电磁场无损检测中的信号发生电路设计

蒋齐密　郑小年　陈吉红　周济

【摘要】为了解决电磁场无损检测系统中信号频率易受环境因素影响而产生波动的技术难题，提出了一种新的信号发生电路。该电路具有消除温度漂移从而保证信号频率稳定不变的特点，这将有利于提高基于电磁场的无损检测效果。

　　关键词：电磁场;无损检测;信号发生电路;频率

TheDesignofSignalProducingCircuitUsedforMagneticNon-destroyInspection

JiangQimiZhengXiaonian　ChenJihongetal

Abstract：Tosolvetheproblemoffrequencybeingeasilyinfluencedbythesurroundingfacts,anewtypeofsignalproducingcircuitispresentedinthispaper.Thecharacteristicofthiscircuitisthatthereisnotemperaturedriftandthesignalfrequencyisconstant.Soitwillbeveryusefulforimprovingthenon-destroyinspectioneffectwithmagneticfield.

Keywords：Magneticfield;Non-destroyinspection;Signalproducingcircuit;Frequency

　　众所周知，电磁场是力场中最常见的一种。将基于电磁场的传感器与用于信号分析处理的模拟/数字电路以及计算机有机的组合起来，这便是基于电磁场的无损检测系统。虽然人们在电磁场的无损检测方面已取得了许多进展，但基于电磁场的无损检测效果仍有许多不尽人意之处，其中一个重要的影响因素便是检测系统的信号经不起环境因素的干扰，从而对系统的工作产生严重的影响。信号发生电路正是基于这样的背景下研制的。

1　电磁场无损检测对信号的基本要求
　　在基于电磁场的无损检测系统中，信号频率对检测效果的影响很大。因为信号频率不稳定将给后继电路对信号的处理带来极大的困难，甚至使电磁场检测难以进行。所以，在设计电路时必须采取一系列有效的措施来消除环境因素如温度等的影响，从而保证信号频率在检测过程中恒定不变。显然，在信号分析处理的电路设计中，信号发生电路部分的设计是最关键的环节之一。因为信号发生电路是整个检测系统的信号源，它的信号频率是否稳定将对整个检测系统的工作起着十分关键的作用。

2　一种新的信号发生电路设计
　　为了达到电磁场无损检测系统对信号的基本要求，下面提出一种新型的信号发生电路，其工作原理，如图1所示。

图1　信号发生电路

　　在图1所示的电路原理图中，首先由晶振产生8.192MHz的信号，该信号经分频器分频后(14分频)变为500Hz(即8.192×10⁶/2¹⁴)，这一信号频率将作为标准频率。信号发生器XR2206将产生两个频率完全相同的信号，一个为正弦波，一个为方波。其中方波信号被送至分频电路分频。为了得到阶跃性变化的频率，分频电路的分频系数K_f有两个值，即2和16。当来自锁存器的信号FRQA7为低电平时，分频系数K_f=2；而当FRQA7为高电平时，分频系数K_f=16。设信号发生器产生的信号频率为f，该信号经分频电路分频后将变为f/K_f。然后这一信号被送至同步减法器，与来自锁存器的低7位FRQA0～6(设该数据为K_a)进行运算后，得到的信号频率将为f/K_fK_a。这一输出信号连同由晶振产生并经分频后得到的频率为500Hz的标准信号一起送入锁相环进行比较。如果二者相等(即f/K_fK_a=500)，则由信号发生器XR2206产生的信号频率f不再变化，这时频率f可由下式计算：f=500K_fK_a。如果由同步减法器送出的信号频率大于500Hz(即f/K_fK_a>500)，则由锁相环输出的电压V_c将下降，从而促使波形发生器XR2206产生的信号频率f减小。这个过程一直进行到由同步减法器输出的信号频率f/K_fK_a等于500Hz为止，从而保证f≡500K_fK_a；如果由同步减法器送出的信号频率小于500Hz(即f/K_fK_a<500)，则由锁相环输出的电压V_c将上升，从而促使波形发生器XR2206产生的信号频率f增大。这个过程也将一直进行到由同步减法器输出的信号频率f/K_fK_a等于500Hz为止，从而始终保证f≡500K_fK_a。
　　由此可见，上述电路形成了一个闭环控制。无论环境因素(如温度等)如何变化，都不会影响信号发生器XR2206产生的信号频率f，这样信号发生器XR2206产生的信号频率f将始终恒定(即f≡500K_fK_a，而K_a是一由计算机发送到锁存器并由锁存器锁存的数据)，这正是该信号发生电路设计的精髓所在。由于信号发生器XR2206所产生的正弦波的频率同方波的频率是完全相同的，这样正弦波的频率也将始终恒定于f，这正是测试系统所需要的。
　　图1中将有3路频率均为f的输出信号：
　　(1)正弦信号Asin2πft，该信号将加在电感传感器上，从而使电感传感器产生感应磁场；
　　(2)超前上述正弦信号90°的方波信号A90；
　　(3)与上述正弦信号同步的方波信号A0。
　　当电感传感器用于检测时，正弦信号产生的感应磁场将发生变化，电感传感器的阻抗也将发生变化，从而使电感传感器输出信号的幅度和相位发生改变。为了计算这时电感传感器输出信号的幅度尤其是相位，需由后面两路方波信号来对传感器的输出信号进行解调，即将输出正弦信号分为实部和虚部两项。后面具体的处理电路和分析计算，这里不在赘述。
　　波形发生器XR2206是一种较新的信号发生器，其管脚的连接如图2所示，其中Q₅是一场效应管，各元件的具体参数，如表1和2示。

图2　波形发生器

表1　电阻参数值，kΩ

表2　电容参数值，μF

3　工程应用
　　该信号发生电路可应用于各种基于电磁场的无损检测系统中。图3所示的涡流式传感器检测，便是最常用的利用感应磁场的检测系统。这类检测系统常用来检测导体零件，显然信号频率的稳定与否对其检测效果影响很大。

图3　电涡流式传感器检测

　　此外，各种电子仪器仪表，对信号频率的稳定性都有较高的要求。尤其是各种工业控制和测试中的电子仪器仪表，由于工作环境恶劣，更要求信号频率具有很强的抗干扰能力。可见，信号发生电路的研制为改善这类仪器仪表的性能提供了一个重要途径。

4　结论
　　在许多工程应用中，都有保证信号频率稳定不变的要求，本文提出的信号发生电路正是为适应这一要求而设计的。该电路采用了新型的信号发生器XR2206，并采用了闭合控制，消除了温度漂移，保证了信号频率的稳定不变，从而满足了电磁场无损检测对信号频率的要求。毫无疑问，该信号发生电路也完全适合其他要求频率稳定的工程应用中。

作者单位：华中理工大学(武汉430074)

参考文献
　1　Buckley,Shawn.RoadTestAerodynamicInstrumentation.SAE741030,SocietyofAutomotiveEngineering.AutomobileEngineeringMeeting,Toronto,Canada,1974.
　2　Buckley,Shawn.SortingOutElectronicPartsSo

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