基于Proteus的脉冲发生器设计与仿真.docx
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基于Proteus的脉冲发生器设计与仿真
基于Proteus的脉冲发生器设计与仿真
王东锋;张爽;孔立堵
【摘要】针对脉冲涡流检测的需要,设计了可调频的脉冲信号发生器.以简单、可调的比较电压发生电路为控制源,先将比较电压经μA741放大后送入ADC0832进行A/D转换,再将所得的数字信号送人单片机AT89S51,在单片机软件控制下输出一定频率的脉冲信号.硬件设计省去了传统的调频电路,简化了结构;软件设计采用中断控制A/D转换,避免了数据的重复采集.Proteus仿真结果表明,系统设计正确,运行可靠.
【期刊名称】《中国测试》
【年(卷),期】2009(035)005
【总页数】3页(P102-104)
【关键词】脉冲涡流检测;脉冲发生器;调频;A/D转换;单片机
【作者】王东锋;张爽;孔立堵
【作者单位】空军第一航空学院,河南,信阳,464000;空军第一航空学院,河南,信阳,464000;空军第一航空学院,河南,信阳,464000
【正文语种】中文
【中图分类】工业技术
中国测试CHINAMEASUREMENT&’ESTV01.35No.5September,2009基于Proteus的脉冲发生器设计与仿真王东锋,张爽,孔立堵(空军第一航空学院,河南信阳464000)摘要:
针对脉冲涡流检测的需要,设计了可调频的脉冲信号发生器。
以简单、可调的比较电压发生电路为控制源,先将比较电压经yA741放大后送入ADC0832进行A/D转换,再将所得的数字信号送入单片机AT89S51,在单片机软件控制下输出一定频率的脉冲信号。
硬件设计省去了传统的调频电路,简化了结构;软件设计采用中断控制A/D转换,避免了数据的重复采集。
Proteus仿真结果表明,系统设计正确,运行可靠。
关键词:
脉冲涡流检测;脉冲发生器;调频;A/D转换;单片机中图分类号:
TP346;TP391.9文献标识码:
A文章编号:
1674-5124(2009)05-0102-03DesignandemulationofpulsesignalsourcebasedonproteusWANGDong-fery;,ZHANGShuang,KONGLi-du(TheFirstAeronauticInstituteofAirForce,Xinyang464000,China)Abstract:
Forthedemandofpulsewhirl-pooltestin8,thepulse8ignalsourceoffrequencymodulationwasdesigned.Simpleandadju8tablecomparablevoltty;eSeneratorwasusedascontrolsource.ThevoltagewasamplifiedbyyA741andwasputintoADC0832toconductA/Dconversion.Then,thedigitalsignalwastransmittedintosinglechipAT89S51.Underthecontrolof8inglechipssoftware,thepulsesignalofcertainfrequencywasoutput.Asfordesignofhardware,theconventionalfrequencymodulationcircuitwasomitted.Inthedesi8nofsoftware,interruptioncontrolwasusedtoavoidrepeateddatacollection.TheP:
roteusemulationresultsshowthattbisdesigniswellandthesystemworkreliably.Keywords:
Pulsewhirl-pooltesting;Pulsesignalsource;Frequencymodulation;A/Dchan{;e;Singlechip1引言飞机结构损伤调查表明,腐蚀是各类飞机结构的最主要损伤形式之一,也是许多结构突然断裂的主要诱因,如起落架外筒、螺旋桨毂、机翼等构件的突然断裂【l】。
因此,飞机结构腐蚀的检测对于确保飞行安全具有极为重要的作用。
然而我军现有的超声波、磁粉等无损检测技术只能有效检出飞机结构的表层腐蚀【2l,对经常出现在飞机蒙皮表层以下的内层结构腐蚀,如机翼蒙皮下的翼肋、T型帽、螺母孔、加强筋、液压管道的内壁等腐蚀的检测却难以奏效网。
