FPGA tabanlı bir elektromanyetik ultrasonik darbe sinyali üretecinin tasarımı
Ma Zhao, Ren Shangkun, Yang Meifang
(Eğitim Bakanlığı Tahribatsız Muayene Teknolojisi Temel Laboratuvarı, Nanchang Hangkong Üniversitesi, Nanchang, Jiangxi 330063)
Uyarma sinyali kaynağı, elektromanyetik ultrasonik test sisteminin temel modüllerinden biridir ve çıkış sinyali, elektromanyetik ultrasonik test cihazının kalitesini belirler. Uyarma kaynağı için elektromanyetik ultrasonik test sisteminin gereksinimlerine göre, karşılık gelen sinüzoidal darbe uyarma kaynağı tasarlanır. Tasarım sistemi temel olarak FPGA donanım dili sentez darbe sinyali, D / A dönüşümü, filtre amplifikasyonu, güç amplifikasyonu ve empedans uyumu gibi donanım devrelerini içerir. Sistem, uyarım kaynakları için EMAT gereksinimlerini karşılayarak ayarlanabilir frekans, başlangıç aşaması ve görev döngüsüne sahip darbe sinüs sinyalleri verebilir. Portatif elektromanyetik ultrasonik dedektör tasarımı için referans sağlayabilir.
FPGA; elektromanyetik ultrasonik test; sinyal kaynağı; donanım devresi
TG115.28 belge tanımlama kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2016.23.024
Ma Zhao, Ren Shangkun, Yang Meifang.FpGA J on'ye dayalı bir elektromanyetik ultrasonik darbe sinyali üretecinin tasarımı. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2016,35 (23): 83-85,89.
0 Önsöz
Elektromanyetik ultrasonik test teknolojisi (EMAT), geleneksel piezoelektrik ultrasonik test teknolojisine kıyasla belirgin avantajları olan, gelişmekte olan bir tahribatsız test teknolojisidir. Bağlayıcı madde içermemesi, temassız olması ve yüksek sıcaklık ve yüksek basınç gibi özel ortamlarda normal şekilde çalışabilmesi gibi avantajları vardır, büyük bir potansiyel pazar değerine ve geniş geliştirme beklentilerine sahip olacaktır [1].
Elektromanyetik ultrasonik algılama sistemi temel olarak üç bölümden oluşur: uyarma kaynağı, EMAT sensörü ve alınan sinyal işleme sistemi. EMAT sensörü, bir uyarma probu ve bir alıcı probdan [1] oluşur. Elektromanyetik ultrasonik testin prensibi şu şekilde özetlenebilir: Yüksek frekanslı bobindeki yüksek frekanslı yüksek voltaj akımının uyarma darbe sinyali, harici bir önyargı manyetik alanının etkisi altında iş parçasının yüzeyinde veya içinde farklı ultrasonik dalgalar üretir. Alma süreci ve uyarma süreci ters süreçlerdir Alıcı sistem, sonda tarafından alınan yankı sinyalini işler ve bunu sinyal gösterge terminaline [2] çıkarır. Kusurun yeri ve boyutu, arızalı yankı sinyali ve arızalı olmayan yankı sinyali gözlemlenerek ve analiz edilerek belirlenebilir.
Şu anda, EMAT hala araştırma ve geliştirme aşamasındadır ve uyarma kaynağının enerji dönüştürme verimliliği nispeten düşüktür, bu da uyarılmış ultrasonun düşük sinyal-gürültü oranıyla sonuçlanır. Yüksek kaliteli bir uyarma sinyali kaynağı, algılama etkisinin iyileştirilmesi için önemli bir garantidir Bu araştırmanın amacı, verimli ve güvenilir bir elektromanyetik ultrasonik uyarma kaynağı sistemi tasarlamak ve üretmektir [3].
Çok sayıda ilgili malzemeye danıştıktan sonra, genellikle darbe sinyali üretecinin PWM teknolojisi ile tasarlandığı, ancak bu yöntemin çıkış uyarma sinyalinin kolay bozulma, büyük harmonikler ve kararsız başlangıç aşaması gibi dezavantajları olduğu bulunmuştur. Bu tasarım esas olarak sinüzoidal darbe sinyallerini sentezlemek ve güvenilir bir darbe sinyali üreteci tasarlamak için FPGA teknolojisini kullanır.
1 donanım devre tasarımı
Tüm donanım sistemi temel olarak FPGA sistemi, AD dönüşüm devresi, alçak geçiren filtre amplifikatör devresi, izolasyon devresi, güç amplifikatörü devresi, empedans eşleştirme devresi vb. İçerir. [4] Sistem blok şeması Şekil 1'de gösterilmiştir.
