面向空間引力波探測(cè)的程控低噪聲高精度電壓基準(zhǔn)源*

王嘉偉 李健博 李番 鄭立昂 高子超 安炳南 馬正磊 尹王保 田龍3)? 鄭耀輝3)??

1) (山西大學(xué)光電研究所,量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030006)

2) (山西大學(xué)激光光譜研究所,量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030006)

3) (山西大學(xué),極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,太原 030006)

引力波探測(cè)打開了探索宇宙的新窗口,開啟了多信使天文學(xué)時(shí)代.大型激光干涉儀作為空間及地基引力波探測(cè)裝置,需要使用低噪聲激光光源,通過光電負(fù)反饋降噪技術(shù)可以抑制激光噪聲,提高大型激光干涉儀的靈敏度.光電負(fù)反饋控制需要將光電探測(cè)器信號(hào)與電壓基準(zhǔn)源信號(hào)相減,之后經(jīng)過比例積分微分器得到誤差信號(hào),來控制泵浦電流驅(qū)動(dòng)器的輸出功率,從而實(shí)現(xiàn)激光噪聲抑制.由于光電探測(cè)器信號(hào)受激光強(qiáng)度影響,其輸出電壓在一定范圍內(nèi)變化,這就需要電壓基準(zhǔn)源信號(hào)的輸出電壓可變;另外,電壓基準(zhǔn)源的性能直接影響反饋控制環(huán)路的整體性能,是激光噪聲抑制的下限.本文通過選定低噪聲基準(zhǔn)芯片及數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片,設(shè)計(jì)外控電路、采用低溫漂系數(shù)元件、通過精密布板及電磁屏蔽等方案,研發(fā)高精度低噪聲程控電壓基準(zhǔn)源;并通過可編程邏輯門陣列模塊編程控制數(shù)模轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)程控電壓基準(zhǔn)源輸出電壓精密變化.結(jié)果表明: 所研發(fā)的電壓基準(zhǔn)源輸出電壓范圍為—10 V—＋10 V,輸出電壓分辨率達(dá)20 bit,在空間引力波頻段輸出電壓的相對(duì)噪聲譜密度低于9.6 ×10—6 Hz—1/2,基準(zhǔn)源噪聲性能均優(yōu)于相應(yīng)引力波探測(cè)中對(duì)激光強(qiáng)度噪聲要求,為引力波探測(cè)中激光強(qiáng)度噪聲抑制等方面提供關(guān)鍵器件支撐.

1 引言

引力波的探測(cè)為進(jìn)一步研究宇宙提供了全新的觀測(cè)手段,由于其在傳播過程中不會(huì)被天體阻擋,能夠攜帶傳統(tǒng)電磁探測(cè)無法攜帶的信息,同時(shí)引力波避免了宇宙起源時(shí)對(duì)電磁輻射的不透明性,對(duì)人類探索宇宙的起源和演化具有重要的意義[1-4].大型激光干涉儀作為空間引力波探測(cè)裝置,需要使用低噪聲激光光源構(gòu)建大尺度空間激光干涉儀,由于空間引力波探測(cè)系統(tǒng)致力于探測(cè)頻段為0.1 mHz—1 Hz 范圍的由雙致密星系統(tǒng)、以及極大質(zhì)量比雙黑洞天體并合時(shí)產(chǎn)生的引力波,這就需要激光光源在探測(cè)頻段具有更低的噪聲[5].

相比于被動(dòng)模式清潔器抑制噪聲[6,7],激光注入鎖定抑制噪聲[8,9]、基于半導(dǎo)體光放大增益飽和效應(yīng)抑噪方案,光電負(fù)反饋控制泵浦電流不會(huì)引入過大的腔損耗,因此不會(huì)造成激光功率的明顯衰減,更重要的是其他抑噪方法大多應(yīng)用于兆赫茲或者千赫茲頻段噪聲抑制,而光電反饋抑噪技術(shù)在低至毫赫茲處仍有顯著的抑噪效果,所以采用光電負(fù)反饋法是進(jìn)行低頻段激光強(qiáng)度噪聲抑制的有效技術(shù)手段[10],其原理是利用光電探測(cè)器探測(cè)待穩(wěn)定激光,并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào),然后與穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行比較獲取誤差信號(hào),之后經(jīng)伺服系統(tǒng)輸出反饋信號(hào),并作用于泵浦源的驅(qū)動(dòng)電路,通過改變泵浦電流實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出功率的調(diào)節(jié),從而抑制強(qiáng)度噪聲[11].低噪聲高穩(wěn)定性的電壓基準(zhǔn)源是光電負(fù)反饋法中的關(guān)鍵器件,為了提高強(qiáng)度噪聲抑制反饋效果,需要降低其電子學(xué)噪聲,并拓展基準(zhǔn)源動(dòng)態(tài)工作范圍.