X-射线虽能检测出内层结构腐蚀,但由于体积庞大,很难用于外场飞机的原位检测。
因此,迫切需求一种能够在外场对飞机内层结构腐蚀进行在线检测的无损检测技术。
收稿日期:
2008-11-12:
收到修改稿日期:
2009-01-19基金项目:
武器装备军内科研项目(KJ08210)作者简介:
王东锋(1974-),男,河南孟津人,讲师,硕士,主要从事航空装备维修的教学与研究工作。
研究表明,脉冲涡流检测技术在内层结构腐蚀及其他缺陷的定量检测和评估方面具有明显的优势【4】与传统涡流检测不同,脉冲涡流的激励电流为一个具有一定占空比的方波,施加在探头上的激励方波会感应出脉冲涡流在被测试件中的传播,此脉冲涡流又会感应出一个快速衰减的磁场随着感生磁场的衰减,检测线圈上就会感应出随时间变化的电压。
由于脉冲包含很宽的频谱,感应的电压信号中就包含重要的缺陷深度信息。
而作为脉冲涡流的信号发生器,其频率对涡流的渗透深度乃至检测精度有着重要影响。
传统设计的脉冲信号源,或由于频率不可调而不能适应深度不同的缺陷检测;或虽可调频,但由于采用复杂的模拟电路设计,易受温度等因素干扰,检测精度不高。
文章基于单片机和数字调频技术,对新型可调频脉冲信号发生器的设计与仿真进行了探讨,以期为脉冲涡流检测技术的应用奠定技术基础。
CHINAMEASUREMENT&’ESTV01.35张爽,孔立堵(摘要:
针对脉冲涡流检测的需要,设计了可调频的脉冲信号发生器。
以简单、可调的比较电压发生电路为控制源,先将比较电压经yA741放大后送入ADC0832进行A/D转换,再将所得的数字信号送入单片机AT89S51,在单片机软件控制下输出一定频率的脉冲信号。
硬件设计省去了传统的调频电路,简化了结构;软件设计采用中断控制A/D转换,避免了数据的重复采集。
Proteus仿真结果表明,系统设计正确,运行可靠。
emulationofpulsesignalsourcebasedonproteusDong-fery;,ZHANGShuang,KONGLi-du(TheFirstAeronauticInstituteofAirForce,Xinyang464000,China)Abstract:
Forthedemandofpulsewhirl-pooltestin8,thepulse8ignalsourceoffrequencymodulationwasdesigned.Simpleandadju8tablecomparablevoltty;eSeneratorwasusedascontrolsource.ThevoltagewasamplifiedbyyA741andwasputintoADC0832toconductA/Dconversion.Then,thedigitalsignalwastransmittedintosinglechipAT89S51.Underthecontrolof8inglechipssoftware,thepulsesignalofcertainfrequencywasoutput.Asfordesignofhardware,theconventionalfrequencymodulationcircuitwasomitted.Inthedesi8nofsoftware,interruptioncontrolwasusedtoavoidrepeateddatacollection.TheP:
roteusemulationresultsshowthattbisdesigniswellandthesystemworkreliably.Keywords:
Pulsewhirl-pooltesting;Pulsesignalsource;Frequencymodulation;A/Dchan{;e;Singlechip1引言飞机结构损伤调查表明,腐蚀是各类飞机结构行安全具有极为重要的作用。
然而我军现有的超声波、磁粉等无损检测技术只能有效检出飞机结构的表层腐蚀【2l层结构腐蚀,如机翼蒙皮下的翼肋、T型帽、螺母孔、加强筋、液压管道的内壁等腐蚀的检测却难以奏效网。
X-射线虽能检测出内层结构腐蚀,但由于体积庞大,很难用于外场飞机的原位检测。
因此,迫切需求一种能够在外场对飞机内层结构腐蚀进行在线检测的无损检测技术。
收稿日期:
2008-11-12:
收到修改稿日期:
2009-01-19基金项目:
武器装备军内科研项目(KJ08210)作者简介:
