基于FPGA和DDS技术的涡流信号源

摘 要 ：介绍一种基于FPGA和DDS技术的涡流信号源.利用FPGA芯片、D/A转换器、滤波电路、幅度放大电路和功率放大电路,设计了一个参数可调的涡流信号源.该涡流信号源精度高,性能稳定,操作方便,能满足涡流检测系统需求.

关 键 词 ：现场可编程门阵列（FPGA）；直接数字频率合成 （DDS）；涡流；信号源

中图分类号：TP346 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2115-02

涡流检测技术是无损检测的重要方法之一,涡流信号源做为涡流检测系统的探头检测激励信号,它的性能直接影响到涡流检测系统的检测效果.一些传统的涡流信号源产生的方法,尽管电路实现比较简单,但频率精度和稳定度并不是很理想.随着数字集成电路、微电子技术和EDA技术的深入研究,利用FPGA和DDS技术设计的涡流信号源以其优越性能和灵活性特点,成为现代涡流检测系统信号源的重要方法.所谓DDS（Direct Digital Frequency Synthesis）,即直接数字频率合成技术,它是20世纪80年代初发展起来的一种新的数字式波形产生方法.而现场可编程门阵列（FPGA）以其丰富的逻辑资源和灵活的可编程方式,正好为DDS提供了强大的硬件基础,让性能优越的涡流信号源得以实现.

1.DDS基本原理与设计

DDS的基本原理是利用奈奎斯特采样定理,将周期性正弦波幅值以等量的相位间隔进行抽样,得到对应的周期性离散的幅值序列,把该序列存储在波形寄存器ROM中,通过查表法产生需要的波形.DDS由加法器、相位寄存器、波形存储ROM、DA转换器和低通滤波器LPF构成.DDS的基本的结构如图2.1.每来一个参考时钟fC,加法器将频率控制字K与相位寄存器输出的累加相位数据相加.相位寄存器将在上一个参考时钟fC所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端,以使加法器在下一个参考时钟继续与频率控制字相加.这样,加法器在时钟作用下,不断对频率控制字进行线性相位累加.相位寄存器输出的数据就是合成信号的相位,相位寄存器的溢出频率就是DDS输出的信号频率.用相位寄存器输出的数据作为波形存储器ROM的相位取样地址,这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值经查找表查出,完成相位到幅值转换.通过D/A转换器将数字量形式的波形幅值转换成所对应频率的模拟信号.低通滤波器用于滤除不需要的取样分量,以便输出频谱纯净的正弦波信号.其输出频率为fo等于Kfc/2N.当频率控制字K与参考时钟fC固定时,输出频率仅仅取决于频率控制字K的值[1].当频率控制字K等于1时,DDS产生的频率最低,即频率的分辨率为fl等于fc/2N.而DDS所能产生的最高频率则由奈奎斯特采样定理决定,即fh等于fc/2.但实际中为了尽量保持波形的质量并没取这么高,而是采用提高参考时钟fC的方法满足更高频率.

本设计中,频率控制字K、相位寄存器、加法器的位数取32位.波形存储器深度取4096,即地址位数为12位,波形抽样值为10位.参考时钟频率为80MHz.这样系统产生的最低频率f l等于0.0186Hz,满足涡流检测信号源最低频率50Hz以及分辨率的要求.产生的最高频率fh等于40MHz,同样能满足涡流信号源设计最高频率为10MHz的要求.

2.FPGA设计

本设计FPGA程序采用VHDL语言,使用Quartues进行编程,程序设计包含三个部分：累加器、寄存器和ROM查找表,分别由三个进程实现[2].adder32b进程：clk上升沿,将频率控制字fre_word做相位累加；reg32b进程：在clk上升沿,将累加值付给adder32b,并取累加结果的高12位用于ROM表的地址；romsin进程：在clk上升沿,按照adder32b进程提供的地址寻址,并将查找的结果输出.设计的RTL图如图2.

3.硬件电路原理

FPGA输出波形数据后,必须经过DA转换再把信号功率放大才足够驱动涡流检测探头.如图4.1所示,主要电路包括D/A转换电路,I/V转换电路,信号放大电路,输出缓冲功率放大电路.D/A转换电路采用165MSPS的高速DA芯片AD9740对FPGA输出的波形数据进行数字模拟转换,使波形变成模拟信号.由于AD9740输出为电流型,采用电压反馈型的高速运算放大器AD8047进行电流电压转换,构成的I/V转换电路.为了提高信号的幅度和保证带宽要求,采用宽带高速运算放大器AD8021组成电压放大电路,对AD8047输出的信号进行放大,达到涡流信号源所需电压幅度.然而,电压幅度是达到了要求,但是输出功率仍然不够,这样就需要再做一级功率放大.这里采用LME49600芯片对实现功率放大电路,LME49600输出电流为250mA,带宽为110MHz,能满足涡流信号源所需的高频大功率要求.

4.结束语

介绍了一种基于FPGA和DDS技术的涡流信号源的设计和实现方法,并进行了设计原理介绍,软件设计思路和设计结果介绍,硬件电路设计分析.设计电路简单,输出信号频率精度高和性能稳定,满足了现代涡流检测仪器对涡流信号源的要求.