氢原子钟辅助电子学系统电路设计改进*

李锡瑞

(中国科学院上海天文台，上海 200030)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

氢原子钟辅助电子学系统电路设计改进*

李锡瑞

(中国科学院上海天文台，上海 200030)

氢原子钟辅助电子学系统已稳定工作多年，但是与目前的先进技术相比，原来的设计理念已显陈旧，同时暴露出外围电路庞杂、故障点比较多、问题查找困难等诸多问题；运用ARM+FPGA模式对电路进行了改进，其中运用12 bit高精度模数转换芯片实现参数采样，数字化设计改进氢原子钟智能温度控制系统，采用直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer, DDS)技术设计产生综合器频率信号，简化设计实现氢原子钟的通信功能；从测试结果来看，提高了参数的采样精度，数字化的智能温控模式实现了温度的自动化智能调整，直接式频率合成器技术简化了设计电路，基于iCoupler磁隔离技术的隔离型RS-232接口收发器设计提高了接口的稳定性；从整体设计来看，大大简化了设计电路，提高了系统性能及可靠性。

氢原子钟；辅助电子学系统；智能温度控制；直接数字式频率合成器技术

我国自1972年研制成功第1台实验室型氢原子钟，经过近半个世纪的改进工作，氢原子钟频率稳定性指标从10-12量级水平迈进到10-16量级的行列。作为氢原子钟重要组成部分的辅助电子学系统也由原来的电压表头模式改为智能化监控模式，即可以通过串口通信在计算机上实现参数的读取，并可通过发送指令的方式对参数进行修改，大大方便了设备的调试及故障的维修。然而从现在的角度来看，最初的智能化监控系统电路庞杂，故障隐患多，因此本文采用ARM+FPGA的方案重新设计实现辅助电子学系统电路的功能。

1 辅助电子学系统电路设计实现

设计大体分为32位处理器ARM[1]以及现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)[2]控制部分两大模块实现，分别实现用户界面管理和内部各个模块的逻辑控制，框图如图1。

1.1 ARM处理部分

针对ARM内核的高速可顺序执行特性，更适合处理复杂协议信息。ARM处理部分在设计中主要负责协议层处理工作，包括通信信息、人机交互设定、系统工作参数监测、报警数据设定和监测、系统数据分析处理等多方面的工作，整体采用抢占式进行多任务分配，提高中央处理器的利用率以及系统的鲁棒性。1.2 现场可编程门阵列控制部分

总体来看，现场可编程门阵列主要负责外围硬件设备底层驱动的读写，作为ARM的一个外部扩展RAM进行外设数据交换，所有现场可编程门阵列采集、输出的数据均可通过ARM的可变静态存储控制器(Flexible Static Memory Controller, FSMC)总线读写。在设计中运用现场可编程门阵列独特的可多任务并行执行的特性，现场可编程门阵列控制部分主要负责外部通信模式的选择、外部模拟信号的采集、输出温度的控制、时钟同步、时钟移相、数码管计数显示等多项功能的处理。

在外部模拟量、氢原子钟内炉温度采集部分，由现场可编程门阵列内部硬件采用状态机形式通过两片AD7490D对外部32路模拟量采集，并直接用模数转换器进行控制处理；另一个状态机通过热敏电阻对内炉顶、上、底等3部分温度进行采集；在温度输出控制部分，通过3路PWM控制方式，以外部温控器作为驱动信号，调节加热功率。

图1 硬件电路框图

Fig.1 A circuit diagram of the hardware system

在模数转换部分由专用基准电压芯片REF192产生参考电压，温度转换经过带有前置运算放大器(Operational amplifier, OP)的模数转换器进行采样，并同时具有抑制50 Hz的功能，以抵消测量中产生的工频干扰。

在通信电路的设计部分由现场可编程门阵列选择所采用的通信方式，其中串口通信采用隔离式电平变换芯片，避免电平不兼容或是不同设备间的静电释放(Electrostatic Discharge, ESD)所带来的放电损坏；以太网部分采用专用以太网接口模块，可同时兼容TCP/IP v4、用户数据报协议(User Datagram Protocol, UDP)等。

下面从以下几个方面谈谈电路的设计改进工作：

(1)串口通信接口的电路设计

原来的串口通信设计为了满足两路串口通信的技术指标，采用AT89C52结合通用同步异步接收发送器8251A实现双串口的扩展。

本文采用ADM3251E[3]解决多路串口的通信功能。ADM3251E是一款高速、2.5 kV完全隔离、单通道RS-232/V.28收发器，具有isoPower隔离电源的双通道数字隔离器，设计中无需使用单独的隔离DC-DC转换器。由于RIN和TOUT引脚提供高压ESD保护，因此该器件非常适合在恶劣的电气环境，或频繁插拔RS-232电缆的场合。ADM3251E采用ADI公司的芯片级变压器iCoupler技术，能够同时用于隔离逻辑信号和集成式DC-DC转换器，因此该器件可提供整体隔离解决方案。

