刘晓庆 刘 波 马新朋

1（中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800）

2（中国科学院高能物理研究所 北京 100049）

近几年来，美国的 SLAC、德国的 DESY、意大利的ELETTRA和中国科学院上海应用物理所等相继开展了基于电子直线加速器的短波长自由电子激光(FEL)的研究工作。FEL拥有强相干、高亮度、超短脉冲、波长连续可调等特性，对科技发展具有重大的价值[1,2]；但 FEL装置包含大量子系统，面临着系统集成和调试的挑战，须确保各子系统间飞秒量级的定时和同步，激光(包括种子激光、光阴极电子枪驱动激光和实验站用泵浦激光等)、电子束流与RF加速电场之间的高精度定时和同步对系统的性能起着至关重要的作用[3,4]。

FEL装置的同步定时系统的实现方式有光学法、电子学法和光学电子学结合法。例如，DESY的Flash装置和ELETTRA的FERMI装置采用光学法，SLAC的LCLS装置采用了基于中频数字鉴相的电子学法，锁相稳定度达0.07°。FEL装置的同步定时系统中，待同步信号与参考信号相位差作为反馈控制环路的核心控制信号，得准确可靠地测量。而在基于电子学的同步定时系统中，通常对 GHz量级的待同步信号与参考信号下变频为中频信号后再做处理。传统的模拟鉴相器中的模拟器件会引入大量的误差，其来源包括直流偏置、阻抗匹配、传输损耗等[5]。数字鉴相器可有效地避免这些误差，故鉴相准确度更高。

本文介绍了一种在 FPGA(Field Programmable Gate Array)上实现的高精度中频数字鉴相器，该数字鉴相器采用数字I/Q技术，可对一路中频信号进行绝对相位鉴相，或者对两路中频信号进行相对相位鉴相，该数字鉴相器的鉴相结果稳定在0.1º以下，鉴相器精度达0.029°，鉴相结果满足飞秒同步定时系统的精度要求。……