基于DDS的超声导波间歇扫频信号源设计

陈福梁，杨世锡，甘春标，于保华

(浙江大学机械工程学系，浙江杭州　310027)

0　引言

超声导波检测与常规超声波检测相比具有沿传播路径衰减小、传播距离远，可以实现单点激励长距离检测，检测效果好等优点，且能对带包覆层和充液管道进行检测[1]。

在超声导波检测系统中，导波激励信号源是其重要的组成部分，担负着向超声导波传感器提供合适的激励信号的任务。通过选取合适的激励信号可以有效地减小频散现象对导波检测的影响，目前超声导波检测中一般采用猝发信号作为激励信号[2]。在被测对象结构确定的情况下，导波的频散效应主要取决于激励信号的中心频率，选取合适的激励频率可以有效地减小频散效应[3-4]。超声导波传感器在不同频率的激励信号作用下，激励出的导波信号幅值也不同[3]。

因此，在超声导波实际检测过程中，为了激励出频散小、幅值大的超声导波信号，需要对猝发信号的中心频率进行优化选择。国内现有用于超声导波检测激励信号源主要采用DDS(Direct Digital Frequency Synthesis，直接数字频率合成)技术[5-6]，但目前绝大部分信号源都只能单次设置一个频率，信号源激励出相应频率的猝发信号，在进行频率选择时则需要输入一系列预选频率值，进行多次试验，检测效率低且精度也不高，而用于系统频率特性测试的扫频信号发生器是在设定的频率范围内连续扫频，不适用于超声导波检测过程。

基于以上分析，设计了一种基于DDS技术的用于超声导波检测的间歇式扫频猝发信号源，该方案相比于现有的导波激励信号发生器主要有以下优点：

(1)可以输出频率间歇式递增的猝发信号，其起始频率、终止频率及步进频率均可调，简化频率优化的选择过程，减小检测过程频散现象的影响；

(2)硬件实现上采用DDS专用芯片AD9850及高速计数芯片74LS161和模拟开关MAX308，通过专用的DDS芯片产生稳定、频率精度高的基本信号，采用纯硬件的方式实现脉冲计数和矩形加窗，输出信号稳定、精度高，而且电路简洁、体积小，成本低，有利于检测系统的集成化、便携式应用，促进超声导波无损检测技术在工业应用上的推广；

(3)将该信号源用于导波检测最佳激励频率的选择，结合后续的导波信号接收和信号处理，可以实现超声导波检测频率的自动跟踪，而且输出信号的猝发个数和时间间隔可调，也可实现激励信号脉冲猝发个数和触发时间间隔的优化。

1　系统组成原理

目前实现DDS技术主要有2种方法：一种是采用专用的DDS芯片进行频率合成；另一种是根据DDS原理来搭建DDS系统。后一种方案主要采用FPGA、DSP等，与采用专用DDS芯片相比，该方法存在由于受DAC的速度限制，其DDS输出频率范围受限；RAM存储容量、DAC分辨率有限等因素会造成相位截断误差，幅值量化误差，系统输出频率纯度较专用的DDS芯片输出差等不足。该设计采用AD9850芯片，可实现正弦波和方波的产生，其时钟频率最高可达125 MHz，频率分辨率为0．002 91 Hz，理论输出信号的最高频率是62．5 MHz．

图1为设计的间隙式扫频猝发信号发生器的系统原理框图，主要包括4个模块：(1)信号发生模块，采用基于DDS技术的专用信号发生芯片AD9850；(2)脉冲计数模块，主要包括高速光耦芯片6N135和计数芯片74LS161；(3)矩形窗实现模块，通过模拟开关MAX308的关断实现信号的矩形加窗，控制猝发信号的脉冲个数；(4)嵌入式控制系统模块，以单片机AT89S52作为整个信号发生器系统的控制核心，具有键盘输入、LCD显示等功能。

图1　系统组成原理框图

通过矩阵键盘输入设置参数，发生器开始工作后AT89S52单片机间隔一定时间将频率递增后对应的DDS频率控制字输出给AD9850芯片，使AD9850在相邻的时间间隔内发出频率递增的正弦波，如图2(a)所示。光耦芯片将AD9850输出的正弦信号转化为对应的脉冲系列，如图2(b)所示。单片机每次发出DDS频率控制字后马上发出一个74LS161的使能信号，计数器开始计数，如图2(b)中A点，当74LS161计数值达到计数值时，如图2(b)中B点，计数芯片产生一个高电平脉冲的溢出信号。该溢出信号的上升沿通过触发器将低电平信号锁存，拉低MAX308的使能信号，关闭MAX308的输出，MAX308的使能信号如图2(c)所示。AD9850输出的信号经过模拟开关的关断控制，其输出信号如图2(d)所示，即实现了输出频率间歇式递增的猝发信号。

