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超聲波傳感器深度增益補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)*

2014-12-31 12:19:24張永宏井晨志
傳感器與微系統(tǒng) 2014年2期
關(guān)鍵詞:上位時(shí)鐘增益

張永宏,井晨志,王 琦

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院,江蘇南京 210044)

0 引言

超聲波無(wú)損檢測(cè)作為鐵道機(jī)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(cè)設(shè)備已經(jīng)無(wú)法滿足快速發(fā)展的軌道車輛及其部件的檢測(cè)要求,因此,研究并設(shè)計(jì)數(shù)字化、智能化、小型化的超聲檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)于拓展超聲檢測(cè)技術(shù)在鐵道機(jī)車車輛領(lǐng)域中的應(yīng)用具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

無(wú)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(hào),當(dāng)超聲波在實(shí)際介質(zhì)中傳播時(shí),會(huì)產(chǎn)生衰減。為了補(bǔ)償因隨著傳播距離增加而損失的回波信號(hào)的由散射衰減和吸收衰減產(chǎn)生的能量損失,減少對(duì)傷情檢測(cè)的誤差,對(duì)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(shí)間長(zhǎng)短,對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大器增益,使不同深度的缺陷信號(hào),顯示出相同的幅值。

為了解決信號(hào)衰減的問(wèn)題,需要設(shè)計(jì)出可靈活控制放大回波信號(hào)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(chǎng)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(shí)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(dòng)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(guò)程如下:當(dāng)系統(tǒng)接通電源后,F(xiàn)PGA通過(guò)通信接口與上位機(jī)通信,接到上位機(jī)的采集開(kāi)始命令后,通過(guò)存儲(chǔ)在Flash內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行初始化[4],如,打開(kāi)超聲波探頭發(fā)射電路,讓接收電路接收回波信號(hào),設(shè)置重復(fù)脈沖頻率等。由高壓電源通過(guò)激勵(lì)模塊的激勵(lì)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(cè)工件的內(nèi)部傳播后,會(huì)形成表面回波,缺陷回波和底面回波,連同著3種信號(hào)的回波信號(hào)由接收電路進(jìn)入到采集與預(yù)處理模塊后,進(jìn)行深度增益補(bǔ)償,和放大電路放大的預(yù)處理,再進(jìn)入處理與顯示模塊,進(jìn)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(guò)FT系列芯片與上位機(jī)進(jìn)行USB到UART/FIFO轉(zhuǎn)換通信,在上位機(jī)上顯示檢測(cè)結(jié)果。

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

2 深度增益補(bǔ)償原理與電路設(shè)計(jì)

2.1 深度增益補(bǔ)償原理

同樣的缺陷當(dāng)其與探測(cè)面的距離不同時(shí),回波幅值會(huì)有改變,在晶片的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),距離愈遠(yuǎn),回波幅值愈低,這是由于聲束的擴(kuò)展和聲在材料中被衰減引起的,因此,需要對(duì)不同深度的回波電信號(hào)進(jìn)行不同程度的補(bǔ)償增益,這就是采用深度增益補(bǔ)償電路的目的,也就是用電子學(xué)的方法對(duì)之進(jìn)行補(bǔ)償,使處于不同深度處同樣大小的缺陷,其回波幅度在坐標(biāo)系上具有大致相同的回波幅度,這樣就會(huì)使遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的回波信號(hào)與近場(chǎng)區(qū)的回波信號(hào)幅值基本相同,不會(huì)因?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的距離遠(yuǎn),信號(hào)強(qiáng)度衰減大,而沒(méi)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(huì)使總能量逐漸呈指數(shù)級(jí)衰減,因此,需要對(duì)不同深度的微弱(通常為μA級(jí))的反射回波信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償增益并由放大電路放大,便于后級(jí)模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理顯示,其原理如圖2所示[7]。

其中,圖2(a),(b)是補(bǔ)償前的示意圖,圖2(c),(d)是補(bǔ)償后的示意圖,可以看出:經(jīng)過(guò)深度增益補(bǔ)償后,通過(guò)A型顯示方法,待測(cè)工件中不同深度處的缺陷將顯示出相同的幅度,不會(huì)因?yàn)樗p而造成當(dāng)量顯示的不足,而產(chǎn)生誤判。

