基于FPGA的DDS技術在巨磁阻渦流探傷中的應用

馬利濤++梁龍學++張小金

摘 要：文中設計了一種基于FPGA的14位高精度DDS作為巨磁阻傳感器渦流探傷儀的激勵源。該激勵源不僅可以輸出14位正弦激勵信號，還可以通過NISOⅡ主控模塊對輸出波形的頻率進行調節。實驗結果表明，該激勵源可實現從0～1 MHz頻率的調節，且頻率分變率可達0.02 Hz。

關鍵詞：DDS；高精度；FPGA；激勵源

中圖分類號：TP39；TN741 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

隨著巨磁阻傳感器渦流探傷技術的不斷發展，對激勵源信號的穩定度、精確度和頻率可調范圍要求越來越高，而以振蕩器作為激勵源，只能產生頻率在小范圍可調的激勵信號，無法系統地滿足要求。為解決這些問題，就需要用到直接數字頻率合成技術。直接數字頻率合成 （Direct Digital Synthesis，DDS）是一種以數字信號處理作為理論基礎，產生基于參照時鐘的輸出信號頻率可調的精密儀器[1]。本文介紹了一種基于FPGA的14位高精度DDS的設計方法。該方法不僅可以實現信號在較寬頻率范圍的連續變化，且輸出精度高，成本低廉，便于移植和采集。

1 DDS的基本原理

直接數字頻率合成在奈奎斯特理論條件下對信號進行離散采樣，然后將采樣結果送給數模轉換器對信號進行數模轉換，最后再將轉換后的信號經過低通濾波器實現時域采樣[2]。而直接數字頻率合成的實現一般利用相位與振幅的關系，對波形的相位進行分段，并分配相關地址。在每個時鐘周期，這些地址被提取，相關振幅采樣，形成預期波形。DDS系統框圖如圖1所示

2 利用FPGA實現DDS的設計

高速、高性能的數字器件是實現直接頻率合成的技術基礎。而FPGA具有數據處理速度高、集成規模大、現場可編程以及具有強大計算機輔助設計軟件支持等優點[3]，使得它非常適合用來實現直接頻率合成。故本文選用Cyclone Ⅳ型FPGA中的EP4EC6芯片并使用設計軟件Quartos II來完成DDS信號發生器的設計。

2.1 相位累加器模塊設計

相位累加器模塊是DDS系統用來實現相位累加和存儲的部分，其輸出的結果為幅值轉換ROM表的尋址地址[4]。相位累加器由數字全加器和寄存器兩部分組成，由于系統使用的時鐘頻率為125 MHz，要求頻率分辨率為0.02 Hz，故本系統設計的相位累加器模塊如圖2所示，由32位全加器和32位寄存器組成。

圖2 32位相位累加器設計圖

由圖2可知，當時鐘的上升沿到來時寄存器中的數據會被送到全加器的a端口，與b端口的頻率控制字fow相加，并將相加的結果再存到寄存器中，如此在時鐘信號的推動下相位累加器就實現了相位序列的量化。DDS輸出信號的一個周期就是相位累加器的一個周期，即相位累加器的加滿溢出時間[5]。

2.2 正弦波ROM與壓縮優化的設計

ROM的計算公式為2N×D，其中，N為ROM的地址位數，D為數據量化位數，故N（ROM地址位數）越大，查找表所需的空間越大[6]。因此，在設計DDS時，應選擇一個合理的N，并根據波形特性，運用ROM壓縮算法對ROM進行壓縮以減少ROM單元數量。本系統選擇了32位頻率控制字并以高15位用于生成ROM地址，將ROM數據量化為14位的輸出，ROM為215×14 b。如果不對ROM進行壓縮，ROM所需空間就很大，故本系統采用粗細分割算法對ROM進行壓縮并抑制DDS的相位雜散。

由于ROM的大小制約了查找表方法的發展，也為DDS引入了雜散誤差。因此通過壓縮數據可進一步壓縮ROM的大小并抑制DDS的雜散[7]。本文采用了粗細分割算法對數據進行壓縮，其結構如圖3所示。在這種體系結構中，相位值θ分為三個組成部分，即α，β和η，故公式sin（θ）可以表示為：

由圖3可知，粗值ROM中儲存低分辨率采樣，細值ROM儲存插值樣品，再通過加法器將兩個ROM的輸出相加合成正弦函數。

由上述討論可知，粗細分割法可以壓縮ROM的大小并改善DDS的雜散，故本文以相位累加器的高15位作為ROM的尋址地址，以15位地址的最高位和次高位分別作為符號轉換和地址轉換模塊的使能信號，且其余13位作為ROM的數據地址。在ROM中存儲[ 0 ～π/ 2 ]的正弦波數據，然后根據粗細分割法將ROM的13位數據地址分割為（6，4，3）三部分，0≤α≤π/2，0≤β≤π/27，0≤η≤π/211。該算法將一個有2（α+β+η）存儲單元的ROM分割為兩個大小分別為2α+β和2α+η存儲單元的ROM。由于精細表的數值很小，故只需要使用三位輸出即可。由此可以得到數據的壓縮比大約為29∶1。本文所設計的ROM壓縮模塊如圖4所示。

2.3 VHDL實現

集成DDS模塊、PLL模塊、KEY模塊和NISOⅡ模塊通過4×4矩陣鍵盤向NISOⅡ內核輸入數據，對DDS的頻率控制字進行控制，如圖5所示。圖中的CLK為時鐘信號，經PLL模塊輸出的125 MHz穩定信號作為DDS的時鐘信號，fow（31∶0）為頻率控制字。