王东锋(1974-),男,河南孟津人,讲师,硕士,主要研究表明,脉冲涡流检测技术在内层结构腐蚀及其他缺陷的定量检测和评估方面具有明显的优势【4】流为一个具有一定占空比的方波,施加在探头上的激励方波会感应出脉冲涡流在被测试件中的传播,此脉冲涡流又会感应出一个快速衰减的磁场随着感生磁场的衰减,检测线圈上就会感应出随时间变化的电压。
由于脉冲包含很宽的频谱,感应的电压信号中就包含重要的缺陷深度信息。
而作为脉冲涡流的信号发生器,其频率对涡流的渗透深度乃至检测精度有着重要影响。
传统设计的脉冲信号源,或由于频率不可调而不能适应深度不同的缺陷检测;或虽可调频,但由于采用复杂的模拟电路设计,易受温度等因素干扰,检测精度不高。
文章基于单片机和数字调频技术,对新型可调频脉冲信号发生器的设计与仿真进行了探讨,以期为脉冲涡流检测技术的应用奠定技术基础。
第35卷第5期王东锋等:
基于Proteus的脉冲发生器设计与仿真1032脉冲信号发生器的组成及工作要求脉冲信号发生器的组成包括比较电压产生电路、运算放大电路、A/D转换电路、单片机和脉冲信号放大电路构成,其系统组成见图1。
系统的工作原理是,通过调整电位器旋钮产生比较电压信号,该信号经运算放大器放大输出调频电压信号,然后将该模拟信号送入A/D转换芯片,转换为数字信号送入单片机,单片机再将此数字信号处理变换为一定频率的脉冲信号。
由于单片机的放大功能有限,为使检测线圈能够感应出一定强度的涡流,对单片机输出的脉冲信号进行了放大。
阿丽k两丽¨师溺雨习l产生I一堕叫图1脉冲信号发生器的组成根据检测对象的要求,脉冲信号发生器的脉冲频率设计为100—3000Hz。
3硬件设计3.1调频电压产生电路调频电压产生电路的原理图如图2所示。
图2调频电压的产生Ri、R2、R3和见组成电压比较电路,其中风、R3远大于R2和R4,目的是获得近似恒流源的输出电压Vil和y丑。
y辽用作恒定基准电压,其值由电阻R4串联分压决定。
v;,则作为调频电压的控制端,其值取决于调频电位器R2的实际分压大小。
调节电位器R2可使比较电压信号(VL2-Vil)发生改变,该信号经差动运算放大器IlA741放大后即成为控制涡流脉冲频率的调频电压。
使用差动运算放大器的另一个作用是抑制温度等因素对输出模拟电压的影响嗍。
由集成运放的特性,不难分析出图2输出的调频电压范围为0—4.76V(该范围由R2的调节范围决定)。
3.2A/D转换及信号处理电路图2输出的0—4.76V的调频电压信号+5v需转换为数字信号才能控制脉冲频率,其电路原理图如图3所示。
其中模/数转换芯片ADC0832的作用是将CHO通道送来的模拟电压转化为单片机能够识别的数字信号,该芯片采用串行通信方式,通过DI数据输入端进行通道选择、数据采集和数据传送6-q。
转换后的数字量Vcd与输入的调频模拟电压vo存在如下关系唧:
Vcd=51-y
(1)由于调频电压vo的输出范围为0—4.76V,则转换后的数字量最小值Val=51x0=0,最大值yal=51x4.76—240。
如果每一个数字量对应一种脉冲频率,则可以产生240种输出频率不同的脉冲信号。
采用AT89S51新型单片机来将数字信号转化为一定频率的脉冲信号,因为脉冲的频率与周期有关,而脉冲周期可以由单片机的定时器来控制Ilo】,即以定时常数为脉冲的半周期,使单片机的引脚(P3.7)每半个周期将输出电平取反一次即可获得脉冲信号。
其定时常数计算方法如下:
因为100Hz脉冲信号的脉冲半周期tl-ll(2f;)=5000vs(对应数字量的最大值Va=240),3000Hz脉冲信号的脉冲半周期t2_11(2f2)=166p8(对应数字量的最小值Vcd=0)。
利用线性关系,可得出脉冲半周期t与数字量y以的关系为:
t=20.Vcd+166
(2)由式
(2)可知,当输入的调频电压改变时,经AID转换后的数字量y以也必然改变,从而使脉冲半周期随之发生线性变化,因而可以控制输出脉冲的频率。
4单片机的C语言程序设计系统的硬件必须在程序控制下才能正常工作,采用C语言编写系统的驱动软件。
因为系统的工作过程是:
调节调频电位器R:
旋钮_+比较电压产生_+放大输出调频电压-+A/D转换_+单片机的数┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓┃.xrALIPO.WADO┃┃PO.UAD11021AD2,mu.2P03/AD3PO.NAD4POSAD510.6iAD6RflF0.7/AD7EPl3n3nNTIP1.4vu.rroP!