電壓基準(zhǔn)源最早是用齊納二極管的反向穩(wěn)壓實(shí)現(xiàn)的.對(duì)于齊納二極管,因其具有相當(dāng)薄的耗盡區(qū),當(dāng)反向偏壓在齊納電壓附近時(shí),耗盡區(qū)兩側(cè)的電場(chǎng)便足以從價(jià)帶中拉出電子,以至于齊納二極管兩端電壓變化較小時(shí)也可產(chǎn)生很大的電流變化,這種狀態(tài)稱為齊納擊穿,齊納擊穿是可恢復(fù)過程,其為齊納二極管的正常工作狀態(tài),所以可以根據(jù)其伏安特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出.在1964 年,Hilbiber[12]利用不同類型NPN 管PN 結(jié)不同的溫度系數(shù)相互抵消,得到了一個(gè)可穩(wěn)定工作12000 h 噪聲控制在10 μV 的參考電壓源.而在1971 年,Widlar[13]利用晶體管發(fā)射極-基極電壓的負(fù)溫度系數(shù)和兩個(gè)工作在不同電流密度下的晶體管發(fā)射極-基極電壓差的正溫度系數(shù)相互一階抵消,得到了在常溫下溫度系數(shù)為零的參考電壓源.當(dāng)溫度T=0 ℃的時(shí)候,此電壓源輸出的參考電壓恰好就是硅的帶隙電壓(1.205 V).所以這類基準(zhǔn)被命名為“帶隙基準(zhǔn)”,由于發(fā)射極-基極電壓具有很好的片上一致性,其偏差僅有±2%—±5%,這讓帶隙基準(zhǔn)成為如今最為常用的基準(zhǔn)之一.隨著工業(yè)的發(fā)展,采用CMOS工藝的電壓基準(zhǔn)源在精度,穩(wěn)定度和集成度方面均有所提升,且降低了功耗[14,15],但COMS 的帶隙電壓基準(zhǔn)的速度較低,驅(qū)動(dòng)能力差,無法應(yīng)用于高集成度高響應(yīng)速度的領(lǐng)域中,在空間引力波光電反饋抑噪中不會(huì)優(yōu)先考慮使用帶隙電壓基準(zhǔn).

初期的齊納二極管擊穿發(fā)生在硅表層,硅表層不僅有更多雜質(zhì)、品格缺陷和機(jī)械應(yīng)力,而且更容易受表面氧化層中遷移電荷和外界環(huán)境的影響,這導(dǎo)致功耗大,初始精度低,長(zhǎng)期穩(wěn)定性差,而且其溫度系數(shù)差,噪聲較大,這不利于空間引力波探測(cè)的低頻抑噪工作.而隨著技術(shù)進(jìn)步,深埋型齊納二極管得以實(shí)現(xiàn),它將擊穿區(qū)植入硅表面以下,從而避免表層影響,相較于表層齊納二極管,其在溫漂系數(shù),時(shí)間漂移和噪聲特性等方面都有顯著提升.而且其具有很高的初始精度,噪聲電壓低、工作電壓范圍寬,可用于12 位或更高分辨率的系統(tǒng)當(dāng)中.在二十世紀(jì)八十年代,美國Linear 公司使用了齊納二極管深埋技術(shù)生產(chǎn)了噪聲水平在1 ppm 以下的LTZ1000 基準(zhǔn)電壓芯片[16].美國Analog Devices公司生產(chǎn)的AD587 芯片使用的離子植入嵌入式齊納二極管同樣屬于深埋齊納二極管,其電壓噪聲水平可達(dá)0.5 ppm 以下[17].

