专利名称：基于dds技术的涡流检测激励信号源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激励信号源，尤其涉及一种可发生任意波形的基于DDS技术的涡流检测激励信号源，属于无损检测设备技术领域。
背景技术：
涡流检测是无损检测的常规方法之一，已在机械、石化、航空、冶金等诸多工业领域得到了广泛应用。涡流检测具有以下特点1)对非磁性材料有效，对环境无污染，操作方便；2)非接触性测量，不需要耦合剂，便于实现高速、高效检测；3)可检测导电材料表面及近表面裂纹等缺陷，响应信号包含有裂纹深度、宽度、形状等丰富的特征信息；4)可在薄壁管、线材、零件内孔表面等其它检测方法不适合的场合实施检测。涡流检测系统主要由激励信号源、磁场测量装置、涡流响应信号采集及其处理系统等部分组成。常规涡流检测大多以单频正弦电流作为激励信号，通常采用LC或RC振荡电路来实现。但随着涡流检测技术朝着多频涡流检测、脉冲涡流检测、远场涡流检测等方向发展，涡流检测系统对激励信号源的要求也越来越高，尖波或其它波形也可作为激励信号而付诸应用。例如，为了获得被测导体不同深度的缺陷信息，需要采用多频正弦信号进行激励；为了减小集肤效应的影响，尤其是在对多层金属结构中间层或次表面缺陷进行检测时，需要采用脉冲信号进行激励；又如，在远场涡流检测系统中，由于探头较长，需要较高功率的激励信号以提高响应信号幅值。同时，激励源是整个检测系统的信号源，对激励信号波形、频率、幅值等参数进行灵活调整，可适时改变涡流响应信号中所包含的特征信息，这将便于对检测结果客观地进行分析与评价，从而提高检测效率。但是，如果激励信号本身质量不高或稳定度不够，就会给后续涡流响应信号的特征提取造成困难，甚至使涡流检测难以进行下去。因此，在整个涡流检测系统中，激励信号源是影响整个检测系统工作性能的关键部件之一。多频涡流检测方法采用几个不同频率正弦信号激励涡流传感器，故获得的涡流响应信号所包含的特征信息会比单频涡流检测更丰富。激励信号的具体实现可以采用同步合成或异步合成方式。前者激励信号采用多个不同频率分量的正弦信号进行叠加，信号峰值较高，对驱动电路的电压范围要求较宽；后者采用多个频率分量的正弦信号依次驱动涡流传感器，需要不断切换激励信号频率，检测时间较长。中国专利文献201010506292. 8针对现有多频涡流检测技术的不足，公开了一种调制多频涡流检测方法，在有效降低涡流检测 系统激励信号和响应信号的峰值因素的同时，通过采用短时连续变化频率的线性调频激励信号，减少了检测时间，提高了检测缺陷速度。中国专利文献200920181215. 2公开了一种多频涡流检测仪，其信号发生模块包含有多个可产生不同频率激励信号的信号发生器，并利用加法器对同时产生的多种交变激励信号进行叠加，最后通过功率放大电路输出至检测线圈。但以上技术方案均只适用于多频涡流检测这种单一应用场合，而无法满足当前脉冲涡流检测等新技术对激励信号源提出的新要求，要产生任意波形的激励信号更无从谈起，因此需要对现有技术进一步改进以满足各种涡流检测对激励信号源的要求。
直接数字频率合成(DirectDigital Freqency Synthesis, DDS)是基于 Nyquist采样定理和数字波形合成原理而发展起来的一种数字化频率合成技术。DDS频率合成器主要由频率寄存器、相位累加器、波形存储器、D/A转换器和低通滤波器等组成。在系统基准时钟一定的情况下，输出信号的频率取决于频率寄存器中的频率控制字，而相位累加器的字长决定了频率分辨率。DDS技术特点主要在于1)频率分辨率高，输出频点多；2)频率切换时间短，可达us级；3)频率切换时相位变换连续，即DDS通过改变相位增量来改变合成信号的输出频率，而相位函数曲线是连续的；4)可以产生任意波形信号；5)易于全数字化实现，便于集成，体积小，功耗低。宋琦华等人在论文“基于DDS技术的脉冲涡流检测系统”计算机测量与控制，2011 (8)中，利用专用DDS芯片AD9850产生1ΚΗζ、50%占空比的方波激励，完成了脉冲涡流激励信号源的设计，较好地解决了激励信号频率连续可调、频率稳定性等问题。