(1) FPGA sistemi
Bu tasarım, Altera'nın cyclone II serisinin EP2C8Q208C7 programlanabilir cihazını kullanır. Programlanabilir cihaz güçlüdür, G / Ç bağlantı noktaları açısından zengindir ve giriş saat frekansı teorik olarak 200 MHz'e ulaşabilir. Başlangıçta tasarım, giriş saati, sistem saat sinyalini sağlamak için 50 MHz aktif kristal osilatördür. Ek olarak, PLL program tasarımı sayesinde, çıkış dijital sinyalinin frekansı artırılır, böylece koşulları karşılayan bir darbe sinüs sinyalini tamamen sentezleyebilen birkaç yüz kilohertz ila birkaç megahertz'e ulaşabilir.
(2) D / A filtre yükseltici devresinin tasarımı
FPGA'nın yüksek hızlı dijital sinyal çıkışını geliştirirken, yüksek örnekleme hızına sahip paralel bir D / A çipi de gereklidir. Bu tasarım ADI Company'nin AD9708 yongasını benimser, bir tür 8 bit yüksek hızlı D / A dönüştürme yongasıdır, en yüksek örnekleme hızı 125MS / s'ye ulaşabilir, FPGA'nın gönderdiği dijital sinyali karşılık gelen analog miktara paralel olarak dönüştürebilir.
FPGA'nın dijital sinyal çıkışı, D / A yongası tarafından dönüştürülür ve analog sinyal, bir alçak geçiren filtre ve yükseltme devresi tarafından filtrelenen ve yükseltilen çıktıdır. Alçak geçiren filtre amplifikatör devresi, esas olarak bir pasif kapasitör direnci paralel filtre devresi ve bir amplifikatör çip devresinden oluşur Amplifikatör çipi, filtrelenmiş sinyali yükseltmek için bir OPA134 işlemsel amplifikatör çipi kullanır. Tasarım şematik diyagramı Şekil 2'deki gibi gösterilmiştir.
İşlemsel amplifikatör çipinden sonra, çıkış darbesi sinüs sinyali yalnızca ileri voltajdır. Darbe sinyali, çıkarıcı devre üzerinden AC voltajı çıkarır. Alt karakter ayrıca TI'nin OPA134 işlemsel amplifikatör çipini kullanır ve devre şeması Şekil 3'te gösterilmektedir.
(3) Sinyal güç amplifikatörü devresinin tasarımı
EMAT, çıkış uyarma darbe gücünün büyük olmasını ve çıkış darbe gücünün birkaç yüz watt'a veya hatta birkaç kilovata ulaşması gerektiğini gerektirir. Uyarma gücü ne kadar yüksekse, inceleme iş parçası içindeki ultrasonik dalgaları uyarmak o kadar kolay olur. Çıkış sinyalinin yüksek gücü göz önünde bulundurulduğunda, çıkış darbe sinyali önce darbe üreten devrenin güç amplifikatörü devresinden izole edilmesi için 1: 1 sargılı orantılı transformatörden geçirilir, böylece daha sonraki güç amplifikasyonunun sinyal üreten devre üzerindeki etkisini azaltır [3] .
Tasarım, sentezlenmiş darbe sinyalinin gücünü yükseltmek için entegre amplifikatör çipini kullanır. Kullanılan entegre amplifikatör çipi, 100 W çıkış gücüne sahip olabilen TDA7293 güç amplifikatörü çipidir. Aynı zamanda bobinin gücünü maksimize etmek için devrenin empedans uyumu için tasarlanması gerekir.
(4) Empedans eşleştirme devresi tasarımı
Empedans eşleştirme devresi, elektromanyetik ultrasonik test sisteminin önemli bir parçasıdır Empedans uyumu, maksimum güç çıkışı elde etmek için yük empedansının ve uyarma kaynağının iç empedansının karşılıklı olarak uyarlanmasını ifade eder. Farklı özelliklere sahip devreler için eşleşme koşulları farklıdır. Saf direnç için, güç kaynağının iç direncinin boyutu, harici direncin boyutuna eşittir, bu sırada harici yük maksimum gücü elde edebilir; empedans devresi için, giriş empedansı ve çıkış empedansı eşleniktir ve yük bu anda maksimum gücü elde edebilir [3].