各種各樣的電路結(jié)構(gòu)為電壓基準(zhǔn)源的發(fā)展奠定了基礎(chǔ);然而,對(duì)于基準(zhǔn)電壓源在低頻段的性能表現(xiàn),卻是近些年隨著引力波話題的出現(xiàn)才逐漸引起人們的重視的,在此之前鮮有對(duì)基準(zhǔn)源的噪聲進(jìn)行分頻段表征.2005 年,德國小組基于AD587 實(shí)現(xiàn)了0.1 mHz 處相對(duì)噪聲功率譜密度為6.1×10—6Hz—1/2的10 V 固定輸出電壓基準(zhǔn)源[10];筆者課題組在發(fā)展空間引力波頻段強(qiáng)度噪聲評(píng)估系統(tǒng)基礎(chǔ)上[18],也研發(fā)了基于深埋型齊納二極管的LTZ1000 基準(zhǔn)電源,相對(duì)噪聲功率譜密度在0.01 mHz 時(shí)達(dá)到1.8×10—3Hz—1/2,在0.1 mHz—1 Hz 的頻率范圍內(nèi)在4.9×10—4Hz—1/2以下[19].上述都是固定電壓輸出的基準(zhǔn)源,通過精密數(shù)模轉(zhuǎn)換可以用于研發(fā)輸出電壓可變的基準(zhǔn)源[20],但仍需對(duì)其在空間引力波頻段的噪聲特性進(jìn)行測(cè)試評(píng)估與噪聲表征.

本文通過選定低噪聲基準(zhǔn)芯片及數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片,設(shè)計(jì)外控電路、采用低溫漂系數(shù)元件、通過溫控及電磁屏蔽等,研發(fā)高精度低噪聲程控電壓基準(zhǔn)源;并通過可編程邏輯門陣列(FPGA)模塊編程控制數(shù)模轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)源電壓變化,以此來配合數(shù)字比例積分微分電路(PID)進(jìn)行整個(gè)反饋系統(tǒng)的數(shù)字化控制,并實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)基準(zhǔn)輸出,解決了手動(dòng)調(diào)節(jié)模擬電路操控精度低的問題.

2 程控精密電壓基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)

程控高精度可調(diào)電壓源的工作原理如圖1 所示,包含高穩(wěn)定參考電壓基準(zhǔn)、高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換以及程控軟硬件等部分.其中高穩(wěn)定參考電壓基準(zhǔn)作為整個(gè)程控可變電壓源的電壓基準(zhǔn),其噪聲及穩(wěn)定性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的絕對(duì)精度.

圖1 程控基準(zhǔn)源原理示意圖Fig.1.Schematic diagram of the programmable reference source.

根據(jù)空間引力波探測(cè)的需要,在篩選基準(zhǔn)芯片時(shí)主要關(guān)注其溫漂系數(shù)與電壓噪聲.對(duì)比兩種常用的深埋齊納二極管電壓基準(zhǔn)芯片AD587 與LTZ1000性能,其中AD587 的溫漂系數(shù)為5 ppm/℃,電壓噪聲為0.4 ppm[17];而現(xiàn)在的LTZ1000 芯片的溫漂系數(shù)可達(dá)0.05 ppm/℃,電壓噪聲為0.17 ppm[16].故選取噪聲及溫漂系數(shù)小的LTZ1000 芯片作為基準(zhǔn)芯片進(jìn)行電壓基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì).

隨后需要選擇合適的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)用以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)源輸出電壓,AD5791 是一款20 bit的單芯片無緩沖電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器,其利用薄膜電阻匹配技術(shù)以及R-2R 精密電壓模式架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)1 ppm 相對(duì)精度以及0.05 ppm/℃的溫度漂移系數(shù),且與標(biāo)準(zhǔn)SPI 接口兼容為設(shè)計(jì)程控系統(tǒng)提供了便利[20].