陈道杰等人在论文“DDS技术在涡流检测中的应用”微处理机，2005 (3)中，采用三片专用芯片AD9832组成程控宽带正交信号，较好地解决了激励信号源及相关检测电路中参考源的问题。但以上文献所采用的专用DDS芯片以硬件电路方式只能产生正弦波、方波等标准激励信号，无法实现任意波形激励信号的输出，且成本较高，从而限制了涡流激励信号源的应用场合。因此，对DDS技术进行进一步改进，提供一种可发生任意波形激励信 号的涡流检测激励信号源，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DDS技术的涡流检测激励信号源，可发生参数易于调整的正弦波、脉冲波等标准激励信号以及任意波形激励信号以用于涡流检测。本发明的目的通过以下技术方案予以实现一种基于DDS技术的涡流检测激励信号源，包括单片机、CPLD模块、波形存储器、D/A转换器、低通滤波器、功率放大电路、液晶触摸屏、上位PC机。所述单片机与时钟电路、复位电路组成单片机最小系统，所述液晶触摸屏与单片机连接，所述上位PC机与单片机相连并串行通信，所述CPLD模块与单片机相连，所述CPLD模块包括接口模块、相位累加器、控制模块，所述接口模块将控制字送相位累加器，所述相位累加器进行相位累加，所述控制模块进行地址译码、分频及逻辑控制，所述波形存储器与单片机、CPLD模块相连，所述D/A转换器与单片机、CPLD模块相连，所述D/A转换器与低通滤波器相连，所述低通滤波器与功率放大器相连；所述液晶触摸屏完成波形选择，设定频率、幅值和占空比参数并传送给单片机，单片机根据参数生成相应的波形控制字、频率控制字及幅值控制字，所述上位PC机模拟产生激励信号，并获得离散化波形采样数据，通过串行通信方式将波形采样数据送给单片机，单片机将波形数据实时下载至波形存储器中，波形存储器完成待产生信号相位序列到幅度序列的转化，波形数据输出后回送给单片机，经过与幅值因子的乘积运算后再通过D/A转换器、低通滤波器以及功率放大器环节生成参数可调的模拟电压信号。本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现前述基于DDS技术的涡流检测激励信号源，其中相位累加器的图元形式为clk为输入时钟，few [I I.. O]为输入的12位频率控制字，wcw [3.. O]为4位波形控制字，reset为复位信号，addr[12. . O]为输出的13位地址；相位累加器为24位，结构采用流水线形式，将24位相位累加器分成6级4位的累加器，每个4位累加器均由一个4位加法器与4位寄存器级联构成，每接收一个有效时钟脉冲，相位累加器将频率控制字与相位寄存器上次产生的累加相位值进行线性相加，然后将累加结果送至相位寄存器保存，根据各累加器之间存在级联进位关系，将高位累加器相比低位累加器延时一个时钟周期做累加，相位累加器的addr[12. . O]输出的13位地址完成波形存储器寻址，将相位累加结果送波形存储器，完成相位序列到幅值序列的转换，当相位累加器加满时,就会产生一次溢出，其溢出频率即为DDS输出信号频率。前述基于DDS技术的涡流检测激励信号源，其中低通滤波器包括椭圆低通滤波器A和贝塞尔低通滤波器B，单片机控制其状态切换，椭圆低通滤波器A对多频正弦激励信号进行滤波，贝塞尔低通滤波器B对三角波、锯齿波、方波等含有一系列不同频率正弦分量的周期性激励信号进行滤波。前述基于DDS技术的涡流检测激励信号源，其中椭圆低通滤波器I的设计方法为I)分析椭圆滤波器的幅度传输函数
权利要求
1.一种基于DDS技术的涡流检测激励信号源，包括波形存储器、D/A转换器、低通滤波器、功率放大电路，其特征在于，还包括单片机、CPLD模块、液晶触摸屏、上位PC机，所述单片机与时钟电路、复位电路组成单片机最小系统，所述液晶触摸屏与单片机连接，所述上位PC机与单片机相连并串行通信，所述CPLD模块与单片机相连，所述CPLD模块包括接口模块、相位累加器、控制模块，所述接口模块将控制字送相位累加器，所述相位累加器进行相位累加，所述控制模块进行地址译码、分频及逻辑控制，所述波形存储器与单片机、CPLD模块相连，所述D/A转换器与单片机