基于FPGA的表面波电磁声发射系统脉冲形成电路设计

　　0　前言

　　在无损检测技术中，超声检测技术具有适用性广、探伤灵敏度高、检测深度大、使用方便和安全性高等优点，是目前应用最广泛、使用频度最高的无损检测之一。 应用范围几乎涵盖到各个工业部门。但检测超声的频率较高，在空气中衰减很大，常规的超声探头和试件接触时必须采用耦合剂，辅助工时较长。 电磁超声检测是一种非接触式的、利用电磁耦合在导体中产生超声波的方法，特别适合对移动着的工件、高温状态下的工件进行检测。 在常规超声难以产生或效率很低的水平剪切波和表面波的应用领域中，如火车车轮踏面裂纹、输油管道在役检测和薄钢板的缺陷检测方面，电磁超声传感器占据一席之地。

　　表面波电磁超声传感器需要脉冲串电流激励。应用 FPGA 技术开发出的电磁超声发射系统的脉冲信号发生器具有产生信号稳定、信号频率可现场改变、实现多通道并行输出等诸多优点，减少了检测盲区。

　　1　基于FPGA的可调脉冲信号发生器的设计

　　1.1信号发生器的设计要求

　　本设计以 Xilinx 公司生产的 XC2S200-PQ208芯片为核心，该芯片具有最高 200MHz 的工作频率，设计有 16 通道脉冲信号同时输出功能(最大输出通道可达上百个)， 且单个通道的脉冲信号频率可改变，信号频率调节范围从 20~5 MHz(若选用更高级的 FPGA 芯片，可得到更高的频率)。 用 5 个数码键作为信号设置和调节输入端, 可在现场通过键盘来设定和改变其中任一路信号输出端的频率，并可通过键盘来改变任一端脉冲信号的占空比。 并有相应的显示模块， 实时显示各个通道输出信号的频率、占空比、脉冲串长度，以便于各个通道参数的设置、查询。

　　1.2信号发生器的设计原理

　　FPGA 的一个最显著的特点就是具有数据的并行处理功能，可以把信号发生器分为键盘输入控制模块、数据显示模块和信号发生模块。 各个模块并行工作，互不影响，各个模块间通过信号变量的传递进行通信。 下面重点介绍信号发生模块的工作原理：

　　设定键盘输入控制模块传递给信号发生模块 4个变量：通道数 N、脉冲信号频率 f、脉冲信号占空比D 和脉冲串长度 L。

　　电路中的各种信号需要由晶振信号 CLK 产生。驱动信号之间的时序逻辑关系通过对 CLK 分频后的时钟的边沿触发、 同步或异步形式记数来实现，所以，只要改变触发脉冲、触发条件和计数器大小等，就可以改变信号的时序、频率、脉宽及其占空比。 XC2S200-PQ208 芯片的工作频率，也就是 CLK的频率为 200 MHz。 所以其周期 T=5 ns。 假设需要　　产生以 10 ms 为周期的脉冲串， 就是在 10 ms 内连续产生 10 个频率为 f 的脉冲， 在 10 个脉冲以外的时间里输出为低电平。确定单个脉冲的高低电平分别所用的时间:根据键盘模块输入的脉冲信号频率 f， 可求出所求单个脉冲信号的周期 T2=1/f。 由 CLK 周期 T 和脉冲信号周期 T2可求得分频系数 X=T2/ T(X≥40)。 结合键盘模块所设定的脉冲信号占空比， 可得出单个脉冲信号中高电平部分所用的系统信号周期个数 n1=XD，低电平部分所用系统信号的周期个数为 n2=X-n1。