李子金

（上海電機學院 上海市 201306）

1 緒論

1.1 緒論

世界上第一臺磁選態(tài)銫原子鐘于 1955年研制成功，其后經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展。上個世紀七十年代，有人提出了光抽運光檢測的方式來代替磁選態(tài)，以增加原子的利用率和檢測效率，提高Ramsey 譜線的信噪比[1]。

與磁選態(tài)銫束原子鐘相比較而言，光抽運銫束原子鐘將能態(tài)制備和能態(tài)探測從 A、B 磁鐵換成了鎖定在不同躍遷上的激光。與磁選態(tài)銫束原子鐘相比較而言，光抽運銫束原子鐘將能態(tài)制備和能態(tài)探測從 A、B 磁鐵換成了鎖定在不同躍遷上的激光。這樣從制備上看，光抽運原子鐘將所有原子都利用上了，提高了原子的使用效率，這樣有利于提高銫束原子鐘的信噪比，從而提高原子鐘的的短期穩(wěn)定度。而又由于簡化了銫束管的結(jié)構(gòu)，使得微波腔附近的磁場可以非常均勻，消除了不均勻磁場產(chǎn)生的Majorana 躍遷，這有利于提高原子鐘的準確度。從檢測的角度上來看，光抽運原子鐘利用激光和光電探測器探測原子能態(tài)，由于使用了循環(huán)躍遷能級提高了探測效率，減少了背景噪聲的影響，同樣有利于提高原子鐘的信噪比。另外，由于磁選態(tài)銫鐘中存在較大的不均勻磁場，會對譜線造成頻移，影響鐘的準確度。

當然新的機制也會帶來新的考驗。由于光抽運利用了鎖定在躍遷線上的激光器，激光器工作的好壞直接影響到原子鐘的性能的優(yōu)劣。本論文主要介紹了用于移頻的聲光調(diào)制器驅(qū)動電路的設計。

1.2 激光穩(wěn)頻方案

光抽運銫束原子鐘利用一束激光作為抽運光，另外一束激光作為檢測光來獲 得 Ramsey 條紋。

在銫束管的檢測區(qū)，原子束可以認為是準直的。調(diào)節(jié)檢測激光與銫原子束垂直，可在熒光收集器上收集到原子和激光共振發(fā)出的熒光信號，利用光電探測器轉(zhuǎn)換為電壓信號。掃描激光頻率，可以觀察到束譜?？梢灾苯永迷邮鵁晒庾V作為激光頻率參考。由于振子強度的不同[2]，且并非循環(huán)躍遷線，可以看到62S1/2，F(xiàn)=4 →62P3/2，F(xiàn)=4 線的強度很低，而62S1/2，F(xiàn)=4 →62P3/2，F(xiàn)=5循環(huán)躍遷線強度高，信噪比優(yōu)秀。因此用束譜來鎖定探測光（4-5）線是可行的。

利用探測區(qū)的銫原子束譜來鎖定探測光，并利用聲光調(diào)制器將激光頻移 251.4MHz 到銫原子 62S1/2，F(xiàn)=4 →62P3/2，F(xiàn)=4 躍遷線作為抽運光。同時可以通過AOM 的功率和頻率控制電路實現(xiàn)抽運光的功率和頻率調(diào)節(jié)。這樣可以減少一個激光器和其相應的電路，大大簡化了整個穩(wěn)頻光路系統(tǒng)。

圖1：聲光調(diào)制器原理

圖2：DDS 原理框圖

圖3：AD9957 大致原理框圖

圖4：DDS 電路原理框圖

這樣一來，需要一個能夠輸出251.4MHz 正弦波信號用來驅(qū)動聲光調(diào)制器的電路。聲光調(diào)制器驅(qū)動電路的性能將直接影響抽運光的頻率穩(wěn)定度，進而對Ramsey信噪比產(chǎn)生影響。設計一個高穩(wěn)定性、低溫漂，且方便調(diào)節(jié)的AOM 驅(qū)動電路就變得尤為重要。

2 聲光調(diào)制器驅(qū)動電路研制

2.1 聲光調(diào)制器（AOM）和直接數(shù)字頻率合成（DDS）原理

2.1.1 聲光調(diào)制器原理

用于移頻的聲光調(diào)制器（Acousto-optics modulator，AOM）是一種外調(diào)制器件，在實驗中既可以利用聲光調(diào)制器實現(xiàn)激光的移頻，又可以用來調(diào)節(jié)激光的光功率。原理是利用聲光晶體的特性，將微波入射到聲光晶體中，使其密度改變，進而使其折射率改變，形成折射率光柵，激光通過的時候發(fā)生衍射，并導致發(fā)生頻率改變。如圖1所示。

想要得到特定的激光失諧量，只需要輸入相應頻率的射頻信號即可得到。聲光調(diào)制器的驅(qū)動和控制直接影響激光頻率，相位，強度，在激光控制方面有重要的應用。

