馬趙，任尚坤，楊梅芳
（南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，江西 南昌 330063）
摘要：激勵信號源是電磁超聲檢測系統(tǒng)的核心模塊之一，其輸出信號決定了電磁超聲檢測儀檢測的質(zhì)量。按照電磁超聲檢測系統(tǒng)對激勵源的要求，設(shè)計了相應(yīng)的正弦脈沖激勵源。該設(shè)計系統(tǒng)主要包括FPGA的硬件語言合成脈沖信號、D/A轉(zhuǎn)換、濾波放大、功率放大和阻抗匹配等硬件電路。該系統(tǒng)可輸出頻率、初始相位、占空比可調(diào)的脈沖正弦信號，滿足EMAT對激勵源的要求。可為設(shè)計便攜式的電磁超聲檢測儀提供借鑒。
關(guān)鍵詞：FPGA；電磁超聲檢測；信號源；硬件電路
中圖分類號：TG115.28文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.024
引用格式：馬趙，任尚坤，楊梅芳. 基于FPGA的電磁超聲脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2016,35（23）：83-85,89.
0引言
電磁超聲檢測技術(shù)（EMAT）是一種新興的無損檢測技術(shù)，與傳統(tǒng)的壓電式超聲檢測技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢。其具有無需耦合劑、非接觸性、能夠在高溫高壓等特殊環(huán)境中正常工作等優(yōu)點，將具有極大的潛在市場價值和廣闊的發(fā)展前景［1］。
電磁超聲檢測系統(tǒng)主要由激勵源、EMAT傳感器、接收信號處理系統(tǒng)3部分組成。EMAT傳感器由激勵探頭和接收探頭組成［1］。電磁超聲檢測原理可以概括為：高頻線圈中通過高頻高壓強電流的激勵脈沖信號，在外部偏置磁場作用下，在被測工件的表面或內(nèi)部產(chǎn)生不同的超聲波。其接收過程與激發(fā)過程互為逆過程，接收系統(tǒng)對探頭接收到的回波信號進(jìn)行處理，輸出到信號顯示端［2］。可以通過對有缺陷的回波信號和無缺陷的回波信號進(jìn)行觀察分析，來確定缺陷的位置和大小。
目前而言，EMAT還處于研發(fā)階段，激勵源的換能效率比較低，導(dǎo)致激發(fā)出的超聲波的信噪比較低。高質(zhì)量的激勵信號源是提高檢測效果的重要保證，本研究的目的是設(shè)計制造出高效可靠的電磁超聲激勵源系統(tǒng)［3］。
經(jīng)過查閱大量相關(guān)資料得到，通常采用PWM技術(shù)設(shè)計脈沖式信號發(fā)生器，但該方法輸出激勵信號存在易失真、諧波大、初始相位不穩(wěn)定等不足。本設(shè)計主要采用FPGA技術(shù)合成正弦脈沖信號，設(shè)計出可靠的脈沖信號發(fā)生器。
1硬件電路設(shè)計
整個硬件系統(tǒng)主要包括FPGA系統(tǒng)、AD轉(zhuǎn)換電路、低通濾波放大電路、隔離電路、功放電路、阻抗匹配電路等［4］，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。
(1)FPGA系統(tǒng)
本設(shè)計采用了Altera公司的cyclone II系列的EP2C8Q208C7可編程器件。該可編程器件功能強大，I/O端口豐富，輸入時鐘頻率理論上能達(dá)到200 MHz。本設(shè)計采用輸入時鐘為50 MHz的有源晶振提供系統(tǒng)時鐘信號。另外通過PLL程序設(shè)計，提高輸出數(shù)字信號的頻率，使之能夠達(dá)幾百千赫茲到幾兆赫茲，完全能夠合成滿足條件的脈沖正弦信號。
（2）D/A濾波放大電路的設(shè)計
在提高FPGA高速輸出數(shù)字信號的同時，也需要采用高采樣速度的并行D/A芯片。本設(shè)計采用ADI公司的AD9708芯片，它是一種8 bit高速D/A轉(zhuǎn)換芯片，其最高采樣速度能達(dá)到125MS/s，能夠?qū)PGA并行發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的模擬量。
