靜電懸浮微陀螺多路同步DDS信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘 要:信號(hào)發(fā)生器是靜電懸浮微陀螺系統(tǒng)的重要組成部分，通常采用差動(dòng)電容調(diào)制解調(diào)檢測(cè)方法來(lái)得到轉(zhuǎn)子的微位移，而轉(zhuǎn)子微位移信號(hào)的幅值解調(diào)需要穩(wěn)定的多路同步信號(hào)。采用ARM7 LPC2148為控制器和多片DDS芯片AD9850在硬件和軟件上實(shí)現(xiàn)多路同步DDS信號(hào)發(fā)生器，并分別采用并行和串行2種方式加載芯片控制字，均可生成多路頻率相位可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器，具有頻率穩(wěn)定性好，頻率準(zhǔn)確度高及頻率分辨率高，相位差精準(zhǔn)的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:信號(hào)發(fā)生器; DDS; 同步; 并行加載; 串行加載

中圖分類(lèi)號(hào):TN74-34; V241.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)18-0110-04

Design of Multiple Synchronizing DDS Signal Generator for Electrostatically

Suspended Micro-gyroscope

QIN Zhen-ni1，2， LIU Wu1，2， CHEN Wen-yuan1，2， CUI Feng1，2， ZHANG Wei-ping1，2

(1.National Key Laboratory of Nano/Micro Fabrication Technology， Institute of Micro and Nano Science and Technology，

Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240， China; 2.Key Laboratory for Thin Film and Micro-fabrication of Ministry of Education，

Institute of Micro and Nano Science and Technology， Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240， China)

Abstract: The signal generator is an essential part of the electrostatically suspended micro-gyroscope system. Differential capacitance detection method is usually adopted to get the micro displacement of rotor， whose amplitude demodulation need stable multi-channel synchronous signals. This signal generator is based on ARM7 LPC2148 can control multi AD9850s to produce multi-channel signals， whose frequency and phase controllable precisely with either parallel load or serial load method， and characterized by high frequency stability， accuracy， resolution and phase precision.Keywords: signal generator; DDS; synchronizing; parallel load; serial load

0 引 言

靜電懸浮微陀螺作為一種新穎的MEMS陀螺，是當(dāng)代微慣性傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。它由懸浮扁平轉(zhuǎn)子和上下定子電極組成。通過(guò)在電極上施加直流電壓產(chǎn)生靜電力支承懸浮扁平轉(zhuǎn)子，并利用靜電微馬達(dá)的工作原理來(lái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)懸浮轉(zhuǎn)子。根據(jù)懸浮微轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)，借助力矩再平衡原理測(cè)量雙輸入軸角速度;同時(shí)，利用旋轉(zhuǎn)微轉(zhuǎn)子借助力平衡原理可測(cè)量線加速度[1-3]。由于轉(zhuǎn)子懸浮，無(wú)法直接從轉(zhuǎn)子引線，通常采用靈敏度高的差動(dòng)電容調(diào)制解調(diào)檢測(cè)方法來(lái)得到轉(zhuǎn)子的微位移[4]。微陀螺定子上的電容極板與轉(zhuǎn)子形成差分電容對(duì)和公共電容，載波經(jīng)上、下定子上的差動(dòng)電容極板輸入，公共電容極板上的輸出信號(hào)反映的是經(jīng)過(guò)載波調(diào)制的差動(dòng)電容變化的交流信號(hào)。差動(dòng)電容的大小與交流信號(hào)的幅值成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生線位移或角位移時(shí)，在公共電極上將產(chǎn)生表示轉(zhuǎn)子相應(yīng)位移的交流檢測(cè)電流信號(hào)。

而要獲取交流信號(hào)的幅值，需要使用與原載波信號(hào)同頻率、相位可調(diào)的參考信號(hào)對(duì)它進(jìn)行幅值解調(diào)。而傳統(tǒng)的RC或LC振蕩器信號(hào)源組成復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，信號(hào)不穩(wěn)定，易隨著環(huán)境溫度等的改變而變化，且難以得到準(zhǔn)確的相位差。要實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)具有確定的相位差，通常是采用移相技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但是操作麻煩，難以保證每次開(kāi)機(jī)都有確定的相位差。