圖2 深度增益補(bǔ)償原理Fig 2 Principle of depth gain compensation

一般對(duì)于平面余弦波來(lái)說(shuō),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(shí)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(duì)于大多數(shù)固體和金屬介質(zhì)來(lái)說(shuō),通常所說(shuō)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(lái)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(shí)間t有關(guān)[10],當(dāng)待測(cè)工件確定時(shí),衰減系數(shù)α和傳播速率v就不會(huì)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(shí)間t呈正比關(guān)系,因此,需要補(bǔ)償?shù)姆捣重悢?shù)與傳播時(shí)間t有著直接的關(guān)系,深度補(bǔ)償增益又稱作時(shí)間補(bǔ)償增益。

2.2 深度增益補(bǔ)償放大電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)

深度補(bǔ)償放大電路主要是由DAC902和軌到軌運(yùn)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(shí)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(shí)鐘信號(hào)。在時(shí)鐘信號(hào)下,DAC902產(chǎn)生時(shí)序,開(kāi)始D/A轉(zhuǎn)換工作,當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換完成后,輸出的變化電壓量,輸入到可變?cè)鲆娣糯笃鰽D8330的輸入端,根據(jù)輸入電壓與補(bǔ)償增益的線性關(guān)系圖,就可以實(shí)現(xiàn)深度增益補(bǔ)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(dá)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(gè)20 mA標(biāo)稱范圍,輸出符合最多1.25 V。差動(dòng)輸出端允許是一個(gè)差分或單端模擬信號(hào)接口,緊密匹配的電流輸出確保出色的動(dòng)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(hào),以滿足高速轉(zhuǎn)換的性能需要。因?yàn)镈AC902比較特殊,沒(méi)有芯片使能端信號(hào)輸入,所以,從時(shí)序圖可以看出:它的數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換是由時(shí)鐘控制完成,這就更顯得FPGA產(chǎn)生精確時(shí)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(shí)鐘信號(hào),配合時(shí)序工作,減少探傷誤差。

圖3 深度增益放大電路設(shè)計(jì)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(guò)電阻匹配,分壓后進(jìn)入電壓反饋運(yùn)算放大器OPA350中,由運(yùn)算放大器放大后的電壓信號(hào),進(jìn)入前置可變?cè)鲆娣糯笃鰽D8330中進(jìn)行深度增益補(bǔ)償;之后,模擬輸出信號(hào)進(jìn)入LTC2249芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,再與FPGA連接,完成數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)。AD8330的補(bǔ)償電壓的供給是由DAC902來(lái)實(shí)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(jì)算后,可得

答:瑞典警方已經(jīng)確認(rèn)這3名中國(guó)游客沒(méi)有違反法律,警察無(wú)權(quán)逮捕他們。當(dāng)然,如果他們犯了法,警察就應(yīng)依法辦事。實(shí)際上,3名中國(guó)游客人生地不熟,不遠(yuǎn)萬(wàn)里深夜剛剛抵達(dá)斯德哥爾摩,需要幫助。他們能找誰(shuí)呢?他們本可以找我們使館,但遺憾的是他們沒(méi)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(méi)有這樣做。即使這3名中國(guó)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(duì)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(yùn)算放大器OPA350輸入端的電壓,計(jì)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(jìn)制表達(dá)式。