5P3uriP!
6P3.qlRP1.7P3.nKD┃┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛图3调频电压信号处理电路■第35卷第5期王东锋等:
基于Proteus的脉冲发生器设计与仿真脉冲信号发生器的组成及工作要求脉冲信号发生器的组成包括比较电压产生电路、运算放大电路、A/D转换电路、单片机和脉冲信号放大电路构成,其系统组成见图1。
系统的工作原理是,通过调整电位器旋钮产生比较电压信号,该信号经运算放大器放大输出调频电压信号,然后将该模拟信号送入A/D转换芯片,转换为数字信号送入单片机,单片机再将此数字信号处理变换为一定频率的脉冲信号。
由于单片机的放大功能有限,为使检测线圈能够感应出一定强度的涡流,对单片机输出的脉冲信号进行了放大。
l产生I一堕叫图1脉冲信号发生器的组成频率设计为100—3000Hz。
3硬件设计3.1调频电压产生电路2调频电压的产生Ri、R2、R3和见组成电压比较电路,其中风、R3远大于R2和R4,目的是获得近似恒流源的输出电压Vil和y丑。
y辽用作恒定基准电压,其值由电阻R4串联分压决定。
v;,则作为调频电压的控制端,其值取决于调频电位器R2的实际分压大小。
调节电位器R2可使比较电压信号(VL2-Vil)发生改变,该信号经差动运算放大器IlA741放大后即成为控制涡流脉冲频率的调频电压。
使用差动运算放大器的另一个作用是抑制温度等因素对输出模拟电压的影响嗍。
由集成运放的特性,不难分析出图2输出的调频电压范围为03.2A/D转换及信号处理电路输出的0—4.76V的调频电压信号需转换为数字信号才能控制脉冲频率,其电路原理图如图3所示。
其中模/数转换芯片ADC0832的作用是将CHO通道送来的模拟电压转化为单片机能够识别的数字信号,该芯片采用串行通信方式,通过DI数据输入端进行通道选择、数据采集和数据传送6-q。
转换后的数字量Vcd与输入的调频模拟电压vo存在如下关系唧:
由于调频电压vo的输出范围为0—4.76V,则转换后的数字量最小值Val=51x0=0,最大值yal=51x4.76—240。
如果每一个数字量对应一种脉冲频率,则可以产生240种输出频率不同的脉冲信号。
采用AT89S51为一定频率的脉冲信号,因为脉冲的频率与周期有关,而脉冲周期可以由单片机的定时器来控制Ilo】即以定时常数为脉冲的半周期,使单片机的引脚(P3.7)每半个周期将输出电平取反一次即可获得脉冲信号。
其定时常数计算方法如下:
因为100Hz脉冲信号的脉冲半周期tl-ll(2f;)=5000vs(对应数字量的最大值Va=240),3000Hz脉冲信号的脉冲半周期t2_11(2f2)=166p8(对应数字量的最小值Vcd=0)。
利用线性关系,可得出脉冲半周期t与数字量y以的关系为:
t=20.Vcd+166由式
(2)可知,当输入的调频电压改变时,经AID转换后的数字量y以也必然改变,从而使脉冲半周期随之发生线性变化,因而可以控制输出脉冲的频率。
4系统的硬件必须在程序控制下才能正常工作,采用C语言编写系统的驱动软件。
因为系统的工作过程是:
调节调频电位器R:
旋钮_+比较电压产生_+┏━┓┃0.6iAD6P!
