1 引言
直升机在飞行过程中出现某些极限情况会给直升机带来很大的风险,因此需要在地面上对直升机发动机超转等参数进行测试,检查直升机发动机工作的状况,提前排除发动机故障。因此需要研制一个的直升机地面模拟参数测试系统,它能在地面模拟直升机在飞行中可能遇到的情况,获得飞机的响应,并以此为依据制定飞行员应急预案,提高飞行的可靠性。其中一项是发动机转速倍频器,是针对一架2C发动机进行超转模拟试验,在某段转速频率内模拟一个突发两倍频率的发动机转速,机上电子系统对输入的倍频后的发动机转动频率进行数据采集,检查直升机对超转的反应[1]。
用FPGA控制专用DDS芯片产生倍频信号产生的方法在此是一种比较好的方式。在通过测频装置把从前端传感器得到的频率信号转换为相应的数字量后,通过FPGA控制DDS产生倍频信号,经过信号放大和隔离功率放大,使得电气隔离。本文叙述原理和实现方法。
2 DDS的基本原理
DDS工作的基本原理是将2π弧度做N位量化,以系统时钟为参考频率对信号相位进行采样。N位频率控制字在每个时钟周期内与相位累加器中的相位进行一次累加,将累加结果作为地址去寻址相位查询表,将相位信息转化为相应的数字量化幅度字。查询表输出的量化波形序列经过数模转换器(DAC)变为阶梯模拟信号,最后通过低通滤波器平滑后得到一个频谱很纯的信号波形[2]。
本信号发生器中DDS芯片选择的是AD9833。它是ADI公司生产的一款低功耗、可编程波形发生器,能够产生正弦波、三角波和方波输出。外部电路仅需要一个参考时钟和一些去耦电容器就能产生高达12.5MHz的正弦波。输出频率和相位都可通过软件控制,易于调节。频率寄存器是28位,当主频时钟25MHz时,精度为0.1Hz;主频时钟为1MHz时,精度可以达到0.004 Hz。AD9833的内部电路主要有数控振荡器(NCO)、频率和相位调节器、Sine ROM、数模转换器(DAC)、电压调整器。AD9833的核心是28位的相位累加器,它由加法器和相位寄存器组成,每来1个时钟,相位寄存器增加一个步长,相位寄存器的输出与相位控制字相加后输入到正弦查询表地址中。正弦查询表包含1个周期正弦波的数字幅度信息,每个地址对应正弦波中0°－360°范围内的1个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号,去控制DAC输出模拟量,相位寄存器每经过228/M个MCLK时钟后回到初始状态,相应地正弦查询表经过一个循环回到初始位置,这样就输出了一个正弦波。输出正弦波频率为:
其中M为频率控制字,由外部编程给定,其范围为
AD9833有3根串行接口线,与SPI接口标准兼容,在串口时钟SCLK的作用下,数据以16位的方式串行输入到AD9833中,FSYNC引脚为使能引脚,电平触发方式,低电平有效。进行串行数据传输时,FSYNC引脚必须置低,要满足从 FSYNC有效到SCLK下降沿的建立时间的最小值。FSYNC被置低后,在16个SCLK的下降沿数据被送到AD9833的输入移位寄存器,在第16个SCLK的下降沿FSYNC可以被置高,但要满足在SCLK下降沿到FSYNC上升沿的数据保持时间的最小和最大值。写数据时SCLK时钟为下降沿,在FSYNC刚开始变为低时, SCLK必须为高电平。
当AD9833初始化时,为了避免DAC产生虚假输出,RESET必须置为1,RESET不会复位频率、相位和控制寄存器,直到配置完毕,需要输出时才将RESET置为0;RESET为0后的8个MCLK时钟周期可在DAC的输出端观察到波形。
AD9833写入数据到输出端得到响应,其有一段内在的延时,每次给频率或相位寄存器加载新的数据,都会有8个MCLK时钟周期的延时,之后输出端的波形才会产生改变,另有1个MCLK时钟周期的不确定性,因为数据加载到目的寄存器时,MCLK的上升沿位置不确定。由于时钟频率选为25Mhz,所以延时几十个时钟周期相对于发动机转速的变化,可以忽略不计。
AD9833内部有5个寄存器,其中包括3个16位控制寄存器,2个28bit频率寄存器和2个12bit相位寄存器。AD9833中的16位控制寄存器供用户设置所需的功能。除模式选择位外,其他所有控制位均在内部时钟MCLK的下沿被AD9833读取并动作要更改AD9833控制寄存器的内容,D15和D14位必须均为0。
AD9833包含2个频率寄存器和2个相位寄存器,其模拟输出为
。其中:FREQREG为所选频率寄存器中的频率字,相位寄存器计算公式为:
,其中PHASEREG为所选相位寄存器中的相位字[3]。
3 系统硬件电路设计
3.1 DDS波形生成电路
AD9833与FPGA NIOS-II系统的SPI接口无缝连接,使得操作简洁,由AD9833 CLK脚输入25Mhz时钟信号,AD9833在几个去耦电容配合下就可以很好的工作。
3.2 信号放大功率输出级
AD9833输出的幅值为0.3V,所以必须得进行放大供给后面的功率放大器,利用LM358运算放大器,经过16倍的放大后,幅值达到4.8V,通过电容输出为交流信号。由于输出变压器在直流情况下饱和的问题,所以在此选用正负电源的推挽电路,此互补推挽电路没有电压增益,只有电流增益,通过两只IN4148二极管对2SC1815和2SA1015进行偏置,使其工作状态在B-Class,消除了开关失真,使输出的正弦波频谱更加纯净,功率消耗为100mW。变压器初级:次级比为1:3。这样输出信号幅度达到12V。
3.3 电源电路
整个电路功率主要消耗在功率放大级,两路消耗200mW,其它电路消耗不到150mW,所以在此选用5W电源,电源由28V转换成正负5V给电源供电。单片机与AD9833需要3.3V供电,采用LM1117-3.3V把5V电压变成3.3V。在电源28V输入接口加入了整流桥,这样可以防止电源极性接错而损坏设备,方便了现场测试。
4 结束语
本文给出了所开发的基于DDS 芯片AD9833 的信号发生器,对其在不同频率下的输出进行了测试,频率输出范围可达10～100KHz,频率总稳定度在。实验结果表明,所设计的信号发生器结构简单,电气隔离性强,已应用于超转试验中。
参考文献:
[1] 王博,谢利理,曹波.飞机刹车半实物仿真机轮速度信号模拟装置的设计[J].测控技术,2010,29(1):84-86.
[2] 孙群,宋卿.基于DDS技术的便携式波形信号发生器[J].仪表技术与传感器,2009,(4):67-70.
[3] 张美仙,王红亮,丁海飞.基于DDS芯片的信号源设计[J].仪表技术与传感器,2010,(9):54-56.
作者简介:刘彤军(1970-),男,高级工程师,研究方向:管控一体化。