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基于DSP的主动型氢钟腔自动调谐系统设计

作　者: 安艳
导　师: 刘铁新
学　校: 中国科学院研究生院（上海天文台）
专　业: 天文技术与方法
关键词: 主动型氢钟腔自动调谐 DSP
分类号: P111
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

氢原子钟具有优良的频率稳定度和准确度，所以它在空间跟踪、导航、射电天文、守时及频率计量等方面均起到重要的作用。由于它使用高有载品质因数微波谐振腔，其振荡频率随腔的谐振频率的变化而变化，即所谓腔的“牵引”效应，这就是产生氢钟长期稳定度变坏的主要原因之一。本论文主要是对主动型氢钟现有的腔自动调谐(CAT，Cavity Auto Tuing)部分进行数字伺服控制以求提高原系统的稳定性和可靠性。主要包括两部分内容：系统的硬件搭建与软件实现。本论文首先给出了系统要实现的目标，第二章介绍了腔自动调谐的工作原理、闭环分析及本设计关键器件的选型。系统硬件设计以16位DSP(数字信号处理器)为核心，本设计选用的16位串行ADC、DAC可与其实现无缝连接，简化了硬件电路结构，增强了系统可靠性。接下来详细论述本系统的硬件各模块电路。第四章介绍了系统软件的设计。根据系统功能强大以及软件升级便利的要求，我们采用Flash在线编程的方法，该方法开发成本低、编程灵活。本论文第五章给出了设计的最终测试结果。本文最后，总结了这个设计的特点，并且提出了对下一步工作的几点思考。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第1章绪论  7-15
  1.1 课题名称  7
  1.2 课题背景与意义  7-13
    1.2.1 腔牵引效应  8
    1.2.2 腔调谐方法  8-13
  1.3 国内外发展现状  13
    1.3.1 美国  13
    1.3.2 俄罗斯  13
    1.3.3 国内  13
  1.4 论文主要工作  13-14
  本章小结  14-15
第2章系统总体设计  15-29
  2.1 氢原子钟基础  15-16
  2.2 氢钟腔自动调谐系统工作原理  16-20
    2.2.1 工作原理  16-18
    2.2.2 腔自动调谐系统的闭环系统特性  18-20
  2.3 腔自动调谐系统电路设计  20-27
    2.3.1 微处理器选型  20-23
    2.3.2 ADC选型  23-25
      2.3.2.1 ADC性能指标  23-24
      2.3.2.2 ADC分类  24-25
    2.3.3 DAC选型  25-27
      2.3.3.1 DAC性能指标  25
      2.3.3.2 DAC分类  25-27
  2.4 SPI总线原理  27-28
  小结  28-29
第3章系统硬件设计  29-59
  3.1 DSP最小系统构成  29-34
    3.1.1 电源环境的构建  29-31
    3.1.2 复位电路  31-32
    3.1.3 时钟电路  32-33
    3.1.4 关键引脚及多余引脚的处理  33-34
  3.2 DSP与存储器的接口设计  34-38
    3.2.1 存储器扩展方案  35-37
    3.2.2 存储器扩展电路连接  37-38
  3.3 DSP前向通道电路设计  38-48
    3.3.1 数据采集模块  38-45
      3.3.1.1 McBSP的工作过程  39-41
      3.3.1.2 ADS8509与McBSP的连接方案  41-45
    3.3.2 电平转换  45-46
    3.3.3 A/D采样电路干扰分析  46-48
  3.4 DSP后向通道电路设计  48-54
    3.4.1 D/A转换器与DSP的连接电路  48-53
      3.4.1.1 DAC714时钟信号产生  50-51
      3.4.1.2 DAC714与McBSP的连接电路  51-52
      3.4.1.3 DAC714 PCB设计  52-53
    3.4.2 输出滤波处理  53-54
  3.5 控制逻辑  54-56
  3.6 串口通信  56-58
  本章小结  58-59
第4章系统软件设计  59-80
  4.1 DSP开发环境  59-60
  4.2 应用软件开发  60-61
  4.3 系统的初始化程序设计  61-64
    4.3.1 DSP的初始化  61-63
    4.3.2 外围设备的初始化  63-64
  4.4 数据采集子程序  64-65
  4.5 进制转换子程序  65-66
  4.6 数据处理子程序  66-71
  4.7 数据写入子程序  71-72
    4.7.1 数模转换子程序  71-72
    4.7.2 十—二进制转换子程序  72
  4.8 Bootloader子程序  72-78
  4.9 软件抗干扰  78-79
  小结  79-80
第5章测试与结论  80-87
  5.1 测试  80-82
    5.1.1 硬件调试  80-82
    5.1.2 软件调试  82
  5.2 调试中遇到的问题  82-84
  5.3 系统的闭环测试  84-87
第6章结束语  87-90
  6.1 后续改进与思考  87-90
    6.1.1 采用多层板  87
    6.1.2 提高分辨率  87-88
    6.1.3 前向通道信号调理  88
    6.1.4 智能控制  88-89
    6.1.5 DSP与PC机通信方式  89-90
致谢  90-91
参考文献  91-93
附录1 部分程序清单  93-106
论文目录  106
个人简历  106

基于DSP的主动型氢钟腔自动调谐系统设计

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