FPGA 輸出的數(shù)字信號經(jīng)過D/A芯片的轉(zhuǎn)換，輸出模擬信號，通過低通濾波放大電路進(jìn)行濾波放大。低通濾波放大電路主要由無源電容電阻并聯(lián)濾波電路和放大芯片電路組成，放大芯片采用了OPA134運算放大芯片對濾波后的信號進(jìn)行運算放大。其設(shè)計原理圖如圖2所示。
經(jīng)過運算放大芯片，輸出脈沖正弦信號只有正向電壓。脈沖信號通過減法器電路輸出交流電壓。減法器（Subtracter）同樣采用TI公司的OPA134運算放大芯片，其電路原理圖如圖3所示。
（3）信號功率放大電路設(shè)計
EMAT要求輸出的激勵脈沖功率大，需要輸出的脈沖功率達(dá)到幾百瓦甚至是幾千瓦。越高的激勵功率越容易在檢測工件內(nèi)部激勵出超聲波。考慮到輸出信號的功率大，將輸出的脈沖信號先通過1:1的繞線比例變壓器將脈沖發(fā)生電路與功放電路進(jìn)行隔離，從而減小后期的功率放大對信號發(fā)生電路產(chǎn)生的影響［3］。
設(shè)計采用了集成功放芯片對合成的脈沖信號進(jìn)行功率放大。采用的集成功放芯片是TDA7293功率放大芯片，能夠有100 W的輸出功率。同時為了使線圈獲得最大的功率，需要對電路進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計。
（4）阻抗匹配電路設(shè)計
阻抗匹配電路是電磁超聲檢測系統(tǒng)的重要組成部分，阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。對于純電阻而言，電源內(nèi)阻的大小等于外部電阻的大小，此時外部負(fù)載能夠獲得最大的功率；對于阻抗電路而言，其輸入阻抗與輸出阻抗共軛，此時負(fù)載能夠獲得最大的功率［3］。
2FPGA激勵源數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計
現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是一種采用硬件編程語言編程的器件，具有靈活的、可編程的邏輯門陣列芯片。利用硬件描述語言（HDL）能夠完成各種數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計，減少了傳統(tǒng)邏輯門芯片的數(shù)量，簡化了硬件電路設(shè)計；FPGA器件的時鐘頻率能達(dá)到幾十兆甚至幾百兆赫茲，完全能夠滿足合成高頻信號的要求 ［5］。
本文主要利用FPGA器件合成所需要的脈沖式正弦信號。由于EMAT需要的激勵信號是脈沖式的，若直接采用DDS芯片作為激勵輸出信號，其輸出的信號是連續(xù)的，很難通過硬件控制或者軟件編程，使其輸出的信號呈現(xiàn)脈沖周期性；同樣采用高速開關(guān)控制，很難保證信號的周期性。經(jīng)過多方面考慮，采用FPGA器件，利用硬件編程語言合成脈沖信號。FPGA合成脈沖正弦信號包括兩部分，即 FPGA查找表的設(shè)計和Verilog HDL語言編程實現(xiàn)輸出。
2.1FPGA查找表的設(shè)計
查找表（LUT）是合成波形的關(guān)鍵部分，如何建立查找表至關(guān)重要。本設(shè)計采用MATLAB軟件工具，編程產(chǎn)生一個周期的正弦波形，并采樣正弦圖像若干個點，提取出相應(yīng)的點所對應(yīng)的數(shù)值。經(jīng)過一系列的數(shù)字處理，將處理后的數(shù)值輸入到quartus II 新建的rom文件中。具體設(shè)計如下：
（1）設(shè)置正弦波的相關(guān)參數(shù)。在MATLAB中設(shè)置正弦函數(shù)的頻率、初始相位、采樣頻率、采樣點數(shù)、振幅以及直流分量的值，使MATLAB能夠輸出一個周期的正弦波形。本設(shè)計如下：
f=1;Fs=256;P1=0;
N=256;t=［0:1/Fs:N/Fs］;
A0=128;A=128;
s=A*sin(2*pi*f*t + pi*P1/180) + A0;
B=round(s);plot(s);
其中f為信號頻率，本設(shè)計只需輸出一個周期的波形，即f=1；Fs為采樣頻率，滿足Fs>2f;N為采樣點數(shù)；s為函數(shù)表達(dá)式；B中的值是s四舍五入后的值。
（2）在MATLAB的workspace對話框中提取B的值，輸入到quartusII新建的Memory Initialization File文件中，建立sin.mif文件。其數(shù)據(jù)格式如圖4所示。