(2)ADC模拟量采样电路设计改进

原来的模数转换器采样电路使用两片ADC0816。ADC0816是逐次比较式16路8位A/D转换器，其内部包含一个8位A/D转换器和16路的单端模拟信号多路转换开关，转换精度为1/2LSB，转换时间为100 us(时钟频率为640 KHz)。

改进设计中采用AD7490，它是一款12位高速、低功耗逐次逼近型模数转换器。同时AD7490采用单电源工作，电源电压为2.7 V至5.25 V，最高吞吐量可达1 MSPS；内置一个低噪声、宽带宽采样/保持放大器，可处理1 MHz以上的输入频率；转换过程和数据采集过程通过CS和串行时钟进行控制，从而为器件与微处理器接口创造了条件。

(3)温度控制部分的设计改进

温度对于氢原子钟来说是很重要的因素，温度控制不好会引起氢原子钟稳定度变差；温度失控会直接导致氢原子钟没有中频信号输出。因此在温度控制的设计中首先要做到可靠、稳定。原先的温度控制系统采用模拟控制多块电路板各温度区域独立控制模式，其缺点是变容二极管参数值不在正常工作范围时，需要人为调整电路板的电位器，即通过人为改变电阻的模式达到调整温度的目的。

在数字化智能温控设计中采用AD7792[4]，AD7792具有两个高精度的可编程恒流激励源，内置可编程的仪表放大器，可以对不同的输入信号选择相应的放大倍数，实现信号的匹配。它内置16位模数转换器，采用SPI 串行接口，容易实现光耦隔离，有3路差分模拟输入，可以满足设计中分别对内炉顶、上、底3部分温度进行采集的要求。

AD7792为适应高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置一个低噪声、带有3个差分模拟输入的16位Σ-Δ型模数转换器。它还集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号；内置一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，而且也可采用一个外部差分基准电压。图2中CHAN表示温度区域，其中CH1代表内炉顶，CH2代表内炉上，CH3代表内炉底；

温度区域CHAN/n采样温度值ACTU/T设定温度值SET/T输出功率OUT/%区域1(CH1)4498450051区域2(CH2)5005432100区域3(CH3)12344500999

图2 温度控制的效果图

Fig.2 A list for the effects of temperature control

ACTU代表采样温度数值；SET代表设定温度数值；OUT代表输出功率的大小。

(4)移相同步精度设计改进

传统控制板同步精度为100 ns±逻辑门延时(约几个ns)，移相分辨率为0.1 μs。经过设计改进后，采用独特的先倍频后同步技术，可大大提高移相同步分辨率。在本次应用中，先对外部输入的10 MHz方波信号，经过现场可编程门阵列内部的锁相环(Phase-Locked Loop, PLL)的配置进行零度移相五倍频，得到和输入信号零相位差的50 MHz信号。其中图3上一幅为10 MHz信号波形，下一幅为倍频后的50 MHz方波信号波形。

图3 10 MHz与倍频后50 MHz的波形图

Fig.3 The waveforms of the 10MHz input signal and the 50MHz signal that is modified from the 10MHz input signal through the frequency multiplier

然后用倍频后的50 MHz信号和外部输入秒信号进行同步处理，理论上，输出信号最大相位差为20 ns，考虑元器件延时影响，附加±5 ns偏差，而移相分辨率可达0.02 μs，精度是原来的5倍。经实际测试，经过多次同步后，精度均可保证在25 ns以内，如图4。

图4 同步精度测试图

Fig.4 A screenshot of the output signal waveforms in the test for synchronization precision

(5)DDS电路设计部分

之前控制板在综合器设计输出时，采用AT89C52驱动3片74LS595串入，并输出6位8421码共24位数据信息经25芯弯角插座(DR-25)将数据传输至接收机控制板，再由CPLD处理后输出所需的频率信号。而目前设计中选取AD9956[5]，使用直接数字式频率合成器技术从监控板输出所需的频率信号，AD9956是由美国Analog Device公司推出的高性能直接数字式频率合成器芯片，提供速度高达400 MHz的内部时钟，可合成频率高达160 MHz，支持2.7 GHz的时钟输入(可选2、4或8分频)、内部集成14位的数字模拟转换器，具备快速频率转换、精细频率分辨率和低相位噪声输出的性能，适用于快速跳频频率合成器的设计，本设计直接数字式频率合成器输出频率信号可以根据键盘输入的频率值不同而输出不同的频率值。