在此采用具有同步功能的DDS芯片AD9850和ARM7控制器LPC2148來(lái)設(shè)計(jì)多路信號(hào)發(fā)生器，可以輸出多路頻率相同、相位差可調(diào)的正弦波或方波信號(hào)。多通道也可以獨(dú)立使用，可分別進(jìn)行調(diào)頻及調(diào)相。輸出的信號(hào)具有高頻率、高精度、高穩(wěn)定度的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)基本原理

1.1 DDS基本原理

可編程DDS的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成，N一般為24~32。每來(lái)一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長(zhǎng)M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢(xún)表地址上。正弦查詢(xún)表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅值信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0°~360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。

查詢(xún)表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅值信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)DAC以輸出模擬量。其組成原理框圖如圖1所示。AD9850在接上精密時(shí)鐘源和寫(xiě)入頻率相位控制字后就可以產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位都可調(diào)的正弦波，此正弦波經(jīng)內(nèi)部的高速比較器可轉(zhuǎn)換為方波輸出[5-10]。

圖1 DDS原理和AD9850信號(hào)框圖

1.2 DDS同步原理

目前，單片芯片能多通道輸出信號(hào)的芯片很少，且價(jià)格昂貴，因此，可以用多片單通道DDS產(chǎn)生多路信號(hào)，難點(diǎn)是，多路信號(hào)間很難實(shí)現(xiàn)相位同步和具有特定的相位差。影響信號(hào)同步的主要因素有:

(1) 多路信號(hào)達(dá)到同步的首要因素是輸入到所有DDS的參考時(shí)鐘源之間的相位差要小于最小限度[6]。因此在PCB布局時(shí)使時(shí)鐘源到達(dá)各路DDS的走線等長(zhǎng)，以保證參考時(shí)鐘到達(dá)DDS系統(tǒng)時(shí)具有相同的時(shí)鐘沿。

(2) 下一個(gè)必要條件是多通道的數(shù)據(jù)必須同時(shí)送到DDS寄存器中，即具有相同的FQUD上升沿。因此在PCB布局時(shí)使各路FQUD的走線等長(zhǎng)。

(3) 在DDS系統(tǒng)上電之后傳送數(shù)據(jù)之前應(yīng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，它能使DAC輸出一個(gè)相同的狀態(tài)，成為一個(gè)共同的參考點(diǎn)，從而使多路DDS同步。

2 多路同步DDS信號(hào)發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)

多路同步DDS信號(hào)發(fā)生器包括控制核心和DDS信號(hào)產(chǎn)生模塊。本設(shè)計(jì)采用ARM7 LPC2148作為控制核心，通過(guò)LPC2148的GPIO口來(lái)傳遞控制字及模擬系統(tǒng)工作時(shí)序。以?xún)陕稤DS信號(hào)為例，DDS信號(hào)產(chǎn)生模塊由兩片AD9850實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)硬件接口及外圍電路如圖2所示。

圖2 兩路同步AD9850接口及外圍電路

兩片AD9850可共用8位控制數(shù)據(jù)線D0-D7、頻率更新信號(hào)FQUD、芯片復(fù)位信號(hào)RESET及參考時(shí)鐘頻率CLKIN，而WCLK0與WCLK1則分別控制兩片AD9850的控制字加載，可實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的不同頻率及相位的控制。LPC2148的P0.0~P0.7分別于AD9850的D0~D7連接，輸入8位控制數(shù)據(jù)。P0.8，P0.9，P0.10，P0.11分別模擬FQUD，WCLK0，WCLK1，RESET。

則在IOUT端即可輸出波形良好的正弦波模擬信號(hào)。將正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后接到AD9850內(nèi)部的高速比較器VINP端，即可在QOUT端直接輸出一個(gè)抖動(dòng)很小的方波信號(hào)。

