電磁無(wú)損檢測中信號發(fā)生器的設計與實(shí)現
加入技術(shù)交流群
摘要：在電磁無(wú)損檢測系統中，信號頻率及其穩定性對檢測效果影響很大，為了解決該難題，文中給出了一種應用DDS技術(shù)設計的新型信號發(fā)生器解決方案。該信號發(fā)生器具有頻率精度高、穩定性好、分辨率高的特點(diǎn)，有利于提高電磁無(wú)損檢測的效果。
關(guān)鍵詞：電磁無(wú)損檢測；信號發(fā)生器；直接數字頻率合成
電磁無(wú)損檢測（如渦流）是基于電磁感應原理的無(wú)損檢測技術(shù)。當載有交變電流的檢測線(xiàn)圈靠近導體時(shí)，由于交變電流在周?chē)臻g中會(huì )產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，因而在被測試件（導體）表面產(chǎn)生趨膚效應并感應出交變電流。通過(guò)優(yōu)化設計可使被測試件表面電流達到均勻分布，從而使周?chē)艌?chǎng)也達到均勻，而當被測試件表面有缺陷時(shí)，電流就會(huì )發(fā)生畸變，均勻磁場(chǎng)隨之發(fā)生變化，這樣，直接或間接測量出該磁場(chǎng)的變化，就能檢測試件的缺陷。雖然人們在電磁無(wú)損檢測方面已取得了許多進(jìn)展，但仍有許多不盡人意之處，其中一個(gè)重要的因素便是檢測系統信號的穩定性，這一點(diǎn)對測量結果會(huì )產(chǎn)生嚴重的影響。因為信號發(fā)生電路是整個(gè)檢測系統的信號源，它的信號頻率是否穩定將對整個(gè)檢測系統的工作起十分關(guān)鍵的作用，信號頻率不穩定會(huì )給信號的后續處理帶來(lái)極大的困難，甚至使電磁檢測難以進(jìn)行。為了解決上述問(wèn)題，筆者應用ＤＤＳ技術(shù)設計了一個(gè)高穩定性信號發(fā)生器。
１ ＤＤＳ的工作原理
直接數字合成（ＤＤＳ－Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新的頻率／波形合成技術(shù)。該技術(shù)具有頻率分辨率高、轉換速度快、信號純度高、相位可控、輸出信號無(wú)電流脈沖疊加、輸出可平穩過(guò)渡且相位保持連續變化等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)在通訊、雷達、ＧＰＳ、蜂窩基站、圖像處理及ＨＤＴＶ等領(lǐng)域得到了廣泛應用。
該技術(shù)是根據奈奎斯特取樣定理，從連續信號的相位Φ出發(fā)，對一個(gè)正弦信號進(jìn)行取樣、量化、編碼，然后將形成的正弦函數表存入ＲＯＭ／ＲＡＭ中，合成時(shí)則通過(guò)改變相位累加器的頻率控制字來(lái)改變相位增量，相位增量不同將導致一個(gè)周期內取樣點(diǎn)數的不同。因角頻率ω＝△φ△ｔ，故可在取樣頻率不變的情況下，通過(guò)改變相位累加器頻率控制字的方法將這種變化的相位／幅值量化為數字信號，然后通過(guò) Ｄ／Ａ變換和低通濾波即可得到相位變化的合成模擬信號頻率。
圖2
圖１是ＤＤＳ的基本原理框圖，它主要由四部分組成，第一部分為相位累加器，用于決定輸出信號頻率的范圍和精度；第二部分為正弦函數功能表（波形存儲器），用于存儲經(jīng)量化和離散后的正弦函數的幅值；第三部分為Ｄ／Ａ轉換，可產(chǎn)生所需的模擬信號；第四部分為低通濾波，用來(lái)減少量化噪聲、消除波形尖峰。參考頻率源是一個(gè)高穩定度的晶體振蕩器，用以同步 ＤＤＳ中各部件的工作，因此，ＤＤＳ輸出的合成信號的頻率穩定度和晶體振蕩器是一樣的。從原理上還可看出，它是用高穩定的固定時(shí)鐘頻率來(lái)對所要合成的信號進(jìn)行相位取樣的，單位時(shí)間內取樣量越大，則合成的頻率越低。取樣量的大小由可程控的頻率設定數據決定。
２ DDS芯片AD7008的結構原理
ＡＤ７００８為單片ＤＤＳ集成芯片，其結構如圖２所示。該器件內含３２位相位累加器、正余弦查找表及１０位ＤＡＣ的ＤＤＳ調制器，時(shí)鐘頻率可達２０～５０ＭＨｚ；還內含兩個(gè)１０位乘法器、２０位ＩＱＭＯＤ寄存器及１２位相位寄存器。除了可合成正弦波外，還可實(shí)現調頻、調相、調幅及數字解調，同時(shí)提供了可與微機接口的并行和串行接口。
由于ＡＤ７００８的相位累加器為３２位，故２π＝２３２，則△ｐｈａｓｅ必須在０≤△ｐｈａｓｅ≤２３２－１的范圍內，每一時(shí)鐘周期，３２位累加器累加一個(gè)相位階距，輸出頻率ｆｏｕｔ為：