如圖2 所示,以LTZ1000 基準(zhǔn)板子為外部參考電壓提供7.2 V 基準(zhǔn)電壓輸入,經(jīng)運(yùn)算放大器ADA4077 將電壓放大至±10V供給主芯片AD5791,但因?yàn)镈AC 基準(zhǔn)輸入的輸入阻抗與碼高度相關(guān),如果DAC 基準(zhǔn)電壓源未經(jīng)充分緩沖,將導(dǎo)致線性誤差.AD8676 的開環(huán)增益高達(dá)120 dB,經(jīng)過驗(yàn)證和測(cè)試,符合本電路應(yīng)用關(guān)于建立時(shí)間、失調(diào)電壓和低阻抗驅(qū)動(dòng)能力的要求.而AD5791 經(jīng)過表征和工廠校準(zhǔn),可使用雙通道運(yùn)算放大器AD8676 對(duì)其基準(zhǔn)電壓輸入進(jìn)行緩沖,從而進(jìn)一步增強(qiáng)配套器件的可靠性.輸出端緩沖使用了AD8675,這是一款精密的寬帶寬運(yùn)算放大器,具有超低的失調(diào)、漂移和電壓噪聲,而且輸入偏置電流在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)均非常低,可以最大程度的保真輸出電壓.外部結(jié)合FPGA 或PC 給予AD5791芯片SPI 信號(hào),以精準(zhǔn)控制輸出電壓值.

圖2 程控基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.Schematic diagram of the programmable reference source structure.

在面向引力波探測(cè)的激光強(qiáng)度噪聲抑制中,需要將主激光束分出一部分激光用于光電探測(cè),之后和電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較并作為誤差信號(hào),經(jīng)過PID后反饋到半導(dǎo)體泵浦源調(diào)控驅(qū)動(dòng)電流,實(shí)現(xiàn)光電負(fù)反饋抑制激光噪聲.由于在不同激光輸出功率下進(jìn)行分束以及光電探測(cè)增益不同,導(dǎo)致光電負(fù)反饋時(shí)光電探測(cè)輸出電壓不同,這就需要實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸出電壓的基準(zhǔn)源,同時(shí)在面向空間引力波激光噪聲評(píng)估與抑制中,研發(fā)相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制及數(shù)字控制手段來適應(yīng)空間技術(shù)應(yīng)用的需求.

所以本文利用FPGA 模塊實(shí)現(xiàn)程控變壓基準(zhǔn),將PID 程控編碼到FPGA 模塊中,結(jié)合各種數(shù)字濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓基準(zhǔn)源輸出的控制,FPGA 的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在光學(xué)腔鎖定等領(lǐng)域得到檢驗(yàn),可以為基于數(shù)字反饋控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光噪聲抑制提供有效關(guān)鍵器件.

3 實(shí)驗(yàn)裝置、過程及結(jié)果分析

在初步實(shí)現(xiàn)基于LTZ1000 芯片的單電壓輸出的基準(zhǔn)電壓源基礎(chǔ)上,進(jìn)一步結(jié)合數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(AD5791)進(jìn)行整體程控可調(diào)變壓基準(zhǔn)源的研發(fā).在選擇低噪聲芯片基礎(chǔ)上,進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì),且外圍電路所需元件也需要低噪聲及低溫漂系數(shù)等要求,并進(jìn)一步需要進(jìn)行元件老化篩選,以便實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定電壓輸出.

在選擇低噪聲芯片及元件基礎(chǔ)上,還需要遵循精密電路構(gòu)建,采用數(shù)字控制端口、模擬變壓部分以及供電接口有效隔離,避免電源噪聲干擾數(shù)字控制信號(hào)及模擬信號(hào)輸出,以及利用數(shù)字地屏蔽數(shù)字時(shí)鐘及控制信號(hào),避免數(shù)字脈沖電壓對(duì)其他器件的影響;將供電電源及接地回路有效布局,通過在電源供電端并聯(lián)旁路電容以及串聯(lián)磁珠電感等措施,可以避免電源噪聲耦合;各種布線的寬度遵循電流限制規(guī)則,避免高阻抗路徑.此外,將整體電路放置于電磁屏蔽外殼中,進(jìn)一步消除外界電磁干擾,降低各種元件在整個(gè)電路中的噪聲耦合和干擾.

在低頻降噪工作中,由于溫度變化是誘使低頻噪聲出現(xiàn)的主要因素,所以在元件選擇上必須考慮低溫漂系數(shù)的元件.可以通過運(yùn)算放大器失調(diào)電壓的溫度漂移來評(píng)估其性能,AD8675 與AD8676 具有小于0.6 μV/℃的失調(diào)電壓漂移,噪聲波動(dòng)的峰峰值均在0.1 μV 以下;ADA4077 的失調(diào)電壓漂移小于0.55 μV/℃,長(zhǎng)時(shí)間電壓漂移(10000 h)在0.5 μV以下[21-23].此外,為了實(shí)現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定性電壓輸出,利用絕熱材料包覆電磁屏蔽外殼,實(shí)現(xiàn)電路整體溫度穩(wěn)定.