3 多路同步DDS信號(hào)發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)

3.1 DDS控制字及控制時(shí)序

AD9850有40位控制字，其中32位用于頻率控制，5位用于相位控制，2位用于選擇工作方式，1位用于電源休眠控制。這40位控制字可以通過(guò)并行或串行方式送入器件[5]。

DDS輸出正弦波的頻率計(jì)算公式為:

fOUT=(ΔPhase×CLKIN)/2N(1)

式中:fOUT為輸出正弦波的頻率;ΔPhase為頻率控制字;CLKIN為系統(tǒng)時(shí)鐘源頻率;N為相位累加器的位數(shù)。

DDS的頻率分辨率定義為:

fOUT=CLKIN/2N(2)

AD9850的相位累加器位數(shù)N=32，工作時(shí)鐘頻率最高可達(dá)到125 MHz。在此采用40 MHz的時(shí)鐘頻率，輸出信號(hào)的頻率為1 MHz，根據(jù)公式(1)計(jì)算，向AD9850寫(xiě)入的頻率控制字為:



ΔPhase=(1×106×232)/(40×106)≈

107374182=0x06666666



根據(jù)公式(2)計(jì)算，頻率分辨率為0.009 31Hz。

AD9850具有5位相位控制位，允許相位按增量180°、90°、45°、22.5°、11.25°或這些值的組合進(jìn)行調(diào)整。

3.2 并行方式加載頻率及相位控制字

AD9850可以采用并行方式加載40位控制字。在并行加載方式中，40位控制字通過(guò)8位數(shù)據(jù)線D0~D7在5個(gè)WCLK上升沿分5次(W0，W1，W2，W3，W4)寫(xiě)入AD9850數(shù)據(jù)輸入寄存器，然后FQUD上升沿則把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器寫(xiě)入頻率相位寄存器，更新DDS的輸出頻率和相位。W0的高5位為相位控制字，相位控制的精度為360°/25=11.25°，可根據(jù)需要設(shè)定不同的相位控制字00000~11111，即可實(shí)現(xiàn)精確的相位控制。W1的低2位為選擇工作方式控制位，10，01是工廠測(cè)試保留控制字，所以最好寫(xiě)成00。W0的第3位為電源休眠控制。W1到W4都為32為頻率控制字。

在多路DDS中，多個(gè)DDS依次加載控制字，每個(gè)WCLK控制一片AD9850的控制字加載，當(dāng)所有DDS的40位控制字加載完畢，F(xiàn)QUD的上升沿將多路DDS的頻率相位信息同時(shí)寫(xiě)入到AD9850頻率相位寄存器中，使多路DDS得到同步。圖3為多路DDS并行載入流程圖。

圖3 多路DDS并行載入流程圖

由于在此采用40 MHz的時(shí)鐘源，要輸出兩路相位差為零的1 MHz的正弦波，故頻率控制字為0x06666666，相位控制字為00000，故W0=0x00，W1=0x06，W2=0x66，W3=0x66，W4=0x66。圖4為邏輯分析儀測(cè)出的多路DDS并行加載時(shí)序。在邏輯分析儀中設(shè)置RESET上升沿時(shí)觸發(fā)，芯片復(fù)位后的并行加載時(shí)序可在圖4看出。從RESET信號(hào)上升沿開(kāi)始到更新DDS頻率和相位，時(shí)間大約為21.5 μs。

圖4 多路DDS并行加載時(shí)序圖

3.3 串行方式加載頻率及相位控制字

AD9850可以采用串行方式加載40位控制字。在串行加載方式中，40位控制字(W0，W1，…，W39)都通過(guò)引腳D7在40個(gè)WCLK上升沿時(shí)一個(gè)一個(gè)寫(xiě)入AD9850，當(dāng)40個(gè)控制字寫(xiě)入完畢，F(xiàn)QUD上升沿將把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器寫(xiě)入頻率相位寄存器，更新DDS的輸出頻率和相位。W0到W31為頻率控制字，W32和W33的10，01，11都是工廠測(cè)試保留控制字，所以最好寫(xiě)成00。W34為電源休眠控制。W35到W39為相位控制字。

