超聲波傳感器深度增益補償電路設(shè)計*

張永宏，井晨志，王 琦

（南京信息工程大學信息與控制學院，江蘇南京 210044）

0 引言

超聲波無損檢測作為鐵道機車車輛檢修領(lǐng)域的重要方法在保證零部件性能安全與穩(wěn)定方面起著重要的作用［1］，然而，目前廣泛使用的模擬式超聲檢測設(shè)備已經(jīng)無法滿足快速發(fā)展的軌道車輛及其部件的檢測要求，因此，研究并設(shè)計數(shù)字化、智能化、小型化的超聲檢測系統(tǒng)，對于拓展超聲檢測技術(shù)在鐵道機車車輛領(lǐng)域中的應用具有很強的現(xiàn)實意義［2］。

無論是模擬式或數(shù)字式超聲探傷儀，都是由超聲波傳感器發(fā)出一定頻率的超聲波信號，當超聲波在實際介質(zhì)中傳播時，會產(chǎn)生衰減。為了補償因隨著傳播距離增加而損失的回波信號的由散射衰減和吸收衰減產(chǎn)生的能量損失，減少對傷情檢測的誤差，對于相同性質(zhì)的傳播介質(zhì)，必須根據(jù)深度或者波的傳播時間長短，對回波信號進行放大器增益，使不同深度的缺陷信號，顯示出相同的幅值。

為了解決信號衰減的問題，需要設(shè)計出可靈活控制放大回波信號增益倍數(shù)的電路，使缺陷在任何深度都顯示出相同的幅值。因此，與傳統(tǒng)的模擬電路相比［3］，在這里，利用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）數(shù)字式可控增益電路配合PLL 數(shù)字鎖相環(huán)管理模塊能更靈活地控制增益范圍與時序精度，使得采用數(shù)字化手段控制模擬量放大成為可能。

1 系統(tǒng)概述與框圖

手持式動車組轉(zhuǎn)向架超聲波探傷儀系統(tǒng)以超聲探頭為傳感器件，Xilinx的XC6SLX16型FPGA為主要控制與處理芯片，具體如框圖1所示。系統(tǒng)的工作過程如下:當系統(tǒng)接通電源后，F(xiàn)PGA通過通信接口與上位機通信，接到上位機的采集開始命令后，通過存儲在Flash內(nèi)的參數(shù)進行初始化［4］，如，打開超聲波探頭發(fā)射電路，讓接收電路接收回波信號，設(shè)置重復脈沖頻率等。由高壓電源通過激勵模塊的激勵與發(fā)射電路產(chǎn)生高壓窄脈沖后，激發(fā)超聲探頭的壓電晶片產(chǎn)生超聲波，超聲波在待測工件的內(nèi)部傳播后，會形成表面回波，缺陷回波和底面回波，連同著3種信號的回波信號由接收電路進入到采集與預處理模塊后，進行深度增益補償，和放大電路放大的預處理，再進入處理與顯示模塊，進行數(shù)字濾波［5］、數(shù)字檢波、數(shù)據(jù)壓縮［6］等再處理，最后通過FT系列芯片與上位機進行USB到UART/FIFO轉(zhuǎn)換通信，在上位機上顯示檢測結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig 1 System overall block diagram

2 深度增益補償原理與電路設(shè)計

2.1 深度增益補償原理

同樣的缺陷當其與探測面的距離不同時，回波幅值會有改變，在晶片的遠場區(qū)，距離愈遠，回波幅值愈低，這是由于聲束的擴展和聲在材料中被衰減引起的，因此，需要對不同深度的回波電信號進行不同程度的補償增益，這就是采用深度增益補償電路的目的，也就是用電子學的方法對之進行補償，使處于不同深度處同樣大小的缺陷，其回波幅度在坐標系上具有大致相同的回波幅度，這樣就會使遠場區(qū)的回波信號與近場區(qū)的回波信號幅值基本相同，不會因為遠場區(qū)的距離遠，信號強度衰減大，而沒有判斷到深度的缺陷，產(chǎn)生誤判、漏判。隨著超聲波傳輸距離的增加會使總能量逐漸呈指數(shù)級衰減，因此，需要對不同深度的微弱（通常為μA級）的反射回波信號進行補償增益并由放大電路放大，便于后級模塊進行進一步處理顯示，其原理如圖2所示［7］。

其中，圖2（a），（b）是補償前的示意圖，圖2（c），（d）是補償后的示意圖，可以看出:經(jīng)過深度增益補償后，通過A型顯示方法，待測工件中不同深度處的缺陷將顯示出相同的幅度，不會因為衰減而造成當量顯示的不足，而產(chǎn)生誤判。

