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基于ZYNQ阵列涡流检测系统硬件设计(一）_基于fpga的相敏检波算法

作者：码创造者 | 2024-08-13 10:12:20

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基于fpga的相敏检波算法

为实现阵列涡流检测系统总体功能，需研制一套多通道信号采集硬件系统，以搭配

软件编程实现分时激励和分时采集。基于以上要求，本章介绍了阵列涡流检测系统的硬

件模块设计。

3.1 阵列涡流检测系统总体设计

阵列涡流检测系统需要利用 DA 数模转换芯片对激励线圈进行正弦激励，激励信号

需外加功率运放提高带负载能力。感应线圈的感应信号会被 AD 模数转换芯片进行采集，

ZYNQ 的 PL 部分会将 AD 模数转换芯片的数字量保存在 FIFO 中，编写数字相敏检波

算法将感应电压信号进行阻抗分解，实现感应信号实部、虚部和相位差的获得。最后通

过 LWIP 传输到上位机中进行显示。

3.2 阵列涡流检测系统硬件设计

3.2.1 ZYNQ 平台

Zynq-7000 系列是 Xilinx 设计的拥有 FPGA+ARM 的结合，全可编程这是一个野心

也是一个趋势，便于设计开发，加速产品上市 [51-53] ， Zynq-7020 芯片内部所集成的 FPGA

和 ARM 资源， FPGA 一种硬件可编程芯片， ARM 是基于 RISC 的微处理器，具有软件

可编程性，两者结合稳定性和灵活性高 [54-56] 。 ZYNQ 的 PS 和 PL 之间的传输采用了 AXI

总线，两者之间的数据传输是通过乒乓缓存的方式进行，

ZYNQ 的 PS 包含处理器和 DDR

控制器， PL 部分包含 Xilinx 的 Artix 处理器， PS 和 PL 的集成让 ZYNQ 既拥有了极其

强大的扩展性，又降低了开发难度，提高了数据传输的稳定性 [57-61] 。

3.2.2 DAC 转换电路

选用 AD9767 将 ROM 查找表中的数字量转换为模拟量。 AD9767 是一个双通道，高

速 14 位 CMOS DAC 最高数模转换速度可达 125MSPS 。 AVDD 引脚为模拟电压输入，

输入电压范围最高可达到 6.5V ， AVDD 引脚的电压最高值限定了模拟电压的范围。

DVDD 引脚为数字电压输入，输入电压范围最高可达到 6.5V ， DVDD 引脚电压幅值过

高导致 AD9767 会提高对数字电压高电平所要求的实际电压数值。

AD9767 里内部含有控制放大器，用于调节全尺度输出电流 I OUTFS ，全尺度输出电流

I OUTFS 是参考电流 I REF 的 32 倍。

AD9767 通过将IREF限定在 62.5μA 到 625μA 可以将IOUTFS限定在 2mA 到 20mA 之间。

其中 DAC CODE 表示 AD9767 的输入数字量， AD9767 有两个数字输入通道，每个

输入数字通道都有 14 个并联输入且都有独立的 WRT 线和 CLK 线。当 MODE 引脚绑定

为逻辑 1 时， AD9767 将进入双端口模式，这时每个 DACs 都有自己完全独立的数字输

入和控制线，两者互不干扰。

数字量会进入到输入锁存器中，之后会进入到 DAC 锁存器，最后模拟量会得到新

值。其中 WRT 线路控制通道输入锁存，而 CLK 线路控制 DAC 锁存，两组锁存器都会

在各自的控制线的上升边缘进行更新。在 AD9767PCB 布线的时候，可以将 WRT 和 CLK

接在一起，使得两组锁存器同时更新，但 CLK 不可以滞后 WRT ，否则将突破数据的建

立保持时间，会使得数据的输出出现错误。

当 MODE 引脚设定为逻辑 0 时， AD9767 会以交错模式运行，此时 WRT1 将作为

IQWRT 而 CLK1 将作为 IQCLK ， WRT2 作为 IQSEL ， CLK2 作为 IQRESET 。在 IQWRT

的上升沿，数字量会进入到设备中。当 IQSEL 为逻辑 1 时，数字量会进入到通道 1,当

IQSEL 为逻辑 0 时，数字量会进入到通道 2 。当 IQRESET 为高电平时， IQCLK 将会被

禁用，当 IQRESET 变为低电平时，在 IQCLK 的下一个上升沿， DAC 锁存器会被更新

并改变模拟量的输出值。

本设计中将 MODE 引脚连接到 3.3V 电压中，即将 MODE 置为高电平，使得通道之

间是独立运作的，将通道 2 的 14 个输入量接 10K 电阻连地， CLK2 和 WRT2 可以不接

电阻，使得通道 2 关闭。

为了将 AD9767 的差分输出变为单端输出，采用一个运算放大器来执行差分到单端

的转换。这里选用 AD8066 电压反馈放大器。 AD8066 是双路放大器，具有 5V 到 24V

宽电源供电，带宽为 145MHz ，具有轨到轨输出能力。

如图 3-5 所示 AD8066 差分输出由 R20，R26，R21 和 R2 确定。

3.2.3 功率放大电路

OPA544F 是一种高压高电流运算放大器，具有 2A 的高电流输出能力，可以驱动高

功率负载，拥有 ±10V 到 ±35V 的宽电源供电范围。 OPA544F 内部具有热保护，最大保护

电流为 4A ，实测将 OPA544F 的正负电源接反，测量电流值为 3980mA 上下，可以起到

限流保护的作用。

将 OPA544F 运放设置成同相放大，用±12V 供电，组成同相放大电路。

3.2.4 激励通道模拟开关

激励线圈和感应线圈可以相互转换，将功率运放的输出连接到 8 个线圈，需要一个

多路复用开关。在选取激励多路复用开关的时候需要考量的是多路开关最大可通过的电

流值，很遗憾大部份整合度高的多路开关的可通过电流值都很小，目前发现了一种但是

只允许一个通道的关断，因此需要每一个通道都配备一个模拟开关。

。。。

利用所构建的涡流无损检测硬件和软件系统，用信号发生器作为标准信号源代替感

应线圈的感应信号，检验设计的硬件系统输出激励和接收感应信号的能力以及数字相敏

检波算法的正确性。整个系统包括信号发生器、电源、示波器、 ZYNQ 核心板、采集系

统板等模块，构造如图 5-10 所示的检验系统，利用逻辑分析仪抓取信号发生器与 DA 输

出信号进行相位计算并与数值相敏检波算法计算的相位进行对照，验证系统设计。

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