应用在ACFM无损检测仪器中的正交信号源设计
摘 要：本文介绍了一种应用在交变磁场测量（ACFM）无损检测仪器中的正交信号源的系统结构设计、硬件构成以及软件流程等。该信号源与传统正交信号源相比具有幅值、频率精确可调，通过采用闭环控制自动调整由外接负载引起的信号源正交相位变化在（90_±0.1_）范围内。
关键词：ACFM；DDS；AD7008；正交信号源
引言
交变磁场测量是一种能够精确测量金属表面裂纹的电磁场无损检测技术，其中一种测量方法就是利用正交信号源激励线圈产生的旋转磁场来检测裂纹，但是这种方法对正交信号源的正交相位精度要求很高，从而直接影响了被激线圈产生的旋转磁场的各项品质特性和无损检测系统的检测精度。
本文设计的正交信号源利用了目前在频率/波形合成技术方面广泛应用的DDS(直接数字频率合成)技术，该技术能够实现对输出信号的频率、相位的精确控制，具有频率分辨率高、转换速度快、信号纯度高、输出的信号上没有叠加任何电流脉冲，相位可控且保持连续变化，输出是一个平稳的过渡过程等优点，同时系统采用闭环控制可自动调整由外接负载引起的信号源正交相位精度变化到容差范围（90_±0.1_）内，较好的解决了传统正交信号源存在的问题。
系统结构设计
系统结构如图1所示，下位机根据由键盘或者上位机的操作来控制外部电路产生预定参数值的正交信号，并将相应信息送到LCD显示。两片DDS芯片采用同一外部晶振作为参考信号，使一路信号保持初始相位（不移相），另一路信号移相90_来产生相位正交、预定频率值的正弦信号，然后经过滤波电路送到幅值调节电路来调节正交信号的幅值。从幅值调节电路出来的正交信号再经过鉴相电路将正交相位信息反馈回给单片机，如果正交相位精度不在容差范围内，单片机将自动调节相位控制字直到满足正交相位精度要求。
图1 系统整体设计思路框图
统硬件组成及部分电路实现
本文设计中下位机采用INTEL公司的80C196KB16位单片机，该单片机片上集成了10通道ADC、PWM以及监视器等，可以大大简化本设计的硬件电路。DDS芯片采用了ADI公司的AD7008，该芯片内含32位相位累加器、正余弦查找表、10位DAC以及两个频率、一个相位、两个IQMODE寄存器等。AD7008控制接口简单，可以用8位或者16位并行口或者串行口直接对信号的相位、频率以及幅值加以控制，在20MHz的外部参考时钟时输出信号的频率分辨率可以达到0.047Hz,相位分辨率小于0.1_。
2.1 DDS芯片部分设计
图2为以AD7008为核心的正交信号产生电路的一部分。
图2 正交信号产生电路
由图2所示，AD7008采用8位并行传输方式，并行数据（D00~D07）来源于单片机数据总线低八位（D0~D7）。AD7008的/W/R1（另一路为W\R\2）、LOAD信号由P1口产生，而TC3~TC0的数值决定了AD7008将存在片内缓存器里面的数据送入到那个寄存器，本设计中利用到的TC3~TC0的数值有1000（频率寄存器0）或1001（频率寄存器1）和1010（相位寄存器）。
设计时有几点需要注意：首先，设计电路板时应尽量保证正交信号经过电路的参数的对称性，以减少对信号相位精度的影响；其次，对AD7008最好先送相位控制字再送频率控制字以降低单片机的指令执行时间对正交信号相位精度的影响。此外，AD7008输出信号应经过一级由运放LF356构成的射级跟随器，以提高信号带负载能力。
2.2 滤波器及幅值调节电路设计
1. 由于DDS芯片采用波形查表技术，经过片内DAC产生正弦波，因此输出波形呈现阶梯状，含有丰富的高频分量，必须设计合适的低通滤波器（LPF）以达到滤除高频分量、平滑输出波形、改善波形质量的目的。