(6)存储器设计改进

氢原子钟必需具有对时间以及对所监测数据实时保存的功能。然而外部存储器的选择是多种多样的，目前应用最多的仍是SRAM、EEPROM及NVRAM 3种方案。

目前使用的存储器采用SRAM加后备电池的模式，型号62256，它是组织结构为32k × 8位字长的高性能CMOS静态RAM。在设备掉电的情况下，存储数据易丢失。同时SRAM加后备电池的方法增加了硬件设计的复杂性，降低了系统的可靠性；EEPROM 方式可擦写次数较少(约10万次)，且写操作时间较长(约10 ms)；而NVRAM的价格又限制了它的普遍应用。因此越来越多的设计者将目光投向了新型的非易失性铁电存储器(FRAM)。铁电存储器具有以下几个优点：可以总线速度写入数据，而且在写入后不需要任何延时等待；有近乎无限次擦写寿命；数据保持45年不丢失；具有较低的功耗。

设计中采用的FM25L16是串行铁电存储器，其内部存储结构形式为2k×8位，地址范围为0000H～07FFH， FM25L16支持SPI方式0和方式3。具有先进的写保护设计，包括硬件保护和软件保护双重保护功能。FM25L16的数据读写速度能达到18 MHz，可与当前高速的RAM相媲美。

2 结束语

从设计的测试结果来看，全新的设计模式对电路的性能、可靠性、稳定性等多方面都有很大的提高，具体表现如下：

(1)设计中采用AD7490替代ADC0816，从而使得模数转换器的精度提高 8 bit升级到12 bit，精度提高了16倍，并且无需经过外接模拟开关，减小了信号经过多个模拟芯片引起的误差。

(2)温度控制系统采用全数字化设计模式，提高测量精度，降低干扰，可避免处理运放电路所造成的对温度飘移的影响以及多级模拟带来的累计误差，最重要的一点是不再人为地通过改变电阻模式达到调整温度的目的。

(3)综合器设计部分采用直接数字式频率合成器处理技术，直接从监控板输出所需的频率信号，从而大大减少设计中潜在的故障点，提高了设计的可靠性、稳定性。

(4)通信电路采用的ADM3251E是ADI公司推出的基于其专利iCoupler和isoPower磁隔离技术的RS-232隔离器，在性能、功耗、体积等方面都有传统光电隔离器(光耦)无法比拟的优势。它的功耗仅为光电耦合器的1/10～1/6，具有比光电耦合器更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力，大大提高了通信的质量和正确性。

[1] STMicroelectronics Incorporation. STM32F103xB数据手册[DB/OL]. 2008[2014-10-20]. http://www.st.com/st-web-ui/static/active/cn/resource/technical/document/datasheet/CD00161566.pdf.

[2] Altera Corporation. Cyclone III device handbook, Volume 1[DB/OL]．2012[2014-10-20]. http://www.ee.ic.ac.uk/pcheung/teaching/ee2_digital/cyclone3_handbook.pdf.

[3] Analog Devices Incorporation. ADM3251E 中文产品数据手册[DB/OL]. 2008[2014-10-20]. http://www.analog.com/static/imported-files/zh/data_sheets/ADM3251E_cn.pdf.

[4] Analog Devices Incorporation. AD7792/ AD7793 中文产品数据手册[DB/OL]. 2007[2014-10-20]. http://www.analog.com/static/imported-files/zh/data_sheets/AD7792_7793_cn.pdf.

[5] Analog Devices Incorporation. AD9956英文产品数据手册[DB/OL]. 2004[2014-10-20]. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9956.pdf.

A Design of Improved Circuits of the Auxiliary ElectronicSystem of a Hydrogen Maser

Li Xirui

(Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China, Email: xrli@shao.ac.cn)

The auxiliary electronic system of the first hydrogen maser in China has been working for many years. Nevertheless, the design of this system is outdated and the system has certain defects such as complicated peripheral circuits, many fault points, and occurrences of malfunctions not easily discernable. In this paper, we present a design of improved circuits of the auxiliary electronic system using the ARM+FPGA scheme. The design adopts 12-bit high-precision analog-to-digital conversion chips for wideband sampling, and incorporates a digital mode to improve the intelligent temperature control of the system. In the design we also use the DDS technology to generate signals for the frequency synthesizer. The design is simplified enough to realize communication of the system with the hydrogen maser. We have carried out tests of the design. The tests show that the design improves precisions of signal sampling, effective intelligent temperature adjustment has been realized with the digital temperature-control mode, circuit simplification has been achieved through the DDS technology, and the stability of the interface has been enhanced by the isolated RS-232 transceiver based on the iCoupler magnetic isolation technology. Overall, our design dramatically improves the capability and reliability of the system yet in the mean time simplifies the system.

Hydrogen maser; Auxiliary electronics system; Intelligent temperature control; DDS

2014-10-22；修定日期：2014-11-02 作者简介：李锡瑞，男，硕士. 研究方向：信号与信息处理. Email: xrli@shao.ac.cn

TP391

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1672-7673(2015)03-0312-05