基于DSP与FPGA的氢钟数字伺服系统的研究

论文摘要

氢原子钟是一种高精度的时间和频率标准，它的各项性能都是十分优秀的，在基础理论研究、导航、雷达、大地测量、天文观测和通信等领域都具有重要的作用。随着空间科学技术的发展，小型、易搬运、高性能氢原子钟的研制势在必行。本文研究的主要内容是对现有的被动型小氢钟的伺服电路部分进行改进，在减小整个伺服电路体积的同时提高原系统的技术指标并且实现智能化控制。本文首先分析了伺服系统工作的基本原理以及伺服系统对频率稳定度造成的影响，并对PID控制器原理进行了阐述。在此基础之上，对所需元件的性能进行了计算和筛选。在第三章和第四章中详细介绍了硬件和软件的设计过程。在对电路进行反复的测试及长时间检验后，在第五章给出了系统的最终测试结果和分析，测试结果表明设计达到了预期的目的，有些参数还超过了预期指标。文章的最后给出了伺服系统未来设计改进的一些想法。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 当前原子频标的发展状况
• 1.2 任务的提出
• 1.3 本文研究内容与目标
• 第二章 系统工作原理分析
• 2.1 被动型氢原子钟的工作原理
• 2.1.1 频率控制原理
• 2.1.2 被动型氢原子钟的鉴频原理
• 2.2 被动型氢原子钟的电子系统
• 2.3 数字伺服环路的设计
• 2.3.1 系统结构的简化和系统的控制性能指标
• 2.3.2 PID控制器基本原理
• 2.3.3 数字PID控制算法
• 2.3.4 PID控制器参数的整定方法
• 2.4 SPI总线原理
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 系统的功能模块及元器件的选择
• 3.1.1 被动型氢原子钟伺服系统的基本结构
• 3.1.2 DSP的选型
• 3.1.3 元件参数的计算
• 3.1.4 ADC的选择
• 3.1.5 DAC的选择
• 3.2 电路主要部分设计
• 3.2.1 电源设计
• 3.2.2 后端信号调理电路
• 3.2.3 ADC采样电
• 3.2.4 DAC电路
• 3.2.5 数字电位器设计
• 3.2.6 DSP外围电路
• 3.2.7 FPGA电路设
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 伺服系统的控制软件主体流程图
• 4.1.1 数据采集模块
• 4.1.2 预锁定模块
• 4.1.3 PID控制模块
• 4.2 FPGA模块软件的设计
• 第五章 系统的闭环及测试
• 5.1 伺服系统功能测
• 5.1.1 系统软件测试
• 5.1.2 系统硬件测试
• 5.1.3 系统测试时发现的问题
• 5.2 系统闭环测试
• 5.3 系统稳定性分析
• 5.3.1 伺服电路对稳定性的影响
• 5.3.2 物理部分对稳定性的影响
• 5.4 总结
• 5.5 系统下一步改进设想
• 中英文对照表
• 参考文献