電磁無(wú)損檢測(cè)中信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：在電磁無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)頻率及其穩(wěn)定性對(duì)檢測(cè)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(jì)的新型信號(hào)發(fā)生器解決方案。該信號(hào)發(fā)生器具有頻率精度高、穩(wěn)定性好、分辨率高的特點(diǎn)，有利于提高電磁無(wú)損檢測(cè)的效果。

關(guān)鍵詞：電磁無(wú)損檢測(cè)；信號(hào)發(fā)生器；直接數(shù)字頻率合成

電磁無(wú)損檢測(cè)（如渦流）是基于電磁感應(yīng)原理的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線圈靠近導(dǎo)體時(shí)，由于交變電流在周圍空間中會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，因而在被測(cè)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(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)可使被測(cè)試件表面電流達(dá)到均勻分布，從而使周圍磁場(chǎng)也達(dá)到均勻，而當(dāng)被測(cè)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(cè)量出該磁場(chǎng)的變化，就能檢測(cè)試件的缺陷。雖然人們?cè)陔姶艧o(wú)損檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)信號(hào)的穩(wěn)定性，這一點(diǎn)對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因?yàn)樾盘?hào)發(fā)生電路是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)源，它的信號(hào)頻率是否穩(wěn)定將對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的工作起十分關(guān)鍵的作用，信號(hào)頻率不穩(wěn)定會(huì)給信號(hào)的后續(xù)處理帶來(lái)極大的困難，甚至使電磁檢測(cè)難以進(jìn)行。為了解決上述問(wèn)題，筆者應(yīng)用ＤＤＳ技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)高穩(wěn)定性信號(hào)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(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(zhuǎn)換速度快、信號(hào)純度高、相位可控、輸出信號(hào)無(wú)電流脈沖疊加、輸出可平穩(wěn)過(guò)渡且相位保持連續(xù)變化等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)在通訊、雷達(dá)、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(hào)的相位Φ出發(fā)，對(duì)一個(gè)正弦信號(hào)進(jìn)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(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(dǎo)致一個(gè)周期內(nèi)取樣點(diǎn)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(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(shù)字信號(hào)，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(hào)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(hào)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(chǔ)器），用于存儲(chǔ)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(hào)；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(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(hào)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(shí)鐘頻率來(lái)對(duì)所要合成的信號(hào)進(jìn)行相位取樣的，單位時(shí)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(shí)鐘頻率可達(dá)２０～５０ＭＨｚ；還內(nèi)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(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅及數(shù)字解調(diào)，同時(shí)提供了可與微機(jī)接口的并行和串行接口。

圖２中，參考頻率ＣＬＯＣＫ為整個(gè)合成器的工作頻率，輸入的頻率字保存在頻率寄存器０或１中，經(jīng)３２位相位累加后，再和相移寄存器累加以得到內(nèi)部ＲＯＭ的地址，然后經(jīng)過(guò)內(nèi)部ＲＯＭ正弦波形表便可得到相應(yīng)的幅度值，最后經(jīng)過(guò)Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換和低通濾波器得到合成的正弦波。

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(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(hào)干擾 ）?即△ｐｈａｓｅ上限取０．４２３２。△ｐｈａｓｅ可通過(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(shù)據(jù)經(jīng)查詢可轉(zhuǎn)換成１０位幅度信號(hào)。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(hào)幅值直接送往ＤＡＣ電路。通過(guò)外電阻Ｒｓｅｔ可對(duì)ＤＡＣ滿量程輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，公式如下：

Ｉｏｕｔ(ｍＡ)＝６２３３Ｖｒｅｆ(Ｖ)／Ｒｓｅｔ(Ω)

圖4

３　軟硬件實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用ＤＤＳ技術(shù)設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器的原理框圖如圖３。它主要由單片機(jī)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(hào)形成電路組成。該信號(hào)發(fā)生器的工作過(guò)程如下：

(１)對(duì)ＡＤ７００８芯片初始化，選擇總線方式；

(２)通過(guò)鍵盤或上位ＰＣ機(jī)的串口輸入信號(hào)頻率和幅值；

(３)用單片機(jī)計(jì)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(shù)據(jù)在裝載指令（ＬＯＡＤ）及命令信號(hào) （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(guò)控制ＡＤ７５２４來(lái)改變ＡＤ７００８的１０位數(shù)模轉(zhuǎn)換器參考電壓，以實(shí)現(xiàn)輸出幅值控制。

３．１ ８９Ｃ５２和ＡＤ７００８接口設(shè)計(jì)

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(jī)，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(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(lái)控制ＡＤ７００８的復(fù)位。２０ＭＨｚ的有源晶振可為ＡＤ７００８提供時(shí)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(jì)了電流電壓轉(zhuǎn)換器，用以實(shí)現(xiàn)電流／電壓轉(zhuǎn)換。

３．２ 橢圓低通濾波器設(shè)計(jì)

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(hào)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(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用６階橢圓低通濾波器。

本設(shè)計(jì)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(jì)方法設(shè)計(jì)的濾波器電路及Ｍａｔｌａｂ仿真波形。

３．３ 正交信號(hào)形成電路設(shè)計(jì)

ＡＤ７００８的輸出信號(hào)一路經(jīng)功率放大后輸出，另一路信號(hào)作為參考信號(hào)經(jīng)方波轉(zhuǎn)換電路形成方波。然后通過(guò)正交信號(hào)形成電路即可獲得兩個(gè)正交的方波信號(hào)以作為電磁無(wú)損檢測(cè)信號(hào)的參考信號(hào)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(fù)反饋系統(tǒng)。鑒相器可將輸入和輸出反饋信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換成脈沖寬度信號(hào)，并經(jīng)低通濾波器平滑后產(chǎn)生直流電壓信號(hào)去控制壓控振蕩器，以使輸入和輸出準(zhǔn)確同頻同相。

３．４ 軟件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由三個(gè)部分組成：ＬＣＤ驅(qū)動(dòng)程序、鍵盤輸入處理程序、ＡＤ７００８驅(qū)動(dòng)程序。系統(tǒng)的總體軟件流程圖如圖７所示。

４　結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合ＤＤＳ技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程控制也比較方便。和傳統(tǒng)的模擬信號(hào)發(fā)生器相比，該信號(hào)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(duì)信號(hào)頻率穩(wěn)定性和分辨率要求較高的場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。

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