静电悬浮微陀螺多路同步DDS信号发生器设计

摘 要:信号发生器是静电悬浮微陀螺系统的重要组成部分,通常采用差动电容调制解调检测方法来得到转子的微位移,而转子微位移信号的幅值解调需要稳定的多路同步信号。采用ARM7 LPC2148为控制器和多片dds芯片AD9850在硬件和软件上实现多路同步DDS信号发生器,并分别采用并行和串行2种方式加载芯片控制字,均可生成多路频率相位可调的信号发生器,具有频率稳定性好,频率准确度高及频率分辨率高,相位差精准的特点。关键词:信号发生器; DDS; 同步; 并行加载; 串行加载

中图分类号:TN74-34; V241.5文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)18-0110-04

Design of Multiple Synchronizing DDS Signal Generator for Electrostatically

Suspended Micro-gyroscope

QIN Zhen-ni1,2, LIU Wu1,2, CHEN Wen-yuan1,2, CUI Feng1,2, ZHANG Wei-ping1,2

(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

静电悬浮微陀螺作为一种新颖的MEMS陀螺,是当代微惯性传感器发展的一个重要方向。它由悬浮扁平转子和上下定子电极组成。通过在电极上施加直流电压产生静电力支承悬浮扁平转子,并利用静电微马达的工作原理来驱动旋转悬浮转子。根据悬浮微转子高速旋转产生的陀螺效应,借助力矩再平衡原理测量双输入轴角速度;同时,利用旋转微转子借助力平衡原理可测量线加速度[1-3]。由于转子悬浮,无法直接从转子引线,通常采用灵敏度高的差动电容调制解调检测方法来得到转子的微位移[4]。微陀螺定子上的电容极板与转子形成差分电容对和公共电容,载波经上、下定子上的差动电容极板输入,公共电容极板上的输出信号反映的是经过载波调制的差动电容变化的交流信号。差动电容的大小与交流信号的幅值成正比,当转子发生线位移或角位移时,在公共电极上将产生表示转子相应位移的交流检测电流信号。

而要获取交流信号的幅值,需要使用与原载波信号同频率、相位可调的参考信号对它进行幅值解调。而传统的RC或LC振荡器信号源组成复杂,调试困难,信号不稳定,易随着环境温度等的改变而变化,且难以得到准确的相位差。要实现多路信号具有确定的相位差,通常是采用移相技术实现,但是操作麻烦,难以保证每次开机都有确定的相位差。

在此采用具有同步功能的DDS芯片AD9850和ARM7控制器LPC2148来设计多路信号发生器,可以输出多路频率相同、相位差可调的正弦波或方波信号。多通道也可以独立使用,可分别进行调频及调相。输出的信号具有高频率、高精度、高稳定度的特点。

1 系统基本原理

1.1 DDS基本原理

可编程DDS的核心是相位累加器,它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成,N一般为24~32。每来一个外部参考时钟,相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅值信息,每一个地址对应正弦波中0°~360°范围的一个相位点。

查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅值信号,然后驱动DAC以输出模拟量。其组成原理框图如图1所示。AD9850在接上精密时钟源和写入频率相位控制字后就可以产生一个频率和相位都可调的正弦波,此正弦波经内部的高速比较器可转换为方波输出[5-10]。

图1 DDS原理和AD9850信号框图

1.2 DDS同步原理

目前,单片芯片能多通道输出信号的芯片很少,且价格昂贵,因此,可以用多片单通道DDS产生多路信号,难点是,多路信号间很难实现相位同步和具有特定的相位差。影响信号同步的主要因素有:

(1) 多路信号达到同步的首要因素是输入到所有DDS的参考时钟源之间的相位差要小于最小限度[6]。因此在PCB布局时使时钟源到达各路DDS的走线等长,以保证参考时钟到达DDS系统时具有相同的时钟沿。

(2) 下一个必要条件是多通道的数据必须同时送到DDS寄存器中,即具有相同的FQUD上升沿。因此在PCB布局时使各路FQUD的走线等长。

(3) 在DDS系统上电之后传送数据之前应产生复位信号,它能使DAC输出一个相同的状态,成为一个共同的参考点,从而使多路DDS同步。

2 多路同步DDS信号发生器的硬件设计

多路同步DDS信号发生器包括控制核心和DDS信号产生模块。本设计采用ARM7 LPC2148作为控制核心,通过LPC2148的GPIO口来传递控制字及模拟系统工作时序。以两路DDS信号为例,DDS信号产生模块由两片AD9850实现。本系统硬件接口及电路如图2所示。

图2 两路同步AD9850接口及电路

两片AD9850可共用8位控制数据线D0-D7、频率更新信号FQUD、芯片复位信号RESET及参考时钟频率CLKIN,而WCLK0与WCLK1则分别控制两片AD9850的控制字加载,可实现多路信号的不同频率及相位的控制。LPC2148的P0.0~P0.7分别于AD9850的D0~D7连接,输入8位控制数据。P0.8,P0.9,P0.10,P0.11分别模拟FQUD,WCLK0,WCLK1,RESET。

则在IOUT端即可输出波形良好的正弦波模拟信号。将正弦波信号经过低通滤波器后接到AD9850内部的高速比较器VINP端,即可在QOUT端直接输出一个抖动很小的方波信号。

3 多路同步DDS信号发生器的软件设计

3.1 DDS控制字及控制时序

AD9850有40位控制字,其中32位用于频率控制,5位用于相位控制,2位用于选择工作方式,1位用于电源休眠控制。这40位控制字可以通过并行或串行方式送入器件[5]。

DDS输出正弦波的频率计算公式为:

fOUT=(ΔPhase×CLKIN)/2N(1)