芯片在加電啟動(dòng)后默認(rèn)為并行輸入，因此要使用串行輸入，可以在硬件上使D2接地，D0和D1則可接通VCC，使它們始終為“1”。若不改變硬件電路，可在加點(diǎn)啟動(dòng)后先輸入8位2進(jìn)制數(shù)xxxxx011，低三位必須是011，x可以為0或1。

在多路DDS中，多個(gè)DDS依次加載控制字，每個(gè)WCLK控制一片AD9850的控制字加載，當(dāng)所有DDS的40位控制字加載完畢，一個(gè)FQUD上升沿將多路DDS的頻率相位信息同時(shí)寫(xiě)入到AD9850頻率相位寄存器中，使多路DDS得到同步。圖5為多路DDS串行載入流程圖。

圖5 多路DDS串行載入流程圖

由于采用40 MHz的時(shí)鐘源，要輸出兩路相位差為零的1 MHz的正弦波，故頻率控制字為0x06666666，相位控制字為00000，故40位控制字為0x0666666600。圖6為邏輯分析儀測(cè)出的多路DDS串行行加載時(shí)序。在邏輯分析儀中設(shè)置RESET上升沿時(shí)觸發(fā)，芯片復(fù)位后的并行加載時(shí)序可在圖6看出。從RESET信號(hào)上升沿開(kāi)始到更新DDS頻率和相位，時(shí)間大約為195.5 μs。

圖6 多路DDS串行加載時(shí)序圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用DDS芯片AD9850和ARM7控制器LPC2148成功實(shí)現(xiàn)多路同步信號(hào)發(fā)生器，可以輸出多路頻率相同、相位差可調(diào)的正弦波。多路信號(hào)也可獨(dú)立使用，且信號(hào)穩(wěn)定，頻率分辨率高。用示波器顯示DDS系統(tǒng)生成的多路同步信號(hào)，如圖7所示，兩路頻率均為1 MHz，相位差為零，峰峰值約為2.1 V的正弦波信號(hào)。

并行和串行方式均可實(shí)現(xiàn)如圖7所示的多路同步信號(hào)。兩種方式的特點(diǎn)在于:并行加載方式加載速度快，可以充分發(fā)揮芯片的高性能，但占用控制器的GPIO口較多;串行加載方式加載速度較慢，但是占用控制器的GPIO口少。因此在控制器資源允許的情況下應(yīng)盡可能選擇并行方式。

將此正弦波信號(hào)接到AD9850內(nèi)部的高速比較器VINP端，即可在QOUT端直接輸出一個(gè)抖動(dòng)很小的方波信號(hào)。如圖8為由QOUT端輸出的頻率為1 MHz，峰值為3.2 V的方波。

圖7 兩路同步DDS生成1 MHz正弦波

圖8 正弦波轉(zhuǎn)換為方波

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了基于一種DDS芯片AD9850和ARM7 LPC2148為控制器的靜電懸浮陀螺多路同步DDS信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。利用多片DDS芯片AD9850來(lái)產(chǎn)生多路信號(hào)，并控制使其達(dá)到同步。多路信號(hào)可以協(xié)調(diào)使用產(chǎn)生特定的相位差，也可單獨(dú)使用，均做到頻率和相位可調(diào)。兩種加載方式，串行和并行，可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇，無(wú)需改變硬件電路，最大限度的發(fā)揮芯片性能。

該信號(hào)發(fā)生器可輸出多路頻率及相位可調(diào)的正弦波和方波，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到的波形頻率穩(wěn)定性好，頻率準(zhǔn)確度高及頻率分辨率高，相位差精準(zhǔn)。可廣泛應(yīng)用于科研工作及實(shí)際應(yīng)用中。

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