DDS在振动计量校准中的应用

　　0　引　　言

　　振动测量一直是工程技术界非常重视的课题,尤其航空航天、动力机械、交通运输、土木建筑和能源工业等领域。为了确保计量校准的真实性,振动计量 需要用模拟振动量对被校振动器具进行校准,产生的模拟振动通常为正弦振动。对于提供产生模拟振动的信号源,以前振动实验室多采用的是传统的模拟信号源,如 无线电二厂的XO10等,其频率、幅度调整起来比较麻烦,且频率和幅度准确度等级不高。目前大部分实验室采用安捷伦的信号发生器,其性能比较好,但价格较 贵,并且振动测量只需使用其部分功能。为了满足振动常规测量对信号源高性价比的要求,本文利用ADI公司的AD9852直接数字频率合成器件(DDS)自 行研制了信号源,此信号源可输出失真度小,频率、幅值稳定的正弦信号,能够满足振动计量校准的要求。

　　1　系统的硬件设计

　　直接数字频率合成器(DDS)是在高速存储器中放入正弦函数-相位数据表格,经过查表操作,将读出的数据送到高速DAC产生正弦波。 AD9852是美国AnalogDevices公司生产的直接数字频率合成器,具有频率转化速度快、分辨率高、相位连续、频谱纯度高、工作温度范围宽和集 成度高等特点。它的工作电压为3.3 V,片内有4~20倍可编程时钟乘法电路,系统最高时钟可达300 MHz,输出频率可达120 MHz,频率转化速度小于1μs。AD9852内部有12位D/A转化器、48位可编程频率寄存器和14位可编程相位寄存器,具有12位振幅调谐功能,能 产生频率、相位、幅度可编程控制的高稳定模拟信号[1]。在频率变换时,相位连续,而且没有附加的电流,输出是一个平稳的过渡过程,这点对于振动校准尤为 重要,如果在信号源变换频率时,信号源的输出电流发生变化,信号通过功率放大器后去驱动振动台,会引起激励振动台的电流发生变化,从而导致振动台输出的位 移发生改变,见下式[2]:

　　式中:S为振动台的位移,B为磁感应强度,Isin(ωt)为通过振动台动圈的电流,M为振动台动圈的质量。振动台输出的最大位移是固定的,如果超出它的最大位移,可能会引起振动台的损坏。

　　本文通过2种方式实现对AD9852的控制,一种是使用键盘和液晶显示屏,通过人机对话进行控制,另一种是通过计算机的串口对其进行控制。设计 框图如图1所示。键盘由上、下、左、右4个键完成所有功能的设置,采用16×1的字符型液晶显示屏来显示要设置的参数和参数值。AD9852是单电源供 电,经过初始化后,输出接50Ω负载,输出250 mV直流电平,给AD9852频率控制字,输出的正弦信号默认峰-峰值为500 mV。在振动测量中,直流分量会引起振动台平衡位置的改变。为了不影响振动台的平衡位置,需要将信号的零点降到参考地,所以在电路设计中,为了保证低频信 号,没有采用隔直电路,而是增加了一个减法器作为调零偏置电路,使输出信号减去一个比较稳定的250 mV的直流信号,从而AD9852一上电就进行初始化,使输出信号的零点降到参考地。AD9852产生的信号是经过DAC输出的电流信号,其输出带有一定 的杂散成分,通过9阶椭圆滤波器,可以得到一个纯净的正弦信号。在电路后端增加了功率放大电路,使信号被放大并具有一定的带负载能力。