宋兰江，郭新华
(武汉理工大学 机电工程学院,湖北 武汉 430070)
超声波具有指向性好、无电辐射、对人体无伤害等优点，在检测领域应用十分广泛。超声波传播时在声阻抗不连续的地方会产生反射、折射和衰减等现象，通过对反射信号进行接收和相关处理，可以检测物体内部特征，实现被测物体的损伤检测[1-3]。
超声相控阵利用相控阵探头产生超声波，通过控制激励时间实现超声波束偏转和聚焦，聚焦的超声波提高了检测灵敏度和准确性。超声相控阵成像技术可以通过控制聚焦方位扩大检测范围，相比传统超声系统来说结构更简单，可靠性更高[4-5]。随着集成电路不断发展，数字化、小型化成为了超声相控阵发展趋势，但市面上的超声相控阵成像设备仅通过图像显示试件内部结构，不提供反射信号的原始数据[6-7]，笔者设计了一款采集回波信号原始数据的便携超声模拟前端，在一块电路板上集成了超声波发射电路和回波接收电路，配合后端控制板卡可为超声相控阵检测研究或其他相关开发提供便携式实验平台。
超声相控阵换能器由多个具有压电效应的特殊晶体按照一定顺序排列构成，每个晶体被称作一个阵元，每个阵元都可看作一个传感器，均可实现超声波的发射与接收。超声相控阵系统通过控制每个阵元的发射时间实现波束的偏转和聚焦，使超声无损检测更加便利。
图1为超声相控阵实现超声波波束偏转原理，在发射过程中等间隔激发阵元，由于声程不同，在超声波的传播过程中，相同相位的超声波信号会叠加，组合波面会产生一定偏转，从而实现声束偏转。
图1 相控阵偏转原理
图2为超声相控阵实现发射过程波束聚焦原理，在发射过程中给各个阵元的激励信号设置不同延时，使每个阵元发出的超声波同时传播至焦点处[8]，此时焦点处超声波叠加增强，焦点区域外超声波叠加减弱，缺陷检测能力有很大提升。
图2 发射聚焦原理
接受聚焦原理如图3所示，当发射的超声波束聚焦在缺陷处，反射的超声回波被所有阵元接收，由于缺陷位置与每个阵元的距离不同，回波信号达到时间不同，通过对接收信号进行延时求和，使反射点处的回波信号相位一致，实现反射点处信号增强，其他区域上信号强度减弱。
图3 接收聚焦原理
超声相控阵无需移动探头便可对损伤部位进行多处检测，将回波数据组合，使用灰度值表征信号幅值即可成像，由发射、聚焦原理可知，模拟前端具有多通道发射和接收电路。为了实现控制信号精准延时，各通道要有一致性。
超声相控阵模拟前端包括超声发射电路和回波接收电路，将发射和接收电路集成在同一块电路板上，具有集成度高、同步性好和便于扩展等优点。控制板和系统模拟前端分开，增强了系统的开放性，可灵活使用不同主控模块进行控制和数据处理，系统结构如图4所示。
图4 系统结构图
超声模拟前端主要由发射信号链和接收信号链两部分组成。发射信号链主要包括高压脉冲发射电路、多路复用电路和隔离电路；
接收信号链主要包含回波信号放大、滤波和模数转换电路等。
高压脉冲电路在接收到控制信号后，产生高压激励信号。常见探头中心频率为0.5～15 MHz，激励信号频率与超声探头中心频率相同时发射效率最高，根据不同需求，激励信号可以为单极性或双极性信号。隔离电路主要作用是防止发射电路损坏回波接收电路。使用多路复用开关使得一个发射电路对应多个阵元，可以减少发射电路的数量，提高便携性。
超声波在传输过程中会发生衰减，故回波信号一般比较微弱，需要进行放大，为了减少引入的噪声，使用低噪声放大电路进行放大。回波信号幅值会随着路程增加而不断衰减，探伤结果通过颜色对回波幅值进行表征，当深度不同时，结果将不够精确，由于回波信号声程长短可以用时间衡量，故设计了时间增益电路，依据时间长短对衰减信号进行放大补偿。为了实现信号储存和处理操作，需要将回波信号进行模数转换，采样频率满足奈奎斯特采样定理。晶振电路和单端转差分电路，可以由电路板内部或外部为ADC提供单端时钟或差分时钟，高压电源由外部提供避免高压电源的电磁干扰。
后端主控模块可选择FPGA(field programmable gate array)/DSP(digital singnal processor)/ARM(advanced RISC machines)等来实现脉冲发射控制和回波数据接收[9]，最后使用一块Artix-7系列FPGA开发板来对模拟前端进行测试。
2.1 开关阵列电路设计
由于一个发射电路对应一个超声探头时系统体积较大，不利于设备小型化，使用4片1∶8的高压多路复用开关ECN3297TF设计开关阵列电路，将8个开关管脚连接到同一个脉冲发射通道，另一端连接超声探头不同阵元，使发射电路扩展至64通道，减少了发射电路数量，增强了系统便携性。设计时将8个通道分为一组，每次控制一个阵元发射和接收，芯片具有数据输入脚DIN和数据输出脚DOUT，可以将两片芯片采用菊花链连接，如图5所示。
图5 高压复用开关级联
主控模块FPGA每次发送32 bit数据，经过32个周期完成数据输入，可以实现阵元的选通控制，两片芯片级联保持实时性的同时节约了系统资源。
