铯原子钟物理谐振器特性测试系统设计与实现

作     者：陈继远 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：侯冬

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：铯原子钟 谐振器 测试系统 频率合成 AD9854 

摘      要：精确的时间频率参量在国防建设、卫星导航、数字通讯、科学实验等场景下都是不可或缺的。自1967国际计量大会将秒的定义从天文计时改为原子秒,计时标准正式进入原子时代,铯原子钟作为能够复现秒定义的装置对国家时频体系的建立具有重要意义。谐振器作为铯原子钟物理系统的核心部件其特性测试结果是衡量一台铯原子钟性能的重要参量。本文首先对铯原子钟及频率合成技术的发展进行简要介绍,并针对铯原子钟工作原理及结构进行分析,设计测试系统方案,解决现有测试系统调制复杂、设备间联系紧密,无法独立完成测试的问题。系统可划分为微波频率综合器硬件、中频信号调制模块、谱线采集模块、上位机软件四个部分,由上位机软件实现硬件调制参数的调节及跃迁谱线绘制,达到简化测试工作的目的。微波频率综合器将直接频率合成、锁相频率合成、直接数字频率合成三种技术结合,可输出高稳微波信号激励谐振器工作。其次对直接数字频率合成技术的频率合成原理及输出信号参数进行研究,基于AD9854芯片实现中频调制模块,由STM32控制输出满足谐振器测试所需的线性扫频、跳频、点频模式的中频信号,输出信号参数均可经USB动态配置,且与ADC采集和DMA传输配合工作,实现跃迁信号采集数据与当前输出频率的匹配,提高测试结果精度。基于WinForm图形程序开发平台实现上位机软件,软件根据测试系统需求共分为谱线绘制、硬件参数调节、数据通讯三个模块。谱线绘制模块基于GDI+技术进行绘制,提高绘制效率,解决原生控件在数据点多刷新快时的闪烁及卡顿问题,并提供了如线宽计算、量程调整、面板截图等功能。数据通讯模块基于USB协议实现上下位机间的数据通讯,在下位机连接后可自动完成识别与连接工作,并通知使用者,通过自定义事件的添加简化主程序的设计。最后对上位机软件控制功能及中频调制模块设定精度,微波频率综合器输出信号质量分别进行测试工作,然后将本系统接入铯原子钟物理系统进行谐振器测试工作,验证系统设计的可行性。