2.1.2 直接數(shù)字頻率合成原理

由前文可知，目前的光抽運銫鐘采用單激光加AOM 結(jié)構(gòu)，抽運光頻率由檢測光經(jīng)AOM 移頻得到，AOM 驅(qū)動電路的性能嚴重影響到抽運光的頻率穩(wěn)定性和準確度，進而影響抽運效率和Ramsey 信號信噪比。DDS 電路作為AOM 驅(qū)動較之原先的方式頻率穩(wěn)定性高，溫漂較小，而且方便調(diào)節(jié)，有利于原子鐘長期穩(wěn)定。

直接數(shù)字式頻率綜合器 DDS（Direct Digital Synthesizer），本質(zhì)上是一種分頻器的實現(xiàn)：通過編程頻率控制字來分頻系統(tǒng)時鐘以產(chǎn)生所需要的頻率。在頻率改變與調(diào)節(jié)時，DDS 能夠保持相位連續(xù)，因此很容易實現(xiàn)頻率、相位和幅度調(diào)制。此外DDS 還具有可編程控制的突出優(yōu)點。目前，DDS 專用芯片已經(jīng)逐漸普及，如今已成為電子系統(tǒng)及設備中頻率源的首選[3]。

2.2 DDS芯片的選擇和主要性能

需要的頻率輸出達到了251.4MHz，由于奈奎斯特采樣極限的限制，DDS 芯片的系統(tǒng)時鐘至少要達到500MHz 以上。為了盡量消除DAC 輸出諧波的影響，應選擇系統(tǒng)工作時鐘能夠達到1GHz的高速DAC 芯片。

最終在設計的驅(qū)動電路中采用了ADI 公司的產(chǎn)品AD9957。AD9957 是美國模擬器件公司(Analog Devices,Inc) 生產(chǎn)的內(nèi)置了14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的集成電路，基本框圖如圖3所示。

根據(jù)我們的需求，只需要AD9957 在單音模式下工作，芯片用作正弦波發(fā)生器，通過 DDS 直接驅(qū)動DAC。

AD9957 采用4 組電源，分別為模擬電源1.8V 和3.3V，數(shù)字電源1.8V 和3.3V。AD9957 采用內(nèi)建PLL 倍頻模塊，可將外部輸入的頻率進行倍頻到1GHz 的系統(tǒng)時鐘，從而可達到400Mhz 模擬輸出[4]。

2.3 DDS電路的設計

圖5：VCO 工作頻率范圍

圖6：VCOSEL 位選擇

圖7：電荷泵電流設置

根據(jù)驅(qū)動電路的需求，該電路需要幾個模塊組成，電源模塊向單片機和AD9957 芯片進行供電，單片機模塊和AD 芯片模塊分別需要晶振向其輸入一個外部時鐘信號，AD 模塊最后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)后輸出的電壓經(jīng)過濾波、功放后最后進入聲光調(diào)制器。示意圖如圖4所示。

由于功放部分散熱需求較大，不適合集成到電路中，該電路輸出的頻率信號會通過一個單獨的功放模塊進行功率放大。

2.3.1 參考時鐘

AD9957 內(nèi)置了基準時鐘乘法器，可以僅僅輸入25MHz 的參考時鐘產(chǎn)生1GHz 的內(nèi)部系統(tǒng)時鐘?；鶞蕰r鐘乘法器是一個可編程的，內(nèi)置基于鎖相環(huán)（PLL）的參考時鐘倍乘器，輸入的時鐘可以是差分和單端，也可以是有源和無源。通過內(nèi)部VCO，PLL 輸出頻率范圍(fSYSCLK)限定在420MHz 至1GHz 之間。設置PLL 包括以下步驟。

圖8：PLL 環(huán)路濾波器簡圖

圖9：輸出端低通濾波器

圖10：1.8V 電源電路

圖11：3.3V 電源電路

（1）VCO 設置。對VCO 進行編程，需要從六個工作頻率范圍中選擇使得fSYSCLK處在范圍內(nèi)。

根據(jù)所設定的系統(tǒng)時鐘的范圍，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，輸出250MHz，系統(tǒng)時鐘需要1GHz 左右。設定為25MHz 晶振時鐘經(jīng)40倍頻，故選擇VCO5。設置控制字如圖5、圖6所示，CFR＜26:24＞為101。

（2）電荷泵電流設置。電荷泵電流(ICP)也需編程控制，下表列出了位設置和標稱電荷泵電流之間的關(guān)系。如圖7所示。

考慮到下文提到的環(huán)路濾波器設置，電荷泵電流(ICP)為337μA。

（3）外部環(huán)路濾波器設計。PLL_LOOP_FILTER 引腳提供了外部環(huán)路濾波器元件連接接口。

其中，fOL表示開環(huán)帶寬，φ 表示相位余量，N 表示反饋分頻系數(shù)，鑒相器增益KD等于ICP的編程值，Kv 可以通過VCO 設置表查詢對應值。