通過(guò)式(6)的計(jì)算結(jié)果,可以看出,DAC902的輸出電壓是mA級(jí)的,所以,需要由后級(jí)的OPA350運(yùn)算放大器對(duì)電壓進(jìn)行放大,放大到后級(jí)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(shí),F(xiàn)PGA需要根據(jù)深度補(bǔ)償原理,如圖2所示,距離遠(yuǎn)的回波反射到接收電路的時(shí)間長(zhǎng),距離近的回波反射到接收電路的時(shí)間短,隨著時(shí)間的增長(zhǎng)產(chǎn)生由小到大數(shù)值不斷變化的數(shù)字信號(hào),才可以控制DAC902產(chǎn)生不斷變化的電壓信號(hào),進(jìn)而控制增益放大電路器件AD8330對(duì)輸入的微弱的回波信號(hào)模擬量進(jìn)行深度增益補(bǔ)償。另外,OPA350是一種軌到軌CMOS運(yùn)算放大器,在電路中為了抑制噪聲,防止電源串入噪聲信號(hào),在電源的進(jìn)線處還加了2只旁路電容器進(jìn)行了濾波,另外,因?yàn)锳D8330的輸入阻抗R=100 Ω,所以,加了前級(jí)放大器OPA350以提高輸入阻抗[11],增加后級(jí)電路的匹配能力。

AD8330是一種低功耗、電壓控制型可變?cè)鲆娣糯笃?,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(dāng)進(jìn)行深度增益補(bǔ)償放大電路的處理后,回波模擬信號(hào)由AIN±引腳進(jìn)入LTC2249,開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào),輸入到XC6SLX16中,再做進(jìn)一步數(shù)字信號(hào)處理,如,數(shù)字濾波、檢波、數(shù)字壓縮、抽點(diǎn)等一系列算法,以便與上位機(jī)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(jì)Fig 4 Design of A/D converter circuit

LTC2249是一種專為對(duì)高頻、寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理而設(shè)計(jì)的14位80 MSPS、低功率3 VA/D轉(zhuǎn)換器。一個(gè)單端時(shí)鐘輸入引腳由FPGA的DCM時(shí)鐘管理模塊負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)換器的時(shí)序操作,其中,任選的時(shí)鐘占空比穩(wěn)定器可在寬時(shí)鐘占空比范圍內(nèi)以全速運(yùn)行的條件下與前級(jí)可變?cè)鲆娣糯箅娐放浜咸峁└咝阅艿霓D(zhuǎn)換速率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在本電路中,實(shí)驗(yàn)的思想是:利用函數(shù)信號(hào)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(hào),在上位機(jī)界面上觀察輸出波形并判斷深度增益補(bǔ)償放大電路的設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)USB到UART/FIFO轉(zhuǎn)換電路芯片F(xiàn)T2232完成FPGA到上位機(jī)的接口通信,用正弦波模擬的超聲回波信號(hào)經(jīng)過(guò)深度增益補(bǔ)償電路傳輸?shù)缴衔粰C(jī)后,經(jīng)過(guò)上位機(jī)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(dāng)增益初值設(shè)為34 dB時(shí),并設(shè)置步進(jìn)為5 dB的3種不同增益,觀察其幅值變化,上位機(jī)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(dāng)系統(tǒng)增益每增加5 dB,接收到的正弦波信號(hào)幅值增加1倍,這說(shuō)明通過(guò)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(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦信號(hào),且通過(guò)上位機(jī)軟件可以對(duì)系統(tǒng)增益進(jìn)行準(zhǔn)確的控制與顯示,從而表明深度增益補(bǔ)償放大電路的設(shè)計(jì)能夠滿足系統(tǒng)的需要。

4 結(jié)論

利用Xilinx ISE 12.3集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,完成對(duì)深度增益補(bǔ)償程序的輸入、仿真、綜合,通過(guò)Testbench編寫的驗(yàn)證后,再結(jié)合電路設(shè)計(jì),在電路板上調(diào)試,達(dá)到與上位機(jī)通信的目的,最后實(shí)現(xiàn)了深度增益補(bǔ)償放大電路的設(shè)計(jì)要求。

實(shí)驗(yàn)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(lì)后,在上位機(jī)上設(shè)置步進(jìn)為5 dB的3種不同增益后,觀察其幅值變化,從上位機(jī)接收到的正弦波信號(hào)幅值增加1倍,這說(shuō)明超聲波探傷儀可以順利地采集與傳輸并在上位機(jī)上顯示信號(hào),實(shí)現(xiàn)不同的放大增益,使衰減得到補(bǔ)償。

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