， ， ，

(浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院光學(xué)光電子研究中心，杭州 310023)

用于冷原子干涉儀激光時(shí)序控制的DDS跳頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅東云，程冰，吳彬，林強(qiáng)

(浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院光學(xué)光電子研究中心，杭州310023)

為了滿足冷原子干涉實(shí)驗(yàn)對(duì)時(shí)序控制的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于LabVIEW軟件的激光時(shí)序控制DDS系統(tǒng)，其工作過(guò)程為通過(guò)設(shè)計(jì)的LabVIEW上位機(jī)軟件輸入需要產(chǎn)生的頻率和頻率間隔時(shí)間，ARM芯片根據(jù)LabVIEW軟件發(fā)送來(lái)的控制信息實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻信號(hào)芯片的控制，CPLD芯片用來(lái)控制射頻信號(hào)之間的時(shí)間間隔，最后DDS芯片產(chǎn)生與控制信息相對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào);與目前同類裝置相比，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了跳頻時(shí)間和頻率更加精確和工作穩(wěn)定性更好;經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的調(diào)試分析以及性能測(cè)試，DDS跳頻系統(tǒng)能夠滿足原子干涉儀激光時(shí)序控制需求;通過(guò)測(cè)試DDS裝置，DDS裝置能夠輸出準(zhǔn)確輸出射頻頻率值，并且射頻頻率時(shí)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(shí)序，在探詢時(shí)間為120毫秒且重復(fù)率為2.2赫茲的情況下，冷原子重力儀的重力測(cè)量靈敏度達(dá)到1.0×10-7g/Hz1/2。

冷原子干涉儀；LabVIEW; 激光時(shí)序；數(shù)字式頻率合成器L

0 引言

自從冷卻激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)并獲得1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來(lái)，這一技術(shù)在原子干涉、光頻標(biāo)、冷原子物理等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。精確控制激光頻率成為這些領(lǐng)域中共同的關(guān)鍵技術(shù)之一，不但要求頻率調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性，而且要求調(diào)控時(shí)序要達(dá)到一定的精度。原子干涉儀工作過(guò)程中涉及到比較復(fù)雜的激光頻率和功率的調(diào)整操作，這些操作必須按照一定的時(shí)序運(yùn)行。原子干涉儀的動(dòng)作時(shí)序有4個(gè)階段：冷原子制備、原子團(tuán)純化、拉曼脈沖作用、探測(cè)4個(gè)階段。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的跳頻DDS將提供5個(gè)跳頻射頻信號(hào)，分別為f0、f1f2、f3 和f4，f0的射頻信號(hào)作用為與7 G赫茲信號(hào)混頻向原子團(tuán)提供一個(gè)6.834 G赫茲的微波場(chǎng)，f1的射頻信號(hào)作用為對(duì)原子進(jìn)行速度選擇，f2、f3 和f4射頻信號(hào)分別作用于原子團(tuán)分束、原子態(tài)反轉(zhuǎn)和原子合束過(guò)程。通過(guò)控制拉曼激光脈沖的時(shí)間及強(qiáng)度，形成π/2-π-π/2激光脈沖序列，在t=0時(shí)刻，第一個(gè)π/2脈沖將處于基態(tài)|agt;的原子團(tuán)均等地分為|agt;態(tài)和|bgt;態(tài)，這是原子團(tuán)分束過(guò)程，再將一個(gè)π脈沖作用于原子波包上，|agt;態(tài)的原子躍遷為|bgt;態(tài)的原子，而|bgt;態(tài)的原子躍遷為|agt;態(tài)，這是原子態(tài)反轉(zhuǎn)過(guò)程，第二個(gè)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(tài)，這時(shí)這是原子團(tuán)和束過(guò)程[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原子干涉儀激光時(shí)序控制的跳頻DDS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由以下四大部分組成，LABVIEW上位機(jī)、ARM、CPLD和射頻DDS芯片，LABVIEW上位機(jī)與ARM通過(guò)USB接口相連，這個(gè)而ARM與CPLD之間則通過(guò)SPI串行接口相連，CPLD還通過(guò)一個(gè)I/O輸出口與ARM中斷1相連，用來(lái)產(chǎn)生定時(shí)中斷，CPLD通過(guò)SPI串行接口與DDS芯片相連，用來(lái)向DDS芯片傳輸控制的頻率字。

圖1 DDS結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 DDS頻率電路設(shè)計(jì)