、CPLD模块相连，所述D/A转换器与低通滤波器相连，所述低通滤波器与功率放大器相连；所述液晶触摸屏完成波形选择，设定频率、幅值和占空比参数并传送给单片机，单片机根据参数生成相应的波形控制字、频率控制字及幅值控制字，所述上位PC机模拟产生激励信号，并获得离散化波形采样数据，通过串行通信方式将波形采样数据送给单片机，单片机将波形数据实时下载至波形存储器中，波形存储器完成待产生信号相位序列到幅度序列的转化，波形数据输出后回送给单片机，经过与幅值因子的乘积运算后再通过D/A转换器、低通滤波器以及功率放大器环节生成参数可调的模拟电压信号。
2.如权利要求I所述的基于DDS技术的涡流检测激励信号源，其特征在于，所述相位累加器的图元形式为clk为输入时钟，fcw[11..0]为输入的12位频率控制字，wcw[3. .0]为4位波形控制字,reset为复位信号,addr [12. . 0]为输出的13位地址；相位累加器为24位，结构采用流水线形式，将24位相位累加器分成6级4位的累加器，每个4位累加器均由一个4位加法器与4位寄存器级联构成，每接收一个有效时钟脉冲，相位累加器将频率控制字与相位寄存器上次产生的累加相位值进行线性相加，然后将累加结果送至相位寄存器保存，根据各累加器之间存在级联进位关系，将高位累加器相比低位累加器延时一个时钟周期做累加，相位累加器的addr[12. . 0]输出的13位地址完成波形存储器寻址，将相位累加结果送波形存储器，完成相位序列到幅值序列的转换，当相位累加器加满时，就会产生一次溢出，其溢出频率即为DDS输出信号频率。
3.如权利要求I所述的基于DDS技术的涡流检测激励信号源，其特征在于，所述低通滤波器包括椭圆低通滤波器(A)和贝塞尔低通滤波器(B)，单片机控制其状态切换，椭圆低通滤波器(A)对多频正弦激励信号进行滤波，贝塞尔低通滤波器(B)对含有一系列不同频率正弦分量的周期性激励信号进行滤波。
4.如权利要求3所述的基于DDS技术的涡流检测激励信号源的椭圆低通滤波器(I)的设计方法，其特征在于，包括以下步骤 I)分析椭圆滤波器的幅度传输函数 其中，e为波纹参数；En( )为n阶椭圆特征函数，用零极点形式表示为式中，EnO)的零点土《k和极点士蛛1由Jacobi椭圆函数积分导出； 2)确定椭圆低通滤波器设计指标为通带截止频率f。=55KHz,阻带起始频率fs =65KHz，通带波纹e ( 0. 2dB,阻带最小衰减Amin = 50dB ； 3)计算滤波器通带边界反射系数P，滤波器陡度系数为為=+=1.1818 根据反射系数P与波纹系数e之间的关系/7 = ^^，取反射系数P =20%; 4)根据陡度系数As、最小衰减Amin和反射系数P，参考椭圆滤波器阶数曲线，确定所设计椭圆滤波器的阶数n=7; 5)查椭圆低通滤波器LC元件值表，得到各电容、电感元件归一化值；并对各元件进行去归一化处理，获得对应标称值；其中，去归一化公式为L’ = LXZ/fFS，C’ = C/(fFSXZ);式中，fFS为频率标度系数(fFS = 2 fc), Z为阻抗标度系数(Z = 100)； 6)将椭圆滤波器在Multisim环境下进行幅频特性曲线仿真,验证并确保其过渡带狭窄陡峭，能够满足涡流激励信号源对低通滤波器的要求。
全文摘要
本发明公开了一种基于DDS技术的涡流检测激励信号源，包括单片机、CPLD模块、波形存储器、D/A转换器、低通滤波器、功率放大电路、液晶触摸屏、上位PC机。所述液晶触摸屏与单片机连接，所述上位PC机与单片机相连并串行通信，所述CPLD模块与单片机相连，所述波形存储器与单片机、CPLD模块相连，所述D/A转换器与单片机、CPLD模块相连，所述D/A转换器与低通滤波器相连，所述低通滤波器与功率放大器相连。本发明可发生参数易于调整的正弦波、脉冲波等标准激励信号以及任意波形激励信号以用于涡流检测。
文档编号G01N27/90GK102967651SQ20121046984
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者唐炜, 张冰蔚, 顾金凤, 李飞, 孙娣, 李忠国 申请人:江苏科技大学