電磁無損檢測中信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)
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摘要：在電磁無損檢測系統(tǒng)中，信號頻率及其穩(wěn)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(yīng)用DDS技術(shù)設(shè)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(wěn)定性好、分辨率高的特點，有利于提高電磁無損檢測的效果。
關(guān)鍵詞：電磁無損檢測；信號發(fā)生器；直接數(shù)字頻率合成
電磁無損檢測（如渦流）是基于電磁感應(yīng)原理的無損檢測技術(shù)。當載有交變電流的檢測線圈靠近導(dǎo)體時，由于交變電流在周圍空間中會產(chǎn)生交變磁場，因而在被測試件（導(dǎo)體）表面產(chǎn)生趨膚效應(yīng)并感應(yīng)出交變電流。通過優(yōu)化設(shè)計可使被測試件表面電流達到均勻分布，從而使周圍磁場也達到均勻，而當被測試件表面有缺陷時，電流就會發(fā)生畸變，均勻磁場隨之發(fā)生變化，這樣，直接或間接測量出該磁場的變化，就能檢測試件的缺陷。雖然人們在電磁無損檢測方面已取得了許多進展，但仍有許多不盡人意之處，其中一個重要的因素便是檢測系統(tǒng)信號的穩(wěn)定性，這一點對測量結(jié)果會產(chǎn)生嚴重的影響。因為信號發(fā)生電路是整個檢測系統(tǒng)的信號源，它的信號頻率是否穩(wěn)定將對整個檢測系統(tǒng)的工作起十分關(guān)鍵的作用，信號頻率不穩(wěn)定會給信號的后續(xù)處理帶來極大的困難，甚至使電磁檢測難以進行。為了解決上述問題，筆者應(yīng)用ＤＤＳ技術(shù)設(shè)計了一個高穩(wěn)定性信號發(fā)生器。
１ ＤＤＳ的工作原理
直接數(shù)字合成（ＤＤＳ－Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）是近幾年發(fā)展起來的一種新的頻率／波形合成技術(shù)。該技術(shù)具有頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、信號純度高、相位可控、輸出信號無電流脈沖疊加、輸出可平穩(wěn)過渡且相位保持連續(xù)變化等優(yōu)點。近年來在通訊、雷達、ＧＰＳ、蜂窩基站、圖像處理及ＨＤＴＶ等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
該技術(shù)是根據(jù)奈奎斯特取樣定理，從連續(xù)信號的相位Φ出發(fā)，對一個正弦信號進行取樣、量化、編碼，然后將形成的正弦函數(shù)表存入ＲＯＭ／ＲＡＭ中，合成時則通過改變相位累加器的頻率控制字來改變相位增量，相位增量不同將導(dǎo)致一個周期內(nèi)取樣點數(shù)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(shù)字信號，然后通過 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(shù)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(shù)的幅值；第三部分為Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換，可產(chǎn)生所需的模擬信號；第四部分為低通濾波，用來減少量化噪聲、消除波形尖峰。參考頻率源是一個高穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定的固定時鐘頻率來對所要合成的信號進行相位取樣的，單位時間內(nèi)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(shè)定數(shù)據(jù)決定。
２ DDS芯片AD7008的結(jié)構(gòu)原理
ＡＤ７００８為單片ＤＤＳ集成芯片，其結(jié)構(gòu)如圖２所示。該器件內(nèi)含３２位相位累加器、正余弦查找表及１０位ＤＡＣ的ＤＤＳ調(diào)制器，時鐘頻率可達２０～５０ＭＨｚ；還內(nèi)含兩個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，還可實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅及數(shù)字解調(diào)，同時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(nèi)，每一時鐘周期，３２位累加器累加一個相位階距，輸出頻率ｆｏｕｔ為：
ｆｏｕｔ＝△ｐｈａｓｅｆｃｌｏｃｋ／２ ３２
式中，ｆｃｌｏｃｋ是參考頻率。實際使用中，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^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，因此沒有必要也不可能用３２位的分辨率。１２位的相位數(shù)據(jù)經(jīng)查詢可轉(zhuǎn)換成１０位幅度信號。如果不要求調(diào)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。通過外電阻Ｒｓｅｔ可對ＤＡＣ滿量程輸出電流進行調(diào)節(jié)，公式如下：
Ｉｏｕｔ(ｍＡ)＝６２３３Ｖｒｅｆ(Ｖ)／Ｒｓｅｔ(Ω)
圖4
３ 軟硬件實現(xiàn)
應(yīng)用ＤＤＳ技術(shù)設(shè)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(zhuǎn)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)生器的工作過程如下：
(１)對ＡＤ７００８芯片初始化，選擇總線方式；
(２)通過鍵盤或上位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ＡＤ７００８的ＭＰＵ接口裝入３２位并行寄存器中，并行寄存器中命令數(shù)據(jù)在裝載指令（ＬＯＡＤ）及命令信號 （ＴＣ０～ＴＣ３）的作用下裝入相應(yīng)的寄存器中，ＤＤＳ開始工作。
(４)幅值調(diào)整。通過控制ＡＤ７５２４來改變ＡＤ７００８的１０位數(shù)模轉(zhuǎn)換器參考電壓，以實現(xiàn)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，Ｐ０．０～Ｐ０．３和ＡＤ７００８的ＴＣ０～ＴＣ３相連。用３－８譯碼器決定數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)總線還是傳送到控制總線。Ｐ１．０可用來控制ＡＤ７００８的復(fù)位。２０ＭＨｚ的有源晶振可為ＡＤ７００８提供時鐘。Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器ＡＤ７５２４和ＡＤ７００８的ＦＳ ＡＤＪ相連，可用于控制滿量程輸出幅度。由于ＡＤ７００８是電流輸出，輸出阻抗為５０Ω，因此電路中設(shè)計了電流電壓轉(zhuǎn)換器，用以實現(xiàn)電流／電壓轉(zhuǎn)換。
３．２ 橢圓低通濾波器設(shè)計
ＡＤ７００８輸出端有一個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，因此，本系統(tǒng)在設(shè)計時采用６階橢圓低通濾波器。
本設(shè)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(jù)橢圓函數(shù)低通濾波器的設(shè)計方法設(shè)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(zhuǎn)換電路形成方波。然后通過正交信號形成電路即可獲得兩個正交的方波信號以作為電磁無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)是一個相位自動跟蹤的負反饋系統(tǒng)。鑒相器可將輸入和輸出反饋信號的相位差轉(zhuǎn)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 軟件實現(xiàn)
該系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由三個部分組成：ＬＣＤ驅(qū)動程序、鍵盤輸入處理程序、ＡＤ７００８驅(qū)動程序。系統(tǒng)的總體軟件流程圖如圖７所示。
４ 結(jié)束語
結(jié)合ＤＤＳ技術(shù)和單片機控制技術(shù)設(shè)計的信號發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)簡單，編程控制也比較方便。和傳統(tǒng)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、硬件簡單。因此在許多對信號頻率穩(wěn)定性和分辨率要求較高的場合得到廣泛的應(yīng)用。
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