DDS頻率產(chǎn)生是采用芯片AD9954，AD9954采用先進(jìn)的DDS技術(shù)開(kāi)發(fā)的高集成器件。其主要特性如下：內(nèi)置400 MSPS時(shí)鐘；內(nèi)含14位DAC；相位、幅度可編程；有32位頻率轉(zhuǎn)換字；可用串行I/O控制；內(nèi)置超高速模擬比較器；可自行線性和非線性跳頻；內(nèi)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(tǒng)設(shè)計(jì)的AD9954工作原理圖如圖2所示，SDIO、SCLK是SPI串口數(shù)據(jù)輸入輸出口和時(shí)鐘線，通過(guò)此信號(hào)線可以設(shè)置輸出射頻信號(hào)的相位、幅度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中AD9954工作的頻率為395 M，為了實(shí)現(xiàn)395 M 射頻信號(hào)，采用MINI CIRCUIT公司的SYN395芯片設(shè)計(jì)了一款電路板將10 M頻率信號(hào)變成395 M參考信號(hào)電路[3-4]。

在參考信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)于ARM發(fā)送過(guò)來(lái)的頻率字進(jìn)行累加，得到相位碼并進(jìn)行波形存儲(chǔ)器尋址，輸出對(duì)應(yīng)的幅度碼，AD轉(zhuǎn)換器將幅度碼變成梯形波形，經(jīng)過(guò)低通濾波器后可以得到頻率的連續(xù)波形。輸出頻率的計(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的CPLD的型號(hào)為EPM240T100，屬于ALTERA公司的MAXII系列產(chǎn)品，TQFP封裝, 100個(gè)引腳，192個(gè)宏單元，240個(gè)邏輯單元，80個(gè)輸入輸出接口[5]。本系統(tǒng)控制程序語(yǔ)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(fā)送給DDS芯片產(chǎn)生所需要的頻率，LABVIEW將頻率間隔時(shí)間通過(guò)SPI接口發(fā)送給CPLD[6-7]。EPM240T100主要是由Macro Cell互連可編程矩陣單元構(gòu)成。Macro Cell具有復(fù)雜的互連I/O單元結(jié)構(gòu)，用戶可由需要生成固定的電路結(jié)構(gòu)，完成電路邏輯功能。由于CPLD內(nèi)部采用固定長(zhǎng)度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連，所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測(cè)性，避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時(shí)序不完全預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)。它具有開(kāi)發(fā)周期較短、編程靈活、開(kāi)發(fā)軟件多樣、適用范圍較寬、集成度高、對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件知識(shí)要求低、無(wú)需測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品、設(shè)計(jì)制造成本較低、保密性較好、性價(jià)比高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ARM程序設(shè)計(jì)

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(jié)的高速Flash和16 K字節(jié)的SRAM，外設(shè)接口包括一個(gè)USB2.0設(shè)備[8-9]。CPU功能上增加數(shù)字信號(hào)處理指令集提供增強(qiáng)的32位算術(shù)運(yùn)算能力，提高了靈活性和性能。ARM芯片可以通過(guò)USB2.0設(shè)備獲得LABVIEW傳遞過(guò)來(lái)的5個(gè)跳頻頻率字，并且通過(guò)SPI接口傳遞給射頻產(chǎn)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(gè)前沿特性來(lái)幫助嵌入CPU的高集成器件的調(diào)試，它們是嵌入式邏輯單元和跟蹤核系列。READ/MEMOR架構(gòu)不支援地址不對(duì)齊內(nèi)存存取正交指令集，減少編碼數(shù)所產(chǎn)生的耗費(fèi)，降低流水線和解碼化的負(fù)擔(dān)。最先進(jìn)、單線程性能最高的ARM應(yīng)用處理器能提升，滿足為內(nèi)容生產(chǎn)設(shè)備的要求，并在相同功耗下實(shí)現(xiàn)最高較好的性能計(jì)算能力，僅需移動(dòng)設(shè)備的功耗成本即可運(yùn)行提高了產(chǎn)品可擴(kuò)展性與可靠度。

3.2 LABVIEW軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的LABVIEW為提供，與其他計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言相比其特點(diǎn)在于：LABVIEW軟件采用了圖形化編程程序G語(yǔ)言，產(chǎn)生的程序多為框圖的形式，而目前的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言多采用文本語(yǔ)言產(chǎn)生二進(jìn)制代碼，NI公司設(shè)計(jì)的平臺(tái)的核心為L(zhǎng)ABVIEW，由于LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，所以控制和測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想選擇[11]。它主要的方便在于存在一個(gè)硬件的情況下，非常方便通過(guò)改變軟件可以實(shí)現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，圖形化主要是上層的單片機(jī)編程系統(tǒng)(支持32位的嵌入式系統(tǒng)，并且可以擴(kuò)展的)，由于LabVIEW的模塊化特性，可通過(guò)第三方的附加軟件和添加NI和來(lái)滿足項(xiàng)目需求。LabVIEW函數(shù)及其高級(jí)工具可用于開(kāi)發(fā)特定以及特殊應(yīng)用并將其部署至終端。

