基于DDS技術(shù)的兩相陀螺儀驅(qū)動電源設(shè)計

摘 要： 導(dǎo)航和定位是軍用及民用航空器中的陀螺儀的最主要的功能，其運行情況直接影響到飛行器的安全，而為陀螺儀提供電能的多相電源的性能也決定了陀螺儀能否正常穩(wěn)定工作。基于C8051F020及DDS芯片AD9952等搭建兩相陀螺儀電源的1 200 Hz波形發(fā)生電路，利用大功率MOS管電源：集成運放MP108為電路提供足夠大的輸出功率，通過軟硬件濾波實現(xiàn)波形的平滑輸出，使陀螺儀工作更順暢精確。通過測試，該電源輸出電壓和頻率值精度高、穩(wěn)定性好、抗高頻干擾能力強，實現(xiàn)了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞： 航空電源； 陀螺儀； DDS； 平均濾波算法； 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

中圖分類號： TN86?34； TP713 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0154?05

Abstract： The navigation and position are the most important functions of the gyroscope used in military and civil aircrafts. The running condition of the gyroscope can affect the aircrafts’ safety directly， and the multiphase power supply providing the electrical energy for the gyroscope determines whether the gyroscope can work stably. The C8051F020 and DDS chip AD9952 based 1 200 Hz waveform generating circuit of two?phase gyroscope power supply is described， in which the high?power MOSFET power supply is used to provide the large enough output power for the integrated operational amplifier MP108 circuit. The smooth waveform output is realized with the hardware and software filtering， which can make the gyroscope work smoothly and accurately. The test results show that the output voltage and frequency of the power supply have high accuracy， good stability and great ability to resist the high?frequency interference， and can satisfy the design requirements.

Keywords： aviation power supply； gyroscope； DDS； average filtering algorithm； inertial navigation system

0 引 言

陀螺儀作為航空器重要的慣性導(dǎo)航設(shè)備的重要組成部分，其精度直接影響著整個慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，尤其是在極端溫度和氣候情況下，仍需保證陀螺儀能平滑順暢進(jìn)行工作，故需要系統(tǒng)提供高質(zhì)量的驅(qū)動電源，以保證其工作的穩(wěn)定性和可靠性[1]。

本文重點介紹了以C8051F020為控制核心，運用DDS技術(shù)及新型功率驅(qū)動方式搭建航空陀螺儀用1 200 Hz兩相高性能驅(qū)動電源，在硬件方面通過合理設(shè)計基準(zhǔn)電源、單片機及顯示電路、兩相DDS發(fā)生電路和大功率MOS驅(qū)動電路等，輸出頻率、電壓既可定頻、定壓輸出，也可通過數(shù)字編碼器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及有效的軟硬件濾波方法，以實現(xiàn)兩相1 200 Hz正弦波形的平滑、穩(wěn)定、高精度輸出，使陀螺儀電機能按既定控制要求精確、穩(wěn)定輸出。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)由控制核心C8051F020、AD9952組成的DDS發(fā)生電路、功率驅(qū)動電路、檢測電路、數(shù)字編碼器及LCD顯示模塊及直流供電電源組成，且電路具有完善的過壓、過流及短路報警及保護(hù)。同時上位機通過16位高分辨率凌華數(shù)據(jù)采集卡直接采集電壓、電流等四組輸出參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集和監(jiān)控。該電源整體系統(tǒng)框架如圖1所示。

1 200 Hz兩相驅(qū)動電源的設(shè)計參數(shù)為輸出容量>100VA，兩相相位差為90°，相位穩(wěn)定度≤2%，輸出兩相相電壓連續(xù)可調(diào)（7～15 V），電壓穩(wěn)定度≤1%，頻率穩(wěn)定度≤1%，波形失真度≤2%，輸出相電流≥2.5 A，負(fù)載穩(wěn)定度≤1%，為實現(xiàn)電路電壓的精度，部分元件采用高精度軍品級元器件以保證精度需要。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 C8051F020端口配置及供電電源設(shè)計

C8051F020是美國 Cygnal 公司推出的一種混合信號 SoC 型8位單片機，是集成度很高的混合信號系統(tǒng)級的芯片，系統(tǒng)利用單片機的8～12位A/D轉(zhuǎn)換器及其他端口，實現(xiàn)系統(tǒng)模擬量采集、DDS發(fā)生電路、LCM240128ZK圖形模塊顯示等功能，為滿足C8051F020的供電及基準(zhǔn)電源（VREF=2.5 V）、DDS電路、檢測電路等的需要，故電路需設(shè)計5 V，1.8 V，3.3 V，

