基于FPGA的交流电磁场检测仪的激励源设计

引言

交流电磁场检测（AlternatingCurrentFieldMeasure-ment．ACFM）是一种基于电磁感应原理的主动式电磁无损检测技术，对导电工件表面及近表面裂纹的检测具有独特的优势。交流电磁场检测需要在被测工件表面感应出交变电流，当不存在缺陷时，感应电流均匀分布；存在缺陷时，缺陷对感应电流产生扰动，通过提取感应电流产生磁场的变化来确定缺陷的长度及深度等信息。

现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）是近年来新型的高集成度数字器件，受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎，可以满足大多数专用检测系统的设计。本文以FPGA为开发平台设计频率可调的激励源模块，激励源由直接数字频率实现，合成频率适用于不同的被测材料，既可以满足交流电磁场检测系统的需求，又可以降低该系统的功耗和成本。并且FPGA的引脚丰富、存储区大，特别适合现场的实时检测系统，方便检测仪器的野外和高空操作。

1、直接数字频率合成原理

DDS或DDFS（DirectDigitalFrequencySysthesis）即直接数字频率合成，原理是将信号的完整周期预先做归一化处理，采样足够的点数存储，需要输出时通过时钟频率查找存储表地址对应的幅值输出给高速DA转换器，由低通滤波器输出模拟信号。典型的DDS原理如图1所示。波形存储表可以设置为正弦波）方波）三角波等波形。

假设正弦波信号的一个周期以2N次采样存储，fclk时钟频率fn为合成频率，T0为合成信号周期。并且假设累加器位数与地址位数相同，则控制合成频率有全采样和频率控制字采样两种方法。

1.1、全采样

时钟频率查找波形存储表的每一个地址，输出地址对应的幅值。则合成激励源的一个完整周期需要2n次查表，合成频率与时钟频率的关系如式（1）：

式中：fn为合成频率，Tn为合成信号周期，fclk为时钟频率，2n为采样次数。由式（1）可知所有采样点都经过查找输出幅值时，通过改变时钟频率fclk即可合成不同频率的信号。

1.2、频率控制字采样

在采样时钟频率一定时，已知波形存储表的长度不变，通过控制每次累加频率控制字的大小，改变查找表的次数，合成不同频率的信号。