裝有LABVIEW的軟件的上位機(jī)通過(guò)USB接口與DDS系統(tǒng)板相連，VISA的名稱顯示為USB0，表示系統(tǒng)板的ARM芯片處于正常的工作狀況， DDS系統(tǒng)輸出5個(gè)跳頻為f0、f1、f2、f3和f4，另外需要設(shè)置2個(gè)周期時(shí)間，第1個(gè)時(shí)間是第2個(gè)頻率到第3個(gè)頻率的間隔時(shí)間，第2個(gè)時(shí)間是第3個(gè)頻率、第4個(gè)頻率、第5個(gè)頻率之間的間隔時(shí)間，還有一個(gè)按鈕為開(kāi)啟FSK跳、頻模式切換開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)不打開(kāi)的時(shí)候?yàn)槠胀Ｊ?，恒定輸出射頻信號(hào)f0。通過(guò)LABVIEW上位機(jī)軟件可以控制DDS的工作模式，以及工作頻率。上位機(jī)和信號(hào)源通過(guò)USB連接，可以實(shí)現(xiàn)精確控制?？梢缘玫捷^好的信號(hào)指標(biāo)，如頻率準(zhǔn)確度，雜散和諧波。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試平臺(tái)

圖5是本小組設(shè)計(jì)的冷原子干涉儀，為DDS電路的控制對(duì)象。可以高精度測(cè)量重力場(chǎng)及重力梯度場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以用于礦產(chǎn)資源勘探地質(zhì)調(diào)查、油氣普查、地球物理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常廣泛。圖5是設(shè)計(jì)的DDS跳頻的硬件電路板，產(chǎn)生一個(gè)分辨率高，波形良好，輸出頻譜純、轉(zhuǎn)換速度快的信號(hào)。具有調(diào)頻、調(diào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

DDS跳頻電路板輸出的5個(gè)跳頻射頻信號(hào)如圖6所示。

圖6 原子干涉儀時(shí)序控制時(shí)序5跳頻頻譜圖

5個(gè)射頻信號(hào)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(biāo)為頻率，單位為兆赫茲,縱坐標(biāo)為射頻信號(hào)的幅值，射頻信號(hào)輸出的幅值1 DBm。

當(dāng)DDS跳頻到f0射頻信號(hào)時(shí)，將和7 GHz微波信號(hào)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(jié)論

通過(guò)labview的通信能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的輸出，頻率的掃描，以及頻率的跳變。CPLD時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，一定時(shí)間產(chǎn)生中斷，ARM中斷程序中發(fā)送新的頻率。本實(shí)驗(yàn)頻率的應(yīng)用范圍70～170 M，通過(guò)測(cè)試DDS裝置能夠輸出準(zhǔn)確輸出射頻頻率值，并且射頻頻率時(shí)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(shí)序，在探詢時(shí)間為120 ms且重復(fù)率為2.2 Hz的情況下，冷原子重力儀的重力測(cè)量靈敏度達(dá)到1.0×10-7g/Hz1/2，1 000 s積分時(shí)間，重力測(cè)量分辨率為5.0×10-9g。

[1] 楊 威.用于雙組份原子干涉儀等效原理檢驗(yàn)的鋰原子的磁光囚禁[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院(武漢物理與數(shù)學(xué)研究所),2014.

[2] 裴成龍,魏智鵬,楊 亮. 基于ARM的四攝像頭光學(xué)觸摸屏系統(tǒng)研制[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2016(6):84-86.

[3] 李培林.基于DDS的分布式網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)[J].2016,11(2):214-218.

[4] 孟浩玉,王 彥,汪誠(chéng)偉,等.基于鎖相放大原理的微弱光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)光學(xué)與光電技術(shù)[J].2014,(6):88-91.

[5] Mifsud A. Direct digital synthesis radio frequency arbitrary function generator using an FPGA[D]. University of Malta, 2016.

[6] 楊韜儀,王 超,夏艷琴.基于并行DDS技術(shù)的寬帶通信信號(hào)模擬方法[J].微電子學(xué),2014(6):789-792.

[7] 劉 艷,劉 剛.一種用于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)[J].2014(6):136-141.

[8] 馬星星,何正耀,馬聰聰.基于DDS和Taylor加權(quán)發(fā)射波束形成研究壓電與聲光[J].2015,37(1):46-49.

[9] Patil N, Patil J H. FPGA Implementation of Direct Digital Frequency Synthesizer with Cordic Algorithm[J]. Global Journal For Research Analysis, 2016, 4(7).

[10] 徐 琪,段哲民.泰勒級(jí)數(shù)的DDS設(shè)計(jì)與FPGA實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用[J].2014,(5):208-211.

[11] 李鵬偉,楊海濤.DDS在偵察情報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].指揮與控制學(xué)報(bào),2015(1):68-71.

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(xiàng)目(2013CB329501),國(guó)家自然科學(xué)基金(61475139 )。

羅東云(1979-)，男，博士研究生，副教授，主要從事電路系統(tǒng)和自動(dòng)控制。

林 強(qiáng)(1964-)，男，博士生導(dǎo)師，教授，國(guó)家杰出青年基金獲得者，主要從事量子光學(xué)、冷原子物理、激光物理、電磁波和物質(zhì)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

A