圖12：有雜散的輸出頻譜

圖13：1GHz 時鐘輸出頻譜

圖14：875MHz 輸出頻譜

PLL 環(huán)路濾波電路如圖8所示。

2.3.2 輸出端濾波

經(jīng)過內(nèi)部余弦DAC輸出的掃頻信號不可避免地含有高頻噪聲，所以信號輸出端口需外接低通濾波器抑制高頻干擾。該設計采用七階橢園函數(shù)濾波器，設計截至頻率為400Mhz 的低通濾波器。電路圖如圖9所示。

2.3.3 電源部分

電源的設計是電路中非常重要的部分，直接關(guān)系到整個驅(qū)動的運行和功耗等問題。AD9957 采用3.3V 與1.8V 供電，在單音模式下功耗最高可能達到800mW，1.8V 電源達近2A 的電流，3.3V 電源最大1A 的電流。因此，考慮到功耗損失較大，起初采用DC-DC芯片F(xiàn)R9888 進行電壓轉(zhuǎn)換。然而DDS 芯片對電源紋波噪聲要求較高，F(xiàn)R9888 輸出的電源中存在約350KHz 的交流噪聲信號，會耦合到DDS 輸出，嚴重影響頻譜性能(見后節(jié))，因此在后來的設計中改用了LDO 芯片進行電壓轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用5V 輸入，經(jīng)LDO芯片AMS1117-3.3V 將5V 轉(zhuǎn)為3.3V，爾后經(jīng)AMS1117-1.8V 轉(zhuǎn)換為1.8V。模擬與數(shù)字用電感隔開。電源電路設計如圖10、圖11所示。

2.4 單片機軟件控制

本系統(tǒng)中采用STC12LE5A60S2 單片機作為控制，它的主要任務是完成與AD9957 的串口通信，程序采用C 語言編寫。該單片機為單時鐘周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，低壓3.3V 供電，具有8 路高速10 位A/D 轉(zhuǎn)換。

對DDS 器件的控制是通過向DDS 器件寫命令控制字實現(xiàn)的。需要在AD9957 初始化后依次設置CFR1、CFR2、CFR3 三個控制字寄存器，然后設置Porfile0 寄存器作為DDS 頻率和幅度控制字。

2.5 聲光調(diào)制器驅(qū)動電路的調(diào)試與測量

由串口對單片機程序燒寫，設置AD9957 工作在單音模式，25MHz 晶振時鐘經(jīng)倍頻40 倍后作為系統(tǒng)時鐘，設置251.4MHz 輸出，由頻譜儀檢測輸出頻譜。開始時頻譜上有明顯的雜散頻率，如圖12所示（顯示范圍1MHz）。

經(jīng)分析雜散來源于電源噪聲的耦合，DC-DC 電源芯片F(xiàn)R9888中包含了350KHz 左右的周期信號，嚴重地影響了輸出頻譜性能。替換為LDO 電源重新制板焊接后測試，頻譜如下分別為系統(tǒng)時鐘為1GHz 和系統(tǒng)時鐘為875MHz 時輸出251.4M 的頻譜（顯示范圍20MHz）。

DAC 輸出將不可避免的包含高次諧波。系統(tǒng)時鐘為Fsysclk，輸出信號頻率為fout，則諧波將出現(xiàn)在2fout、3fout、4fout……以及Fsysclkfout，F(xiàn)sysclk-2fout，F(xiàn)sysclk-3fout……等頻率處。因此當系統(tǒng)時鐘為1GHz輸出251.4MHz 時，將會在距離較近處（245.8MHz）出現(xiàn)諧波，將會影響到聲光調(diào)制器的移頻效果。為使輸出頻率（fout）盡量遠離Fsysclk-3fout與Fsysclk-4fout諧波，選定時鐘頻率接近3.5 倍輸出頻率，即875MHz。此時頻譜性能良好，經(jīng)外接功率放大模塊后滿足聲光調(diào)制器的需求。

3 總結(jié)

設計并制作用于驅(qū)動聲光調(diào)制器（AOM）的DDS 數(shù)字頻率合成電路。目前的光抽運銫鐘采用檢測光束譜穩(wěn)頻方案，為了降低原子鐘復雜度和體積，采用了單激光加AOM 結(jié)構(gòu)完成抽運光和檢測光的同時鎖定，抽運光頻率由檢測光經(jīng)AOM 移頻得到。采用了直接數(shù)字合成（DDS）作為聲光調(diào)制器驅(qū)動電路解決方案。DDS 電路作為AOM 驅(qū)動較之原先的方式頻率穩(wěn)定性高，溫漂較小，而且方便調(diào)節(jié)，有利于原子鐘長期穩(wěn)定。