進(jìn)一步,NI-PXIe 7852 FPGA 模塊擁有96 路數(shù)字IO 和8 路模擬I/O 接口,通過FPGA 編程可實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字反饋控制,信號(hào)和操作的同步與計(jì)時(shí)高度可控,數(shù)字線均可以靈活的獨(dú)立配置協(xié)議.利用此FPGA 模塊輸出多路數(shù)字控制時(shí)序進(jìn)行數(shù)模操控,在實(shí)現(xiàn)可遠(yuǎn)程控制、操控界面方便等優(yōu)勢(shì)的同時(shí),可進(jìn)一步為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化光電負(fù)反饋方案提供基礎(chǔ).

圖3 展示了程控基準(zhǔn)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),由于目前沒有可靠的頻譜分析儀等設(shè)備可以直接分析空間引力波探測(cè)頻段0.1 mHz—1 Hz 頻段噪聲,使用高精度數(shù)字萬用表結(jié)合對(duì)數(shù)頻率軸功率譜密度估計(jì)算法[24-+],發(fā)展了一套低頻段激光強(qiáng)度噪聲測(cè)試評(píng)估技術(shù)[18].利用高精度數(shù)字萬用表采集程控變壓源輸出電壓,得到電壓噪聲時(shí)域噪聲信息,之后通過LPSD 算法進(jìn)行譜密度分析,得到頻域噪聲信息,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓噪聲的全面分析.

圖3 低噪聲程控基準(zhǔn)源測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖(λ/2: 半波片;PBS: 偏振分束器;PD: 光電探測(cè)器;PID: 比例積分微分運(yùn)算器;DAC: 數(shù)模轉(zhuǎn)換器)Fig.3.Schematic diagram of the low-noise numerical control reference source test experimental system (λ/2: half-wave-plate;PBS:polarization beam splitter;PD: photodetector;PID: proportional-integral-derivative arithmetic unit;DAC: digital-analogconverter).

在采集數(shù)據(jù)前,需要將所有設(shè)備進(jìn)行1—2 h預(yù)熱穩(wěn)定,輸出電壓信號(hào)經(jīng)屏蔽線纜輸入高精度萬用表,通過LabVIEW 編寫的操控及算法評(píng)估程序?qū)Ω呔热f用表進(jìn)行直流電壓信號(hào)采集以及LPSD算法[27,28].為了保證極低頻段激光強(qiáng)度噪聲的準(zhǔn)確性,必須對(duì)儀器部件等可能的噪聲源進(jìn)行低頻段評(píng)估表征,這就需要確定高精度數(shù)字萬用表儀器本底噪聲是否滿足實(shí)驗(yàn)需求.

進(jìn)一步重新對(duì)外部單一輸出的基準(zhǔn)源進(jìn)行布局設(shè)計(jì),故需測(cè)量基于LTZ1000 芯片的基準(zhǔn)電壓輸出.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示,其中圖4(a)為時(shí)域數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知,在5 h 內(nèi),LTZ1000 芯片波動(dòng)峰峰值為 2×10-5V,均值為 7 .11297 V;圖4(b)為L(zhǎng)PSD 算法處理結(jié)果,由處理結(jié)果可知LTZ1000 的噪聲在0.1 mHz—1 Hz 范圍內(nèi)低于1.4×10—6Hz—1/2,在1 mHz—1 Hz 范圍低于6.7×10—7Hz—1/2,此噪聲水平低于LISA 對(duì)星載激光強(qiáng)度噪聲要求(2×10—4Hz—1/2@0.1 mHz—1 Hz)3 個(gè)數(shù)量級(jí).

圖4 LTZ1000 芯片輸出與3458 A 電子學(xué)噪聲 (a)時(shí)域信號(hào);(b)噪聲功率譜Fig.4.LTZ1000 chip output and 3458 A electronic noise: (a) Time domain;(b) spectrum estimations.

