铝离子光频标中DDS信号源的研制

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时间是物理学中的七个基本物理量之一,高精度的时间频率标准在基础物理研究以及导航通讯等领域都有着重要的作用。铝离子光频标是目前国际上不确定度达到10-18的光频标之一,由于其黑体辐射频移最小,是很有前途的一种光频标。  在铝离子光频标的运行过程中,需要对其中的各路激光的频率进行精确控制。一般实验上通过控制光路中声光调制器上的射频信号来实现激光频率的控制。而在光频标中,由于需要对这些射频信号进行复杂且快速的操作,要求射频信号源不仅具有较高的频率分辨率和稳定性,且能够实现快速跳频功能。而商用的射频信号源或者压控振荡器不能满足该需求,因此我们必须自主研制具有快速跳频功能的信号源。  直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer DDS)具有频率转换速度快、频率分辨率高、频率切换中保持相位连续、易于实现多种调制功能、易于微处理器控制、相位噪声低等优点,并且基于DDS芯片的信号源是全数字化的,不仅性能优越而且体积小。因此,本文开展了基于DDS芯片的信号源的研究工作。  本文分别系统地介绍了基于AD9854的低频DDS信号源和基于AD9914的高频DDS信号源的研究工作,包括硬件电路的设计、制作以及程序控制,其中程序控制通过NI公司集成的Field-Programmable-Gate-Array(FPGA)板卡NI7856R来实现。最后对系统进行调试,成功实现了这两种信号源电路。对电路性能的测试结果表明基于AD9854信号源的最高输出频率为120MHz,其10MHz信号频率稳定度为3.8×10-11@1s,跳频时间约为200ns。基于AD9914的高速信号源输出的450MHz信号频率稳定度为8.5×10-14@1s,相位噪声为-135dBc/Hz(450MHz时偏移频率为100kHz),跳频时间为150ns,满足铝离子光频标的实验要求。
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