號f0。通過LABVIEW上位機軟件可以控制DDS的工作模式，以及工作頻率。上位機和信號源通過USB連接，可以實現精確控制?？梢缘玫捷^好的信號指標，如頻率準確度，雜散和諧波。

4 測試結果

4.1 測試平臺

圖5是本小組設計的冷原子干涉儀，為DDS電路的控制對象?？梢愿呔葴y量重力場及重力梯度場數據，可以用于礦產資源勘探地質調查、油氣普查、地球物理、環境監測等領域，應用前景非常廣泛。圖5是設計的DDS跳頻的硬件電路板，產生一個分辨率高，波形良好，輸出頻譜純、轉換速度快的信號。具有調頻、調幅、跳頻等功能。

圖4 冷原子干涉儀 圖5 DDS跳頻電路板

4.2 實驗結果

DDS跳頻電路板輸出的5個跳頻射頻信號如圖6所示。

圖6 原子干涉儀時序控制時序5跳頻頻譜圖

5個射頻信號分別為f0、f1、f2、f3 和f4，其頻率值分別為82.1988 MHz、82.5 MHz、82.7008 MHz、84.3323 MHz 和85.9638 MHz，橫坐標為頻率，單位為兆赫茲,縱坐標為射頻信號的幅值，射頻信號輸出的幅值1 DBm。

當DDS跳頻到f0射頻信號時，將和7 GHz微波信號混頻，混頻后原子躍遷概率圖如圖7所示。

圖7 原子躍遷概率波形圖

5 結論

通過labview的通信能夠實現頻率的輸出，頻率的掃描，以及頻率的跳變。CPLD時鐘進行計數，一定時間產生中斷，ARM中斷程序中發送新的頻率。本實驗頻率的應用范圍70～170 M，通過測試DDS裝置能夠輸出準確輸出射頻頻率值，并且射頻頻率時間間隔能精確到微秒。DDS裝置可以有效控制冷原子干涉儀的激光時序，在探詢時間為120 ms且重復率為2.2 Hz的情況下，冷原子重力儀的重力測量靈敏度達到1.0×10-7g/Hz1/2，1 000 s積分時間，重力測量分辨率為5.0×10-9g。

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DesignandImplementationofDDSFrequencyHoppingSystemforColdAtomicInterferometerLaserTimingControl

Luo Dongyun,Chen Bing,Wu Bin,Lin Qiang

(Center for Optics and Optoelectronics Research, College of Science, Zhengjiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

In order to meet the requirement of timing control in cold atom interference experiments, a laser timing control DDS system based on LabVIEW software is designed and realized. The working process is the frequency and frequency interval of the software input through LabVIEW. According to LabVIEW software to send control information to control the RF signal chip, CPLD chip to control the time interval between the RF signal, the final DDS chip and control information corresponding to the RF signal. Compared with the current similar devices, the system to achieve the frequency hopping time and frequency more accurate and better stability.After debugging and analysis of the system and performance testing, DDS frequency hopping system can meet the atomic interferometer laser timing control needs. By testing the DDS device, the DDS device can output an accurate output RF frequency value, and the RF frequency time interval can be accurate to microseconds. The DDS device can effectively control the laser timing of the cold atom interferometer. When the probing time is 120 ms and the repetition rate is 2.2 Hz, the gravity measurement sensitivity of the cold atomic gravimeter is 1×10-7g/Hz1/2.

cold atomic interferometer; LabVIEW; laser timing; DDS

2017-03-09；

2017-03-31。

973項目(2013CB329501),國家自然科學基金(61475139 )。

羅東云(1979-)，男，博士研究生，副教授，主要從事電路系統和自動控制。

林 強(1964-)，男，博士生導師，教授，國家杰出青年基金獲得者，主要從事量子光學、冷原子物理、激光物理、電磁波和物質波的傳輸方向的研究。

1671-4598(2017)09-0083-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.022

TP273

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