基于FPGA和DDS技术的涡流信号源

孙伟成　林育江

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=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=1时，DDS产生的频率最低，即频率的分辨率为fl=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=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=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=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。

参考文献：

[1] 李航，曲永志，雷霆.基于FPGA的涡流检测正交信号源的设计方法[J].计算机测量与控制，2008.16（10）.

[2] 刘延飞，郭锁利，王晓戎，等.基于Altera FPGA/CPLD的电子系统设计及工程实践[M].人民邮电出版社，2009.