式中:fOUT为输出正弦波的频率;ΔPhase为频率控制字;CLKIN为系统时钟源频率;N为相位累加器的位数。

DDS的频率分辨率定义为:

fOUT=CLKIN/2N(2)

AD9850的相位累加器位数N=32,工作时钟频率最高可达到125 MHz。在此采用40 MHz的时钟频率,输出信号的频率为1 MHz,根据公式(1)计算,向AD9850写入的频率控制字为:

ΔPhase=(1×106×232)/(40×106)≈

107374182=0x06666666

根据公式(2)计算,频率分辨率为0.009 31Hz。

AD9850具有5位相位控制位,允许相位按增量180°、90°、45°、22.5°、11.25°或这些值的组合进行调整。

3.2 并行方式加载频率及相位控制字

AD9850可以采用并行方式加载40位控制字。在并行加载方式中,40位控制字通过8位数据线D0~D7在5个WCLK上升沿分5次(W0,W1,W2,W3,W4)写入AD9850数据输入寄存器,然后FQUD上升沿则把40位数据从输入寄存器写入频率相位寄存器,更新DDS的输出频率和相位。W0的高5位为相位控制字,相位控制的精度为360°/25=11.25°,可根据需要设定不同的相位控制字00000~11111,即可实现精确的相位控制。W1的低2位为选择工作方式控制位,10,01是工厂测试保留控制字,所以最好写成00。W0的第3位为电源休眠控制。W1到W4都为32为频率控制字。

在多路DDS中,多个DDS依次加载控制字,每个WCLK控制一片AD9850的控制字加载,当所有DDS的40位控制字加载完毕,FQUD的上升沿将多路DDS的频率相位信息同时写入到AD9850频率相位寄存器中,使多路DDS得到同步。图3为多路DDS并行载入流程图。

图3 多路DDS并行载入流程图

由于在此采用40 MHz的时钟源,要输出两路相位差为零的1 MHz的正弦波,故频率控制字为0x06666666,相位控制字为00000,故W0=0x00,W1=0x06,W2=0x66,W3=0x66,W4=0x66。图4为逻辑分析仪测出的多路DDS并行加载时序。在逻辑分析仪中设置RESET上升沿时触发,芯片复位后的并行加载时序可在图4看出。从RESET信号上升沿开始到更新DDS频率和相位,时间大约为21.5 μs。

图4 多路DDS并行加载时序图

3.3 串行方式加载频率及相位控制字

AD9850可以采用串行方式加载40位控制字。在串行加载方式中,40位控制字(W0,W1,…,W39)都通过引脚D7在40个WCLK上升沿时一个一个写入AD9850,当40个控制字写入完毕,FQUD上升沿将把40位数据从输入寄存器写入频率相位寄存器,更新DDS的输出频率和相位。W0到W31为频率控制字,W32和W33的10,01,11都是工厂测试保留控制字,所以最好写成00。W34为电源休眠控制。W35到W39为相位控制字。

芯片在加电启动后默认为并行输入,因此要使用串行输入,可以在硬件上使D2接地,D0和D1则可接通VCC,使它们始终为“1”。若不改变硬件电路,可在加点启动后先输入8位2进制数xxxxx011,低三位必须是011,x可以为0或1。

在多路DDS中,多个DDS依次加载控制字,每个WCLK控制一片AD9850的控制字加载,当所有DDS的40位控制字加载完毕,一个FQUD上升沿将多路DDS的频率相位信息同时写入到AD9850频率相位寄存器中,使多路DDS得到同步。图5为多路DDS串行载入流程图。

图5 多路DDS串行载入流程图

由于采用40 MHz的时钟源,要输出两路相位差为零的1 MHz的正弦波,故频率控制字为0x06666666,相位控制字为00000,故40位控制字为0x0666666600。┩6为逻辑分析仪测出的多路DDS串行行加载时序。在逻辑分析仪中设置RESET上升沿时触发,芯片复位后的并行加载时序可在图6看出。从RESET信号上升沿开始到更新DDS频率和相位,时间大约为195.5 μs。

图6 多路DDS串行加载时序图

4 实验结果

本文采用DDS芯片AD9850和ARM7控制器LPC2148成功实现多路同步信号发生器,可以输出多路频率相同、相位差可调的正弦波。多路信号也可独立使用,且信号稳定,频率分辨率高。用示波器显示DDS系统生成的多路同步信号,如图7所示,两路频率均为1 MHz,相位差为零,峰峰值约为2.1 V的正弦波信号。

并行和串行方式均可实现如图7所示的多路同步信号。两种方式的特点在于:并行加载方式加载速度快,可以充分发挥芯片的高性能,但占用控制器的GPIO口较多;串行加载方式加载速度较慢,但是占用控制器的GPIO口少。因此在控制器资源允许的情况下应尽可能选择并行方式。

将此正弦波信号接到AD9850内部的高速比较器VINP端,即可在QOUT端直接输出一个抖动很小的方波信号。如图8为由QOUT端输出的频率为1 MHz,峰值为3.2 V的方波。

图7 两路同步DDS生成1 MHz正弦波

图8 正弦波转换为方波

5 结 语

本文介绍了基于一种DDS芯片AD9850和ARM7 LPC2148为控制器的静电悬浮陀螺多路同步DDS信号发生器的设计方法。利用多片DDS芯片AD9850来产生多路信号,并控制使其达到同步。多路信号可以协调使用产生特定的相位差,也可单独使用,均做到频率和相位可调。两种加载方式,串行和并行,可根据实际需要来选择,无需改变硬件电路,最大限度的发挥芯片性能。

该信号发生器可输出多路频率及相位可调的正弦波和方波,经实验测试,得到的波形频率稳定性好,频率准确度高及频率分辨率高,相位差精准。可广泛应用于科研工作及实际应用中。

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