±15 V高精度供電電源，以滿足單片機及AD9952的需要，均采用了高質(zhì)量集成穩(wěn)壓器以及參數(shù)合理的LC濾波器[2]。尤其是3.3 V和DC 1.8 V，直接影響到DDS輸出信號及檢測信號的精度，故在電路中運用了高精度電源轉(zhuǎn)換芯片AMS1117?3.3和AMS1117?1.8，以保證供電需要，電源C8051F020端口配置及3.3 V直流電源如圖2所示。

2.2 DDS電路設(shè)計

AD9952是Analog Device公司推出的新一代DDS芯片。是一個具有14位模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的直接合成器。該新芯片運用先進(jìn)的直接數(shù)字合成技術(shù)，內(nèi)部連接一個可編程的高速度模擬轉(zhuǎn)換器，能夠產(chǎn)生一個頻率最高達(dá)200 MHz的模擬正弦波輸出，并且能夠提供快速頻度跳動和良好的調(diào)頻分辯率[3?7]，本設(shè)計中通過C8051F020將調(diào)頻和控制字通過其串行I/O口載入AD9952。同時電路通過儀表放大器AD620完成第一級放大，放大倍數(shù)由0.1%的定制精密電阻RS1_38（或RS2_38）決定，按設(shè)計要求該級完成總放大倍數(shù)的21.213倍，由手冊可知AD620放大倍數(shù)計算公式為[Au1=1+49.4RS1_38=21.213]，可求得RS1_38=RS2_38=2.444 kΩ。

C8051F020通過SPI串行接口給AD9952的控制寄存器寫入控制字，在程序中控制電源的幅值、頻率與相位差輸出。

如頻率控制可用公式：[f=Kfs232]實現(xiàn)，本設(shè)計信號為輸出頻率1 200 Hz，外接晶振頻率fs=24 MHz，故FTW0的控制字K=0x89，一方面滿足波形頻率的要求，另一方面也滿足高頻采樣的要求。

兩相電壓相位差為90°，AD9952相位計算公式為[?=360°×POW214]，設(shè)定A相初相位為0°，則控制變量POWA=00；而B相相位為90°，則POWB=4 096。

而調(diào)節(jié)AD9952幅值的16位控制寄存器為ASF，其控制范圍為0000H～3FFFH，其對應(yīng)輸出電壓為0～0.5 V，A相DDS電路如圖3所示。

2.3 功率驅(qū)動系統(tǒng)及供電電源設(shè)計

如圖4所示，由于系統(tǒng)要求輸出電流每相≥2.5 A，故給集成運放MP108供電的直流電源輸出功率要求較大，一般的晶體管穩(wěn)壓電源已很難滿足功率及穩(wěn)定性要求，本設(shè)計中采用了單相雙MOS管（IRFP150N）推挽輸出方式給信號放大電路提供+VS直流供電電壓，同時電源進(jìn)線采用電抗器L1_1和C1組成單路濾波電路，以消除AC 220 V電源帶來的擾動，如圖5所示為+VS電源及單相功率驅(qū)動電路。

根據(jù)設(shè)計，由MP108組成的同相比例運算電路的電壓放大倍數(shù)為[1+RG1_2RG1_3=2]，故RG1_2和RG1_3選擇精度0.1%的精密軍品電阻（1 kΩ）。

2.4 檢測電路設(shè)計及參數(shù)設(shè)置

本設(shè)計中需要檢測兩相電壓、電流有效值（PHA，PHB，CURRENT1和CURRENT2）經(jīng)過精密差壓放大器AD629以及有效值計算芯片AD536通過AIN0～AIN3四路模擬量輸入[8?9]。相位差和頻率信號通過LM311整形成矩形波后分別通過C8051F020端口T0，T1和T2進(jìn)行參數(shù)檢測，采樣頻率設(shè)定為100 kHz。A相測試如圖6所示。頻率的檢測通過1 s內(nèi)一個周期內(nèi)統(tǒng)計的A相矩形波個數(shù)n來實現(xiàn)，通過C8051F020的CEXn引腳上出現(xiàn)的有效電平變化導(dǎo)致PCA0捕捉PCA0計數(shù)器/定時器的值并將其載入對應(yīng)模塊的16位捕捉/比較寄存器（PCA0CPLn和PCA0CPHn），即輸出頻率f=n。

而相位差的計算是通過A相和B相在一個周期內(nèi)捕捉上升沿時刻t1和t2，得到Δt=t1-t2，則相位差ΔΦ=f×Δt×360°，如圖7（a）、圖7（b）所示。