常用的LPF种类有巴特沃斯、切比雪夫和椭圆滤波器等。由于在本次设计中通带内的增益平稳性是较截止频率处衰减特性更为重要设计要求（直接影响信号的幅值调节精度），所以本文设计了五阶的巴特沃斯低通滤波器。图3就是五阶归一化巴特沃斯LPF的硬件电路图。
图3 五阶巴特沃斯低通滤波器电路图
而对正交信号的幅度调节电路是由运放LF356和D\A变换器AD7524组成。AD7524是由AD公司生产的8位低功耗CMOS型DAC,它的输入输出关系为，由此可见，如果把需要调节的正弦信号作为AD7524参考信号，通过调节N的数值就可以实现对信号幅值调节。
2.3鉴相电路设计
虽然AD7008的移相精度小于0.1_，然而由于两路信号经过电路的参数不可能完全一致，特别是带了负载以后会对信号的相位精度产生较大影响，往往超出预定的信号正交容差范围（90_±0.1_）。于是本文设计了鉴相电路，将正交信号的相位信息反馈给单片机，单片机再根据这些信息调整AD7008的相位控制字来调节正交信号的相位差进入到正交容差范围。鉴相电路的设计思路如下：
(*)
(**)
由（*）式可知，如果将两路正交信号经过模拟乘法器（MPY634）后经过一个低通滤波器(MAX291)滤掉交流项，就可以得到一个包含相位差精度信息的直流项，然后把它送到单片机的片上A\D采样后送给单片机处理正交相位精度信息。然而由于模拟乘法器的精度、低通滤波器的增益以及A\D的量化误差都会影响到测得的直流项的数值精度，另外由于信号的幅值A是可调整的，所以又会增加软件设计上的复杂性。然而由二式可知,如果将正交信号中的一路信号经过同样的模拟乘法器平方后通过同样的低通滤波器滤掉交流项，再用同样的A\D采样就可以得到由信号的幅值决定的幅值项，同时该项中也包含了由模拟乘法器的精度、低通滤波器的增益以及A\D采样带来的数值精度误差。所以只要把所得到直流项和幅值项的A\D采样数值送给单片机相除就可以得到只由正交相位精度所决定的余弦函数值cos（90_+Φ），从而排除了以上问题，减轻了软件设计的复杂程度。
单片机软件流程
本系统中单片机的程序设计主要是完成与上位机的通信，根据上位机发来的命令和键盘输入信息控制正交信号的频率和幅值，同时处理鉴相电路送来得相位精度信息，调节信号正交相位精度等。需要说明的是，在软件设计中为了提高精度，建立了一个相位信息查找表。根据笔者实际经验，正交相位差精度不会超过5_，这里取8_。因此表格就包括了与从-80_~+80_、步进0.1的所有相位信息所对应的直流项幅值。这样单片机就可以根据A\D采样的直流项幅值在相位信息查找表里找到相对应的具体正交相位精度。本次设计的单片机的软件设计流程图见图5。
结语
本信号源利用DDS技术产生正交信号及采用闭环控制正交相位精度，因此具有精度高，信号切换速度快，频率、幅值、相位分辨率高，可自动调整由负载引起的正交相位差变化等。本正交信号源研制成功后，运行性能良好，具有较高的精度和稳定度，实现了对50Hz~5MHz频率范围内正交信号的复制相位精确控制现已成功应用在ACFM无损检测仪器里。
图4 软件设计流程图
参考文献：
1 胡祥超.基于DDS技术的正交信号源设计,[国防科技大学学位论文]. 2003.
2 孙涵芳.Intel 16位单片机,北京:北京航空航天大学出版社. 1995.11.
3 CMOS DDS Modulator AD7008. Analog Device. 1995.
4 D.E.约翰逊,H.P.穆尔. 有源滤波器精确设计手册,北京:电子工业出版社. 1984.
5 孙静,周志.数字式频率特性测试仪设计,四川轻化