3 DDS信號發生器的外圍硬件設計

3.1 D/A轉換器設計

查找表中讀出的是正弦波的數字幅度值，只有經過D/A轉換器（DAC）才能將其轉換成相應的模擬波形[8]。為了提高數據處理結果的精度和速度，需要選用有高轉換精度和速度的DA芯片。綜上所述，本系統采用ADI公司生產的自帶片內基準電壓的14 b高速DA轉換AD9764，同時AD9764還可以通過滑動變阻器RW1來改變其基準電壓實現對輸出信號幅值的控制，其最高采樣速率為125 MS/s，滿足工業級應用[9]。其應用電路如圖6所示，由于AD9764采用差分信號輸出，故輸出信號還必須經過由OP690組成的電壓跟隨器將差分信號轉換為單端信號輸出給濾波器。endprint

3.2 低通濾波器與電壓放大器設計

經D/A轉換后，輸出含有大量高頻諧波的階梯型波，因此必須經過濾波器進行歸一化濾波后才能得到平滑的輸出波形[10]。本設計采用一個輸入與輸出阻抗同為50 Ω，截止頻率1 MHz且外帶最小衰減111 d B的七階橢圓低通濾波器。由于DAC芯片輸出的電壓幅度比較小，再經過濾波器衰減后，其幅度一般只有幾百毫伏，所以必須經過放大器放大才能輸出合適的電壓幅度。放大芯片選擇TDA2030， 其采用雙電源供電，電壓放大位數A=1+R8?R6=21。經過此電路后其輸出信號的峰峰值變為6 V，這樣就可以驅動探頭線圈在試件上產生巨磁阻傳感器能夠探測到的渦流次級磁場[9]。其七階橢圓低通濾波和功率放大電路如圖7所示。

4 輸出信號測試分析

本文的累加器位數為32位，以125 MHz的信號作為系統時鐘，由公式?F= FCLK?2N可知DDS輸出波形的分辨率為0.02 Hz。由累加器分析可知，頻率控制字不同，累加器的溢出周期就不同，即改變頻率控制字K就可以改變DDS的輸出周期。由直接頻率合成原理可知，K= （2N×Fout）?FCLK，故由公式可得K不同值對應的理論頻率值和實際輸出值。誤差分析見表1所列。

由表1分析可知，本文所設計的基于FPGA的DDS技術的巨磁阻傳感器渦流探傷系統激勵源的誤差約為0.015 Hz。由直接頻率合成原理可知，將十進制數轉化為二進制時會出現較大誤差，從而影響了輸出頻率，同時DA芯片和橢圓濾波電路的非理想性以及相位截斷引入的雜散誤差等都會造成輸出頻率的誤差。

當K=34 560時，DDS的輸出頻率為1 kHz，其輸出波形在示波器上的顯示如圖8所示。由圖8可以看出，本文設計的基于FPGA的DDS，其輸出波形平滑且其電壓的峰峰值達到6 V，符合系統要求，可以驅動巨磁阻傳感器探頭進行探測。

5 結 語

基于巨磁阻傳感器渦流探傷儀激勵源系統，利用基于FPGA的DDS正弦信號發生器作為信號源不僅能夠輸出平滑的波形信號，還具有頻率變化范圍寬和頻率分變率高等優點，同時也充分發揮了FPGA的優點，使得DDS系統的頻率控制字位數、累加器的位數和ROM的深度及量化位數都可以根據實際需要來修改，提高了DDS的靈活性。本系統引入NISOⅡ內核作為控制中心，來控制DDS的頻率控制字K的值。此舉不僅可以更好地利用FPGA中的資源，同時也能有效提高系統的集成度。通過對內核軟件編程就可以改變輸出頻率的大小，使系統具有更大的靈活性。

參考文獻

[1]楊萍，兀旦暉，楊良煜. DDS技術在正弦信號發生器中的應用[J].計算機測量與控制，2008， 16（11）：1738-1740.

[2]李夏林，朱武.基于DDS技術的超聲電源系統的設計[J].上海電力學院學報， 2017， 33（1）：81-85.

[3]許文浩，屈樂樂，殷文浩.基于FPGA和DDS的頻率步進信號源的設計與實現[J].數字技術與應用， 2017（1）： 147.

[4] Zhang C， Du R， Han J. Design and implementation of wide-band high-rate multi-mode signal generator[C]// IEEE International Conference on Electronic Measurement & Instruments. IEEE， 2015：563-566.

[5] Wu C， Zhou B， Fang J. Research on improved CORDIC algorithm for high accuracy DDS signal source[C]// International Conference on Computer Science and Network Technology，2016：1351-1355.

[6] Ye X， Gao M， Huang J. 12 -way high accuracy sine signal generator system based on FPGA[C]// IEEE， International Conference on Communication Technology. IEEE， 2016：833-836.

[7]彭杰，代向明，袁國順.DDFS Sunderland算法的改進[J].微計算機信息， 2009，25（12）：250-251.

[8]李雪梅，張宏財，王學偉.基于DDS技術的信號源設計[J].電測與儀表， 2010， 47（1）：55-56.

[9]麻雪莉，何云斌，董懷國.基于Nios Ⅱ的DDS技術在電磁無損檢測中的應用[J].科技資訊，2006（29）：4.

[10]毛群， 王仕旭. 基于FPGA和DDS技術的正弦信號發生器設計[J].現代電子技術， 2010， 33（9）：118-120.

[11]馬小星，干敏梁.矢量網絡分析儀掃頻源控制部分的設計[J]. 江蘇航空， 2006（4）：24-25.endprint