图2　信号输出时序示意图

2　硬件实现

2．1DDS信号产生的设计

AD9850输出频率的控制通过写寄存器地址来实现，频率控制字精确控制输出信号频率的大小，频率计算如下：

Fout=ΔPhase×CLKIN/232

式中：ΔPhase为32位的频率控制字数字；CLKIN为输入的参考时钟频率，MHz；Fout为输出的信号频率，MHz．

图3为AD9850与单片机的硬件接口及输出电路原理。D0～D7为频率控制字的输入端，W_CLK为并行输入字更新时钟，FQ为频率字更新时钟，RESET为AD9850复位端，AD9850Output为其输出信号。

图3　AD9850接口电路

2．2脉冲计数和模拟开关的设计

由于激励导波的猝发信号的脉冲宽度一般为μm级，因此要求其脉冲计数器有较快的执行速度，同时兼顾性价比，本文采用高速光耦芯片6N135和高速二进制计数器74LS161集成芯片实现脉冲计数功能。74LS161是可预置异步4位二进制计数器，除具有二进制加法计数功能外，还具有异步清零、同步并行置数、保持等功能。综合考虑模拟开关的导通电阻、开关时间等因素，选用MAX308高精度、高速模拟开关，其导通电阻低。MAX308的1路控制端接AD9850的输出端，其他7路接地，单片机的模拟开关通断控制信号与74LS161的溢出信号通过与门控制模拟开关的使能信号。如图4所示，AD9850芯片输出信号AD9850_Out接MAX308的NO1引脚，当计数器达到溢出值时发出溢出信号，TC产生一个高电平脉冲，该上升沿将P2．2的低电平锁存，触发器输出至与门使MAX308的使能信号EN拉低，关闭输出；开始计数时，单片机P2．1产生一个上升沿将P2．2的高电平锁存，触发器输出的高电平与P3．6高电平输入与门拉高MAX308的使能信号EN，打开输出，MAX308的COM端接输出信号Output．

图4　脉冲计数电路

3　软件设计

单片机控制系统程序由不同功能的子程序模块组成，主要包括系统初始化、矩阵键盘值读取、DDS频率控制字输入及LCD显示等。为实现输出频率在20 kHz～1 MHz范围，以及猝发个数和触发时间间隔可调，考虑到实际检测，设置了粗调和微调功能。系统键盘包括扫频范围设置键、步进频率设置键、信号猝发个数设置键、触发时间间隔设置键、粗调键、微调键及确认键，粗调键和微调键结合不同类型的设置键其值不同。程序流程如图5所示。

图5　系统流程框图

4　实验结果

给系统上电后，通过键盘设置扫频范围60～200 kHz，按一次粗调键设置步进值为20 kHz，猝发个数为默认值5，用示波器TDS2022B对文中设计的发生器输出信号进行采集。按下“确认”键后，信号发生器开始进行自动扫频过程，将示波器调整到合适的水平扫描时基，单次采集到的发生器前两次脉冲串的波形如图6所示。从图6可以看出信号源输出的脉冲串频率间隔一段时间按设定的步进值递增。实验结果表明，该发生器生成了频率间隙式递增的猝发信号，且信号噪声小、输出稳定，输出的波形符合设计要求。

5　结束语

文中采用DDS专用芯片AD9850和高速计数芯片74LS161、模拟开关MAX305，以及AT89S52单片机等器件，提出了一种用于管道超声导波检测系统的激励信号源的设计方法，

图6　实验输出波形

该信号发生器采用纯硬件的脉冲计数方式，能进行间歇式扫频，可以输出频率间歇式递增的猝发信号，频率范围可达20 kHz～1 MHz，步进值可达1 kHz，满足实际检测时频率选择的要求，且扫频范围、频率步进值和猝发个数等可调。该信号源输出的间隙式扫频猝发信号通过功率放大器激励管道超声导波专用探头，能在管道上激励出不同频率的超声导波，可用于管道超声导波激励信号的激励频率优化选择，大大简化操作过程，提高检测效率。

参考文献：

[1]ROSE J L．A baseline and vision of ultrasonic guided wave inspection potential．Journal of Pressure Vessel Technology-Transactions of the ASME，2002(124)：273-282．

[2]WILCOX P，LOWE M，CAWLEY P．The effect of dispersion on long-range inspection using ultrasonic guided waves．NDT & E International，2001，34：1-9．

[3]孙学伟，李富才，孙凯，等．厚梁结构中的导波传播与激励频率选择研究．噪声与振动控制，2011 (6)：10-14．

[4]何存富，刘增华，郑璟瑜，等．管道导波检测中传感器数量和频率特性研究．北京工业大学学报，2004，30(14)：393-397．

[5]王军阵，王建斌，张轩硕．基于ARM和Linux的超声导波管道检测系统．仪表技术与传感器，2011(4)：51-52．

[6]王建斌，张轩硕，刘兵，等．基于SOPC的管道超声导波检测系统设计．仪表技术与传感器，2012(8)：53-55．