2 FPGA uyarma kaynağı dijital sistem tasarımı
Alan Programlanabilir Kapı Dizisi (FPGA), esnek ve programlanabilir mantık kapısı dizisi yongaları ile bir donanım programlama dilinde programlanmış bir cihazdır. Donanım tanımlama dili (HDL), çeşitli dijital devre sistemlerinin tasarımını tamamlamak, geleneksel mantık kapısı yongalarının sayısını azaltmak ve donanım devrelerinin tasarımını basitleştirmek için kullanılabilir; FPGA cihazlarının saat frekansı onlarca megahertz'e, hatta yüzlerce megahertz'e ulaşabilir, bu tamamen yeteneklidir. Sentetik yüksek frekanslı sinyallerin [5] gereksinimlerini karşılayın.
Bu makale esas olarak FPGA cihaz sentezi için gereken darbeli sinüs sinyalini kullanır. EMAT tarafından gereken uyarma sinyali darbeli olduğundan, DDS yongası doğrudan uyarma çıkış sinyali olarak kullanılıyorsa, çıkış sinyali süreklidir ve çıkış sinyalinin donanım kontrolü veya yazılım programlaması aracılığıyla periyodik olarak darbeli görünmesini sağlamak zordur; Yüksek hızlı anahtarlama kontrolü, sinyalin periyodikliğini garanti etmeyi zorlaştırır. Pek çok düşünceden sonra, FPGA cihazları, donanım programlama dillerini kullanarak darbe sinyallerini sentezlemek için kullanılır. FPGA sentez pals sinüs sinyali, çıktıyı gerçekleştirmek için FPGA arama tablosu tasarımı ve Verilog HDL dil programlaması olmak üzere iki bölümden oluşur.
2.1 FPGA referans tablosu tasarımı
Tarama tablosu (LUT), sentezlenmiş dalga formunun önemli bir parçasıdır ve arama tablosunun nasıl oluşturulacağı çok önemlidir. Bu tasarım, periyodik bir sinüs dalga formu oluşturmak için programlamak için MATLAB yazılım aracını kullanır ve karşılık gelen noktanın karşılık gelen değerini çıkarmak için sinüs görüntüsünün birkaç noktasını örnek alır. Bir dizi dijital işlemden sonra, işlenen değeri quartus II tarafından oluşturulan rom dosyasına girin. Spesifik tasarım aşağıdaki gibidir:
(1) Sinüs dalgasının ilgili parametrelerini ayarlayın. MATLAB'de sinüs fonksiyonunun frekansını, başlangıç fazını, örnekleme frekansını, örnekleme noktalarının sayısını, genliğini ve DC bileşen değerini ayarlayın, böylece MATLAB periyodik bir sinüs dalga formu çıkarabilir. Tasarım aşağıdaki gibidir:
f = 1; Fs = 256; P1 = 0;
N = 256; t = [0: 1 / Fs: N / Fs];
A0 = 128; A = 128;
s = A * günah (2 * pi * f * t + pi * P1 / 180) + A0;
B = tur (lar); arsa (lar);
F sinyal frekansı olduğunda, bu tasarımın yalnızca bir dalga formu döngüsü, yani f = 1 çıkışı yapması gerekir; Fs, Fs'yi karşılayan örnekleme frekansıdır. > 2f; N, örnekleme noktalarının sayısıdır; s bir işlev ifadesidir; B'deki değer, s'nin yuvarlanmış değeridir.
(2) MATLAB'ın çalışma alanı iletişim kutusundaki B değerini çıkarın ve bir sin.mif dosyası oluşturmak için yeni oluşturulan quartusII Bellek Başlatma Dosyası dosyasına girin. Veri formatı Şekil 4'te gösterilmektedir.
2.2 FPGA programlama sentez sinyali
Sahada Programlanabilir Kapı Dizisi (Alan Programlanabilir Kapı Dizisi, FPGA), PAL, GAL, CPLD ve diğer programlanabilir cihazlar temelinde daha da geliştirilmiş bir üründür. Uygulamaya özel entegre devreler (ASIC) alanında yarı özel bir devre olarak ortaya çıktı. Verilog HDL donanım tanımlama dili, dijital sistem tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır.Bu tasarım, aynı zamanda, FPGA dahili dijital sisteminin tasarımını tanımlamak için bu donanım tanımlama dilini kullanır ve böylece gereksinimleri karşılayan bir darbe sinyali çıkarır [2].