圖2 深度增益補償原理Fig 2 Principle of depth gain compensation

一般對于平面余弦波來說，聲壓衰減規(guī)律可表示為［8］

式中p0為入射到材料界面上時的聲壓;p為超聲波在材料中傳播一段距離a后的聲壓;α為衰減系數(shù)。

需要指出的是，對于大多數(shù)固體和金屬介質(zhì)來說，通常所說的超聲波衰減，即由α（衰減系數(shù)）表征的衰減包括散射衰減as和吸收衰減αa。假設(shè)超聲波的來回傳播具體為2a，則由公式（1）可得［9］

從公式（3）可以看出，超聲波傳播距離a與傳播介質(zhì)中的固有傳播速率v和時間t有關(guān)［10］，當待測工件確定時，衰減系數(shù)α和傳播速率v就不會變化，所以，超聲波在傳播距離上幅度減少的分貝數(shù)與傳播時間t呈正比關(guān)系，因此，需要補償?shù)姆捣重悢?shù)與傳播時間t有著直接的關(guān)系，深度補償增益又稱作時間補償增益。

2.2 深度增益補償放大電路的應用設(shè)計

深度補償放大電路主要是由DAC902和軌到軌運算放大器OPA350以及D/A轉(zhuǎn)換芯片AD8330組成。DAC902的數(shù)字輸入部分由FPGA完成，并且由FPGA的IP核生成DCM時鐘管理模塊，利用PLL數(shù)字鎖相環(huán)產(chǎn)生DAC902芯片所需要的精確時鐘信號。在時鐘信號下，DAC902產(chǎn)生時序，開始D/A轉(zhuǎn)換工作，當D/A轉(zhuǎn)換完成后，輸出的變化電壓量，輸入到可變增益放大器AD8330的輸入端，根據(jù)輸入電壓與補償增益的線性關(guān)系圖，就可以實現(xiàn)深度增益補償功能。

DAC902是一種具有12位的分辨率能力，低噪聲低功耗的高速D/A轉(zhuǎn)換器，它的采樣速率最高可達165 MSPS，且數(shù)據(jù)端口為并行，與FPGA通信方便。它具有較高的電流輸出阻抗（200 kΩ）一個20 mA標稱范圍，輸出符合最多1.25 V。差動輸出端允許是一個差分或單端模擬信號接口，緊密匹配的電流輸出確保出色的動力性能差分配置。在如圖3電路中，它的12位DA數(shù)據(jù)輸入端與XC6SLX16的引腳相連，電源端由電容起到濾波作用，數(shù)字地與模擬地已經(jīng)做好隔離，CLK端與FPGA引腳相連，這里使用50%的占空比信號，以滿足高速轉(zhuǎn)換的性能需要。因為DAC902比較特殊，沒有芯片使能端信號輸入，所以，從時序圖可以看出:它的數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換是由時鐘控制完成，這就更顯得FPGA產(chǎn)生精確時鐘控制的重要性，相比于其他微控制器，F(xiàn)PGA更能產(chǎn)生精確誤差極小的時鐘信號，配合時序工作，減少探傷誤差。

圖3 深度增益放大電路設(shè)計Fig 3 Design of depth gain amplification circuit

從圖3分析可得，DAC902輸出電流iout，iout呈現(xiàn)差分形式，經(jīng)過電阻匹配，分壓后進入電壓反饋運算放大器OPA350中，由運算放大器放大后的電壓信號，進入前置可變增益放大器AD8330中進行深度增益補償;之后，模擬輸出信號進入LTC2249芯片進行A/D轉(zhuǎn)換，再與FPGA連接，完成數(shù)字信號處理任務。AD8330的補償電壓的供給是由DAC902來實現(xiàn)的，DAC902的輸出電壓的算法如下:

假設(shè)其使用內(nèi)部參考電壓Vref=1.24 V，外部電阻Rset=2 kΩ，計算后，可得

答：瑞典警方已經(jīng)確認這3名中國游客沒有違反法律，警察無權(quán)逮捕他們。當然，如果他們犯了法，警察就應依法辦事。實際上，3名中國游客人生地不熟，不遠萬里深夜剛剛抵達斯德哥爾摩，需要幫助。他們能找誰呢？他們本可以找我們使館，但遺憾的是他們沒有這樣做。瑞典警察如果不愿意協(xié)助他們，最好的辦法是聯(lián)系我們使館，但他們也沒有這樣做。即使這3名中國游客的行為有不足或瑕疵之處，都不能構(gòu)成瑞典警察這樣粗暴對待他們的理由。我們不是要尊重人權(quán)嗎？！我們不是要講人權(quán)嗎？！