ｆｏｕｔ＝△ｐｈａｓｅｆｃｌｏｃｋ／２ ３２
式中，ｆｃｌｏｃｋ是參考頻率。實(shí)際使用中，ｆｏｕｔ的上限?。妫悖欤铮悖氲模矗埃ィ紤]到相位噪聲和雜散信號干擾 ）?即△ｐｈａｓｅ上限?。埃矗玻常??！鳎穑瑁幔螅蹇赏ㄟ^(guò)控制ＦＳＥ-ＬＥＣＴ從ＦＲＥＱ０、ＦＲＥＱ１中選擇。盡管ＡＤ７００８包含有３２位相位累加器，但其輸出僅為１２位，因此沒(méi)有必要也不可能用３２位的分辨率。１２位的相位數據經(jīng)查詢(xún)可轉換成１０位幅度信號。如果不要求調幅，ＩＱ乘法器可以被旁路（ＣＲ２＝０），而將正弦信號幅值直接送往ＤＡＣ電路。通過(guò)外電阻Ｒｓｅｔ可對ＤＡＣ滿(mǎn)量程輸出電流進(jìn)行調節，公式如下：
Ｉｏｕｔ(ｍＡ)＝６２３３Ｖｒｅｆ(Ｖ)／Ｒｓｅｔ(Ω)
圖4
３ 軟硬件實(shí)現
應用ＤＤＳ技術(shù)設計的信號發(fā)生器的原理框圖如圖３。它主要由單片機８９Ｃ５２、ＤＤＳ芯片ＡＤ７００８ＡＰ２０、６階橢圓低通濾波器、乘法型Ｄ／Ａ轉換器ＡＤ７５２４、功率放大電路以及正交信號形成電路組成。該信號發(fā)生器的工作過(guò)程如下：
(１)對ＡＤ７００８芯片初始化，選擇總線(xiàn)方式；
(２)通過(guò)鍵盤(pán)或上位ＰＣ機的串口輸入信號頻率和幅值；
(３)用單片機計算并得到頻率和幅值的控制字，然后通過(guò)ＡＤ７００８的ＭＰＵ接口裝入３２位并行寄存器中，并行寄存器中命令數據在裝載指令（ＬＯＡＤ）及命令信號 （ＴＣ０～ＴＣ３）的作用下裝入相應的寄存器中，ＤＤＳ開(kāi)始工作。
(４)幅值調整。通過(guò)控制ＡＤ７５２４來(lái)改變ＡＤ７００８的１０位數模轉換器參考電壓，以實(shí)現輸出幅值控制。
８９Ｃ５２和ＡＤ７００８的接口電路如圖４所示。圖中?８９Ｃ５２的Ｐ０口和ＡＤ７００８的Ｄ０～Ｄ７相連。由于８９Ｃ５２是８位單片機，故ＡＤ７００８的Ｄ８～Ｄ１５接地。同時(shí)，Ｐ０．０～Ｐ０．３和ＡＤ７００８的ＴＣ０～ＴＣ３相連。用３－８譯碼器決定數據傳送到數據總線(xiàn)還是傳送到控制總線(xiàn)。Ｐ１．０可用來(lái)控制ＡＤ７００８的復位。２０ＭＨｚ的有源晶振可為ＡＤ７００８提供時(shí)鐘。Ｄ／Ａ轉換器ＡＤ７５２４和ＡＤ７００８的ＦＳ ＡＤＪ相連，可用于控制滿(mǎn)量程輸出幅度。由于ＡＤ７００８是電流輸出，輸出阻抗為５０Ω，因此電路中設計了電流電壓轉換器，用以實(shí)現電流／電壓轉換。
３．２ 橢圓低通濾波器設計
ＡＤ７００８輸出端有一個(gè)１０位的Ｄ／Ａ變換器。由于輸出的合成信號是階梯狀的，帶有很豐富的高次頻譜分量，因此必須將它們?yōu)V除，以得到頻譜純凈的正弦波輸出。通常要求濾波器的衰減特性要陡直，延遲時(shí)間要短。在常用的巴特沃斯、切比雪夫和橢圓濾波器中，橢圓濾波器以其良好的通帶和阻帶特性受到偏愛(ài)，因此，本系統在設計時(shí)采用６階橢圓低通濾波器。
本設計從直流到５ＭＨｚ處的最大波紋為０．２５ｄＢ，在５．５ＭＨｚ處最小衰減為６０ｄＢ，Ｒｓ＝Ｒｌ＝９００Ω，圖５是根據橢圓函數低通濾波器的設計方法設計的濾波器電路及Ｍａｔｌａｂ仿真波形。
ＡＤ７００８的輸出信號一路經(jīng)功率放大后輸出，另一路信號作為參考信號經(jīng)方波轉換電路形成方波。然后通過(guò)正交信號形成電路即可獲得兩個(gè)正交的方波信號以作為電磁無(wú)損檢測信號的參考信號輸入。該電路由集成鎖相環(huán)４０４６和兩片７４Ｆ７４組成，其原理圖如圖６所示。鎖相環(huán)是一個(gè)相位自動(dòng)跟蹤的負反饋系統。鑒相器可將輸入和輸出反饋信號的相位差轉換成脈沖寬度信號，并經(jīng)低通濾波器平滑后產(chǎn)生直流電壓信號去控制壓控振蕩器，以使輸入和輸出準確同頻同相。
３．４ 軟件實(shí)現
該系統的軟件設計主要由三個(gè)部分組成：ＬＣＤ驅動(dòng)程序、鍵盤(pán)輸入處理程序、ＡＤ７００８驅動(dòng)程序。系統的總體軟件流程圖如圖７所示。
４ 結束語(yǔ)
結合ＤＤＳ技術(shù)和單片機控制技術(shù)設計的信號發(fā)生器硬件結構簡(jiǎn)單，編程控制也比較方便。和傳統的模擬信號發(fā)生器相比，該信號發(fā)生器頻率精度高、相位精確可控、硬件簡(jiǎn)單。因此在許多對信號頻率穩定性和分辨率要求較高的場(chǎng)合得到廣泛的應用。
------------
評論