Bu tasarımın ana fikri, Adrese karşılık gelen verileri Arama Tablosundan okumak, saat kontrolü ile D / A çipinin dijital portuna girmek ve bunu bir analog sinyale dönüştürmektir. İlk olarak tasarım modülündeki ilgili giriş ve çıkış portlarını tanımlayın Giriş ve çıkış portları esas olarak saat girişi CLK, sıfırlama giriş portu RST_B, 8-bit veri çıkışı q portu ve çıkış DAC çip saat sinyali portu içerir. Modül tasarım portu ayarları aşağıdaki gibidir:
/ *********** G / Ç Bağlantı Noktası ************* /
giriş CLK;
girdi RST_B;
outputq;
outputDAC_CLK;
wireCLK;
wireRST_B;
tel [7: 0] q;
wireDAC_CLK;
ROM, modül devre koduna örneklenir:
/ ********** ROM örneği ************ /
ROM_P I_ROM_P (
. adres (adres),
.clock (CLK),
.q (q));
Oluşturulan mif dosyası dijital modüle aktarılır ve program modülü veri adresini üretir, adresi ROM_P adresiyle eşleştirir ve adrese karşılık gelen değeri okur. Donanım düzeyinde, saat sinyalinin kontrolü ile, ROM_P'deki adrese karşılık gelen değer, analog sinyale dönüştürülen D / A çipinin girişine gönderilir ve gerekli sinüzoidal darbe sinyali sentezlenir.
3 deneysel sonuç
İlgili tasarımı bitirdikten sonra, donanım devresine ve FPGA dijital sisteme ilgili hata ayıklamayı devam ettirin, ilgili testi tamamlayın. İlgili parametreleri ayarlayın ve tasarlanan dijital sistemi donanım sistemine indirmek için quartusII yazılım platformunu kullanın.
Şekil 5 ve 6'da gösterildiği gibi, tek kanallı bir sinüzoidal darbe sinyalinin dalga biçimini görüntülemek için dijital bir osiloskop kullanın. Şekil 7'de gösterildiği gibi, karşılık gelen parametreleri FPGA kontrolü ve ayarlamasıyla ayarlayın ve çok darbeli sinyal dalga biçimini çıkarın.
Bu tasarım, kontrol edilebilir döngü sayısı ile sinüzoidal bir darbe sinyali üretebilir ve darbe sinyalinin frekansı, karşılık gelen parametreler ayarlanarak ayarlanabilir.Ayar aralığı, elektromanyetik ultrasonik darbe sinyali üretecini tamamen tatmin edebilecek şekilde onlarca kilohertz ila birkaç megahertz'e ulaşabilir Gereksinimler.
4. Sonuç
Sinyal oluşturucu, elektromanyetik ultrasonik test sisteminin temel bileşenlerinden biridir Bu makalede tasarlanan darbeli sinüzoidal sinyal oluşturucu, nispeten kararlı bir sinüzoidal darbe sinyali sağlayabilir. Araştırma sonuçları aşağıdaki gibidir:
(1) FPGA yongasını kullanarak ve darbe sinyalini sentezlemek için donanım programlama dilini kullanarak, uyarma çıkış sinyalinin sürekliliği olarak DDS yongasının doğrudan kullanımının eksikliklerinin üstesinden gelen ve çıkış sinyalinin sürekliden darbeye değişmesini sağlayan yüksek frekans ve kararlı sinyal özelliklerine sahiptir. , Ve modül devresinin tasarımını basitleştirin.
(2) FPGA yongası, yüksek frekanslı darbe sinyallerinin çıkışını doğru bir şekilde kontrol edebilen darbeli sinüzoidal sinyaller üretmek için kullanılır.Güç amplifikasyonu izolasyonu ve empedans eşleştirmesi sayesinde, elektromanyetik ultrasonik algılama için uygun uyarma sinyalleri üretilebilir. Bu tasarım, kolay bozulma, büyük harmonikler ve belirsiz başlangıç aşaması gibi geleneksel PWM teknolojisinin eksikliklerinin üstesinden gelir.
Referanslar
[1] Huang Songling, Wang Kun, Zhao Wei Elektromanyetik Ultrasonik Kılavuzlu Dalgalar Teorisi ve Araştırması M Pekin: Tsinghua University Press, 2013.
[2] Pan Weicai, FPGA tabanlı elektromanyetik ultrasonik test sistemi [D] üzerine araştırma Harbin: Harbin Teknoloji Enstitüsü, 2008.
3 MIRKHANI K, CHAGGARES C, MASTERSON C, ve diğerleri EMAT vericilerinin optimum tasarımı J. NDT ve E International, 2004, 37 (3): 181-193.
[4] Jin Zhe. Ray geriliminin elektromanyetik ultrasonik test teknolojisi üzerine araştırma D Nanjing: Nanjing Havacılık ve Uzay Üniversitesi, 2011.
[5] Xia Yuwen Verilog Dijital Sistem Tasarım Kursu [M] Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2008.
