任意激励波形的涡流检测系统设计

          涡流检测是一种重要的无损检测技术。随着质量监控的要求越来越严格,对涡流检测也提出了更高的要求,其中激励信号的稳定性和灵活性对当今乃至今后仪器的发 展起着关键的作用。常规涡流检测采用模拟振荡器或锁相环压控晶体振荡器产生正弦波,经功率放大后驱动激励线圈。由于模拟元件自身性质的限制,输出信号的稳 定性不高,且缺乏输出频率调节的灵活性。近年来,脉冲涡流检测发展迅速,它在层间或次表面缺陷的定量检测和评估方面表现出来的潜在优势已得到研究人员的高 度重视[1]。通常脉冲涡流多采用重复的宽带脉冲作为激　　励信号。随着涡流检测的发展,尖波或其它波形也可能作为激励信号而付诸应用。针对该种情况笔者 采用基于查找表的直接数字合成(Direct DigitalSynthesizer,简称DDS)原理研发了具有任意波形激励功能的涡流信号源。

　　DDS是近几年来发展的一种频率或波形合成方法,具有频率分辨率高、转换速度快、信号纯度高、相位可控、无脉冲电流叠加、输出信号过渡平稳以及 相位保持连续变化等优点,在通讯、雷达和IC(Inte2grated Circuit)测试等领域得到了广泛应用[2,3]。实现DDS的主要方法有专用IC (如AD7008和AD9854)、模拟延迟线、Δ∑调制以及具有可重构的FPGA(Field Programmable Gate Array)方式等。FPGA相对于专用IC具有更高的灵活性,因此基于FPGA的DDS应用越来越多[4,5]。文献[6]提出改进频率准确度的一些方 法;文献[7]对输出信号纯净　　度改善方法进行研究。另外基于FPGA直接生成sin或cos值的CORDIC (Coordinate Rotation　Digital Computer)算法得到了较多的研究,采用并行流水线、混合尺度等方法来提高速度和准确度[8-10]。CORDIC算法实现时,由于要进行迭代运算 并需要对幅值进行比例因子校正,增加了计算的复杂性,同时要求系统有高的计算速度,即使采用并行流水线技术改善的程度也不大。

　　在数字信号处理中,CPU适合于实现算法复杂、数据量低的场合;FPGA更适合于实现算法简单而数据量大的情况。因此,笔者根据CPU和 FPGA的特点将算法分解,CPU计算波形幅值并将幅值量化成一定字长整数,FPGA完成时序控制逻辑和数据输出,两者协同实现任意波形激励。

　　1　基于DDS原理的任意波形算法

　　根据式(1)和(2)可得在输出频率fout=1 MHz时的系统误差εout与N和fClk的关系见表1

　　从表1可见,DDS系统的输出频率误差随PA的字长N和系统时钟频率fout的增加而减少,其中PA的影响较大,是决定系统准确度的主要因素。波形查找表的位数Vol与幅值量化位数m、PA字长N的关系如下