5P3uri6P3.qlR┗┛3调频电压信号处理电路1042009年9月字信号处理_+输出一定频率的脉冲信号。
由此可知,只要经AD转换后的数字量能够满足检测时的频率要求,就不需要再进行调频电压的A/D转换了。
为了不使A/D转换时间(约几十微秒)影响输出信号的脉冲周期,系统的A/D转换交由外中断INTO(接P3.2引脚)控制完成,并将外中断的触发方式设置为负跳变触发。
即当按下图3中的按键S时,开始执行外中断INTO的服务程序,模拟信号由A/D转换芯片转换为数字量。
综上分析,将系统的主程序及中断服务程序设计如下:
voidmain(void){EA=1;胴平放总中断EXO=1;彬亡许使用外中断ITO=1;价筮择负跳变来触发外中断TMOD=Ox00;胂芝用定时器TO的模式1C=500;//C为全局变量,储存定时器的定时常数,将其值默认为500while(l)仍巳限循环,输出脉冲信号{VO=O;/VO被位定义为P3.7引脚,使该引脚输出低电平“O”delay(C);服垂时半个周期,由定时器查询实现延时VO=1;//P3.7引脚输出高电平“1”delay(C);,巧匡时半个周期Jl/,以下是外中断TO的中断服务程序voidintO(void)interruptousingor,夕l中断0的中断编号为O{C=166+20*A_D();,,主生行A/D转换,由式
(2)计算脉冲信号的半周期}5系统的Proteus仿真为对系统的功能进行验证,保证设计的正确性并缩短开发时间,对系统的设计进行了Ptoteus仿真。
设计好图2、图3所示的仿真原理图后,再将程序载人单片机,并在输出端(Qi的集电极)加接虚拟示波器。
启动仿真后,先分别将调频电位器R2调至最大值和最小值,再分别按下按键S触发中断,则可分别得到图4(a)、(b)所示的脉冲波形。
仿真结果表明,系统的软硬件设计正确。
(a)Rz取最大值时的输出脉冲波形(对应频率lOOHz)(b)R2取最小值时的输出脉冲波形(对应频率3000Hz)图4信号源的输小脉冲波形6结束语文中设计的新型脉冲信号发生器,输出脉冲频率在100—3000Hz范围内精确可调,可以满足2—10mm深度范围的飞机内层结构腐蚀在线检测技术对信号源的要求,为脉冲涡流检测技术的应用奠定了重要技术基础。
单片机软件调频相对于传统专的用调频集成电路,不仅在频率可调范围和应用领域方面有更大的灵活性,而且以软件代替了硬件,大大降低了电路的成本并简化了电路结构。
采用中断技术控制模拟信号的采集与转换,可以避免操作的重复性,提高控制精度。
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四川科学技术出版社,1989.【2】InagakiT,lshuT,IwamotoT.OntheNDTandEforthediagnosisofdefectsusinginfraredthermo-graphy[J].NDTandEIntemational,1999,32(5):
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空军装备技术部出版,1997.[4】徐平,罗飞路,杨宾峰.飞机多层结构腐蚀缺陷检测系统的研究与实现J].电子设计应用,2005(10):
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航空航天大学出版社,2008.【6】MeyerC.Designofanovellowlossfaultcurrentlimiterformedium-voltagesystems【C]∥AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition.2004,1825-1831.【7】CostLLowpowerinstrumentationamplifierAD620[Ml.AnalogDeviceCorporation,2005.【8】林焯华,蒋梁中,姚锡凡,等.—个单片机串行数据采集及传输模块的设计叨,微计算机信息,2006(10z):
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机械工业出版社,2007.[10]周兴华.手把手教你学单片机M].北京:
航空航天大学出版社,200
7.字信号处理_+输出一定频率的脉冲信号。
由此可知,只要经AD转换后的数字量能够满足检测时的频率要求,就不需要再进行调频电压的A/D转换了。
为了不使A/D转换时间(约几十微秒)影响输出信号的脉冲周期,系统的A/D转换交由外中断
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