2.2FPGA編程合成信號
現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的。Verilog HDL 硬件描述語言廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，本設(shè)計也采用了該硬件描述語言來描述FPGA內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計，從而輸出滿足要求的脈沖信號 ［2］。
本設(shè)計的核心思想是對Look-up Table讀取地址所對應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過時鐘控制輸入到D/A芯片的數(shù)字端口，轉(zhuǎn)換成模擬信號。首先在設(shè)計模塊中定義出相關(guān)的輸入輸出端口，輸入輸出端口主要包括時鐘輸入端CLK、復(fù)位輸入端口RST_B、8位數(shù)據(jù)輸出端q端口、輸出DAC芯片時鐘信號端口。模塊設(shè)計端口設(shè)置如下：
/***********I/O Port*************/
input CLK;
input RST_B;
outputq;
outputDAC_CLK ;
wireCLK;
wireRST_B;
wire［7:0］ q;
wireDAC_CLK;
ROM例化到模塊電路中代碼：
/**********ROMinstance************/
ROM_P I_ROM_P(
. address (addr),
.clock (CLK),
.q(q ));
例化后的mif文件導(dǎo)入到數(shù)字模塊中，程序模塊生成數(shù)據(jù)地址，將地址匹配到ROM_P的地址，從而讀取地址所對應(yīng)的數(shù)值。在硬件層面，通過時鐘信號的控制，將ROM_P中地址對應(yīng)的數(shù)值送到D/A芯片的輸入端，從而轉(zhuǎn)化成模擬信號，合成所需要的正弦脈沖信號。
3實驗結(jié)果
在完成相關(guān)設(shè)計后，對硬件電路和FPGA數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)調(diào)試，完成相關(guān)的測試。設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，利用quartusII軟件平臺，將設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)下載到硬件系統(tǒng)中。
用數(shù)字示波器顯示出單通道正弦脈沖信號的波形，如圖5和6所示。通過FPGA控制調(diào)節(jié)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù), 輸出多脈沖信號波形，如圖7所示。
本設(shè)計可以產(chǎn)生可控周期數(shù)的正弦脈沖信號，且其脈沖信號的頻率可以通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍可達(dá)幾十千赫茲至幾兆赫茲，完全能夠滿足電磁超聲脈沖信號發(fā)生器的要求。
4結(jié)論
信號發(fā)生器是電磁超聲檢測系統(tǒng)的核心組成部分之一，本文設(shè)計的脈沖式正弦信號發(fā)生器能夠提供較為穩(wěn)定的正弦脈沖信號。研究結(jié)論如下:
(1)采用FPGA芯片，利用硬件編程語言合成脈沖信號，具有頻率高、信號穩(wěn)定的特點，克服了直接采用DDS芯片作為激勵輸出信號連續(xù)性的不足，使輸出的信號由連續(xù)式變?yōu)槊}沖式，并且簡化了模塊電路的設(shè)計。
(2)利用FPGA芯片產(chǎn)生脈沖式正弦信號，能夠精確控制高頻脈沖信號輸出，通過功率放大隔離和阻抗匹配，能夠產(chǎn)生適合電磁超聲檢測的激勵信號。該設(shè)計克服了采用PWM傳統(tǒng)技術(shù)輸出信號易失真、諧波大、初始相位不確定等不足。
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