全擺幅電流為

由DAC902輸出的電壓，即輸入到運算放大器OPA350輸入端的電壓，計算可得

其中，從電路圖上可以看出，Rload=100 Ω，code是DAC902十二位輸入數(shù)據(jù)的十進制表達式。

通過式（6）的計算結(jié)果，可以看出，DAC902的輸出電壓是mA級的，所以，需要由后級的OPA350運算放大器對電壓進行放大，放大到后級AD8330電壓輸入端允許的電壓有效值才可以使模數(shù)芯片正常工作。此時，F(xiàn)PGA需要根據(jù)深度補償原理，如圖2所示，距離遠的回波反射到接收電路的時間長，距離近的回波反射到接收電路的時間短，隨著時間的增長產(chǎn)生由小到大數(shù)值不斷變化的數(shù)字信號，才可以控制DAC902產(chǎn)生不斷變化的電壓信號，進而控制增益放大電路器件AD8330對輸入的微弱的回波信號模擬量進行深度增益補償。另外，OPA350是一種軌到軌CMOS運算放大器，在電路中為了抑制噪聲，防止電源串入噪聲信號，在電源的進線處還加了2只旁路電容器進行了濾波，另外，因為AD8330的輸入阻抗R=100 Ω，所以，加了前級放大器OPA350以提高輸入阻抗［11］，增加后級電路的匹配能力。

AD8330是一種低功耗、電壓控制型可變增益放大器，與AD603，AD8331相比具有更大的恒帶寬為150 MHz，它的基本增益范圍是0～50 dB，最高值可以提高20 dB（即20～70dB），最低值可以降低30dB（即-30～ +20dB），從而提供了前所未有的100 dB增益范圍。

2.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路

當進行深度增益補償放大電路的處理后，回波模擬信號由AIN±引腳進入LTC2249，開始A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，輸入到XC6SLX16中，再做進一步數(shù)字信號處理，如，數(shù)字濾波、檢波、數(shù)字壓縮、抽點等一系列算法，以便與上位機通信，顯示較為清晰的傷情信息。電路原理圖如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計Fig 4 Design of A/D converter circuit

LTC2249是一種專為對高頻、寬動態(tài)范圍信號進行數(shù)字化處理而設(shè)計的14位80 MSPS、低功率3 VA/D轉(zhuǎn)換器。一個單端時鐘輸入引腳由FPGA的DCM時鐘管理模塊負責控制轉(zhuǎn)換器的時序操作，其中，任選的時鐘占空比穩(wěn)定器可在寬時鐘占空比范圍內(nèi)以全速運行的條件下與前級可變增益放大電路配合提供高性能的轉(zhuǎn)換速率。

3 實驗結(jié)果與分析

在本電路中，實驗的思想是:利用函數(shù)信號發(fā)生器向超聲波探傷儀電路板的接收端發(fā)送正弦波信號，在上位機界面上觀察輸出波形并判斷深度增益補償放大電路的設(shè)計是否符合設(shè)計要求。

通過USB到UART/FIFO轉(zhuǎn)換電路芯片F(xiàn)T2232完成FPGA到上位機的接口通信，用正弦波模擬的超聲回波信號經(jīng)過深度增益補償電路傳輸?shù)缴衔粰C后，經(jīng)過上位機軟件的一系列處理，可以在顯示界面區(qū)域觀察其波形。在這里，向探傷儀發(fā)送頻率5 MHz、峰峰值2 mV的正弦波，當增益初值設(shè)為34 dB時，并設(shè)置步進為5 dB的3種不同增益，觀察其幅值變化，上位機接收的波形如圖5～圖7所示。

圖5 增益為34 dBFig 5 Gain is 34 dB

圖6 增益為39 dBFig 6 Gain is 39 dB

圖7 增益為44 dBFig 7 Gain is 44 dB

從圖6～圖8顯示的波形依次可以看出:當系統(tǒng)增益每增加5 dB，接收到的正弦波信號幅值增加1倍，這說明通過探傷儀的電路板電路處理后能夠順利采集和傳輸函數(shù)信號發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦信號，且通過上位機軟件可以對系統(tǒng)增益進行準確的控制與顯示，從而表明深度增益補償放大電路的設(shè)計能夠滿足系統(tǒng)的需要。

4 結(jié)論

利用Xilinx ISE 12.3集成開發(fā)環(huán)境，完成對深度增益補償程序的輸入、仿真、綜合，通過Testbench編寫的驗證后，再結(jié)合電路設(shè)計，在電路板上調(diào)試，達到與上位機通信的目的，最后實現(xiàn)了深度增益補償放大電路的設(shè)計要求。

實驗結(jié)果證明:在電路的輸入端加入頻率為5 MHz、峰峰值為2 mV的正弦波激勵后，在上位機上設(shè)置步進為5 dB的3種不同增益后，觀察其幅值變化，從上位機接收到的正弦波信號幅值增加1倍，這說明超聲波探傷儀可以順利地采集與傳輸并在上位機上顯示信號，實現(xiàn)不同的放大增益，使衰減得到補償。

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