將LTZ1000 提供的單一輸出基準(zhǔn)信號(hào)接入AD5791 參考電壓端,利用FPGA 模塊編程輸出10 路數(shù)字信號(hào),分別控制AD5791 芯片的“SCLK”,“SDIN”,“CLR”,“INVCC”,“DGND”,“SYNC”,“LDAC”,“DGND”,“RESET”,“SDO”等十路信號(hào),根據(jù)特定時(shí)鐘以及控制時(shí)序可以使AD5791 內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換[20],進(jìn)而得到不同基準(zhǔn)電壓輸出,圖5(a)顯示了一組在連續(xù)改變數(shù)字控制編碼基礎(chǔ)上,程控基準(zhǔn)源線性變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可知程控變壓基準(zhǔn)源輸出電壓范圍為±10 V,圖5(b)為電壓變化步長(zhǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知實(shí)測(cè)輸出電壓最小步長(zhǎng)為18.99±0.68 μV,達(dá)到20 bit分辨率.

圖5 (a)基準(zhǔn)輸出范圍測(cè)試;(b)基準(zhǔn)輸出電壓精度測(cè)試Fig.5.(a) Reference output range test;(b) reference output voltage accuracy test.

進(jìn)一步,將程控基準(zhǔn)源輸出設(shè)置為1 V,5 V,7 V,10 V,測(cè)量其長(zhǎng)期輸出穩(wěn)定性及頻域噪聲特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示,其中圖6(a)中從上往下依次為不同輸出設(shè)置時(shí)5 h 內(nèi)的時(shí)域數(shù)據(jù),圖6(b)為對(duì)應(yīng)頻域數(shù)據(jù),從圖6(b)可知,輸出電壓在10 V±5 μV 時(shí),在0.1 mHz 處,基準(zhǔn)輸出電壓的相對(duì)噪聲功率譜密度為2.0×10—6Hz—1/2;輸出電壓在7 V±5 μV 時(shí),在0.1 mHz 處,噪聲為3.3×10—6Hz—1/2;輸出電壓在5 V±5 μV 時(shí),0.1 mHz 處,噪聲為4.2×10—6Hz—1/2;輸出電壓在1 V±5 μV,在0.1 mHz 處,噪聲為9.6×10—6Hz—1/2.可見,程控基準(zhǔn)在其工作電壓范圍內(nèi)均可達(dá)到引力波探測(cè)所要求的噪聲水平.

圖6 (a)程控基準(zhǔn)源1—10 V 輸出;(b)程控基準(zhǔn)源1—10 V 輸出的噪聲功率譜Fig.6.(a) 1—10 V output of programmable reference source;(b) noise power spectrum of 1—10 V output of the programmable reference source.

4 結(jié)論與展望

基于LTZ1000 低噪聲基準(zhǔn)芯片,結(jié)合高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器及精密外圍電路設(shè)計(jì),并通過FPGA模塊編程等技術(shù)手段研發(fā)出精密程控電壓基準(zhǔn)源.利用高精度數(shù)字萬用表對(duì)基準(zhǔn)源輸出電壓進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試采集,并通過LPSD 算法進(jìn)行頻域噪聲評(píng)估,實(shí)現(xiàn)對(duì)所研發(fā)基準(zhǔn)源輸出電壓噪聲的時(shí)域及頻域全方位評(píng)估測(cè)試.所研發(fā)基準(zhǔn)源在輸出電壓為1 V,5 V,7 V 和10 V 時(shí),5 h 內(nèi)時(shí)域噪聲均小于1.3 ppm,其相對(duì)噪聲譜密度均小于9.6×10—6Hz—1/2@0.1 mHz,1.2×10—6Hz—1/2@1 mHz 及3.1×10—7Hz—1/2@1 Hz;從線性度測(cè)試中可知程控基準(zhǔn)源的輸出電壓范圍為±10 V,輸出電壓分辨率達(dá)20 bit;在此基礎(chǔ)上,通過編程可實(shí)現(xiàn)基于FPGA模塊的數(shù)字PID 算法,則可為0.1 mHz—1 Hz 頻率范圍內(nèi)的光電反饋抑制激光強(qiáng)度噪聲提供基準(zhǔn)電壓精密輸出及數(shù)字PID 相結(jié)合的全鏈條反饋控制回路,為空間引力波探測(cè)中抑制激光噪聲提供方案及關(guān)鍵器件.