系統(tǒng)在軟硬件初步調(diào)試后，上位機得到輸出波形如圖8所示，由圖8可知，在輸出級和供電電源部分（如圖4和圖5所示）采用了LC等濾波電路，波形各項參數(shù)已初步達(dá)到基本要求，抑制了大部分干擾，但由于硬件濾波器有固定的截至頻率，還不能完全抑制系統(tǒng)本身和外界的干擾，所以初測波形擾動及高頻噪聲仍比較明顯，故利用軟件算法，采用時滯補償濾波法對波形進(jìn)一步優(yōu)化，使輸出兩相電壓進(jìn)一步達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序按模塊化設(shè)計，共分初始化、數(shù)字電位器及按鍵檢測、電壓、電流等檢測以及濾波算法模塊、LCD顯示模塊驅(qū)動子程序，其中根據(jù)去時滯補償平均濾波算法進(jìn)行軟件濾波，用于DDS初始輸出波形的信號處理，以進(jìn)一步改善波形。程序流程圖如圖9所示。

3.2 時滯補償平均濾波算法及程序

在系統(tǒng)中首先要保證輸出兩相電壓波形的平滑度，故在電壓檢測及高頻采樣過程中采用時滯補償平均濾波法，由于采樣直接來自輸出，故取每一個采樣值與理想值的差值，采用反向補償方式，調(diào)整下一個時段的輸出信號，即tn時段若采樣值為[xn′]，通過計算時刻的參考值xn=Umsin（ωt+φ）可得差值為Δx=xn-[xn′]，則下一時刻實際輸出值為yn+1=[xn+1′]+Δx，由于該系統(tǒng)采用100 kHz的采樣頻率，故補償雖有一定的時滯性，且該系統(tǒng)選用器件均為高速型器件，信號傳輸時間短（總時間<Δt），使誤差及擾動幅度大大降低，并具有一定的自適應(yīng)調(diào)整功能，如圖10為時長[120]個周期的波形變化情況。

3.3 上位機程序設(shè)計

系統(tǒng)上位機通過凌華（PCI?6208+6216）數(shù)據(jù)采集卡采集陀螺儀電源在負(fù)載情況下的實時電壓和電流參數(shù)值，每1 s刷新一次，如圖11所示為兩相陀螺儀電源參數(shù)上位機測試界面。

4 實驗與結(jié)果分析

通過系統(tǒng)硬件的合理搭建、軟硬件濾波方法的合理設(shè)計，加載陀螺儀電機負(fù)載，通過從常溫到低溫凍結(jié)，以及不同氣候情況下，給定電機不同負(fù)載，輸出電流從0～2.529 A變化的過程中（以設(shè)定輸出電壓11 V為例，并以兩相電源空載和滿載對比），電壓變化量僅為0.005 V，表明兩相陀螺儀電源各項參數(shù)以及波形分布已完全達(dá)到設(shè)計要求，其上位機測試界面及波形輸出如圖11～圖13所示。

5 結(jié) 論

本文利用直接數(shù)字頻率合成器（DDS）以及高性能單片機（C8051F020）搭建了兩相陀螺儀用1 200 Hz驅(qū)動電源，合理布置PCB元件及布線，采取了有效的軟硬件抗干擾措施，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)電壓穩(wěn)定度、頻率穩(wěn)定度、波形失真度、輸出相電流、負(fù)載穩(wěn)定度等參數(shù)均滿足設(shè)計要求，證明了系統(tǒng)設(shè)計的正確性、合理性和實用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣竅，李杰，劉俊，等.基于單片機的GPS/MEMS陀螺儀航向角實時測量系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2011，24（6）：919?922.

[2] 高士友，胡學(xué)深，杜興莉，等.基于FPGA的DDS信號發(fā)生器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（16）：35?37.

[3] 李征，劉瑋瑋.一種基于單片機和DDS技術(shù)的信號源設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（17）：46?47.

[4] 牛耕，陳思宇，于繼翔.基于DDS技術(shù)的正弦交流信號源的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（3）：52?56.

[5] 査森文，秦開宇，唐博.基于AD9952的直接頻率合成設(shè)計[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（6）：18?19.

[6] 王辛.基于DDS技術(shù)的波形設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（14）：1?3.

[7] 丁國良，李建新，邵高平.基于DDS技術(shù)的井下聲波模擬器的實現(xiàn)[J].微計算機信息，2005，21（4）：170?171.

[8] 楊寧，史儀凱，袁小慶，等.高精度、低功耗帶隙基準(zhǔn)源及其電流源設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2014（1）：58?63.

[9] 楊云飛，葛玉，黃林昊，等.基于自適應(yīng)IIR濾波的抗干擾DDS系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（21）：86?88.