2.2 激励电路设计
采用芯片HDL6M05584进行超声探头激励电路设计，芯片具有8通道高压脉冲发射电路，每个通道均可独立控制，集成有T/R开关，输出0～±100 V的多极性脉冲，脉冲频率可达20 MHz，激励电路结构如图6所示。
图6 激励电路结构图
通过脚Pinx和Ninx(x=1～8)的电平状态，实现高压脉冲发射控制。当脚Pinx和Ninx配置为发射状态时，高压管脚HVoutx输出高压激励信号，T/R开关自动断开，防止高压信号对后续电路造成损坏，配置为接收状态时，T/R开关闭合，通过低压输出脚LVoutx将回波信号传递给后续电路，实现发射电路和回波电路隔离[10]。同时在PCB(printed circuit board)设计时采用蛇形线等方法使整个发射电路时延相同，避免因为走线问题对延时控制造成影响。
2.3 回波接收电路设计
AFE5808A包含低噪声放大器LNA(low noise amplifier)、压控放大器VCA(voltage-controlled amplifier)、低通滤波器等，集成ADC(analog-to-digital converter)采样率可以达到65 MSPS，采样精度为14 bit，单个芯片有8通道，使用LVDS(low-voltage differential signaling)接口进行高速数据传输，确保传输数据的稳定性和可靠性，接收部分采用AFE5808A设计回波接收电路，相对于使用分立器件电路体积更小，各通道一致性更好，原理图如图7所示。
图7 AFE5808A原理图
在回波信号的第一级使用低噪声放大器LNA实现了回波信号的放大，减少了因电路引入的噪声，通过控制VCA放大倍数，实现远场回波信号补偿，整个放大电路对回波信号最大增益为54 dB。ADC实现了信号模数转换，并通过串行LVDS电平方式输出，由主控板进行接收。
2.4 时间增益补偿控制电路设计
AFE5808A的VCA放大倍数(dB)与VCNTLP和VCNTLM两脚之间电压差(0～1.5 V范围内)成线性关系，控制两管脚之间的电压差，即可实现回波信号的时间增益补偿控制。
如图8所示，使用DAC7821芯片设计模数转换电路实现控制电压的输出，由于DAC7821输出为电流信号，需要通过内部电阻和运放转换为电压输出，再通过电压基准REF1930和运放OPA277给DAC7821提供负参考电压，使模数转换电路输出为正电压输出，相比使用逆变放大器，该方法避免了电阻公差的影响。
图8 VCA控制信号电路
由于AFE5808A采用一对差分管脚控制VCA，需要将控制信号转换为差分信号。如图9所示，使用运放OPA211设计一个电压跟随电路，增强驱动能力，R1为终端电阻进行阻抗匹配，采用差分运放THS4520将单端控制信号转成差分信号。
图9 单端转差分电路
最终通过编程控制数模转换电路输出时间增益控制曲线即电压变化曲线，然后转换为差分信号连接到AFE5808A差分管脚上，控制压控放大器实现时间增益补偿[11]。
2.5 AFE5808A时钟电路设计
电路板板载40 M有源晶振电路，为了灵活改变ADC采样频率，可由外部提供不同的时钟信号，设计了外部接口和单端时钟转差分时钟电路。
如图10所示，采用隔离变压器ADT4-1WT设计了一个单端时钟转差分时钟电路，外部(如控制板)输入单端时钟可转换为差分时钟，增强时钟抗干扰能力，同时降低时钟EMI(electromag netic interference)辐射,为ADC提供稳定的时钟信号。
图10 单端时钟转差分时钟电路
2.6 AFE5808A寄存器配置电路设计
AFE5808A放大倍数、滤波器截止频率等参数均可通过SPI(serial peripheral interface)总线配置相应寄存器参数的方式进行控制，由于计算机和各种控制板卡广泛使用USB(universal serial bus)接口，如图11所示，使用FT245RL芯片设计了一个SPI转USB电路，并使用隔离芯片进行隔离，降低了由AFE5808A数字逻辑输入脚引入的噪声。最终可以通过USB对AFE5808A寄存器参数进行修改，提高模拟前端的灵活性。
图11 SPI转USB电路
2.7 电源电路设计
高压电路一般使用开关电源电路，为了降低开关电源工作时产生的电磁干扰，高压电源不集成在模拟前端电路板中，由外部电源提供。模拟前端需要的低压信号有1.8 V、3.3 V和±5 V，其中±5 V由外部电源提供，设计了如图12所示的超低噪声LDO(low dropout regulator)电路进行5 V到1.8 V和3.3 V的转换，减少因电源波动而产生的噪声[12]。由于LDO电路发热严重，根据输出功率采用了两片TPS79633分别输出数字3.3 V和模拟3.3 V，一片TPS79618输出数字1.8 V和模拟1.8 V，通过磁珠进行隔离。
图12 电源电路
最终采用六层板制作13 cm×14 cm电路板实物，如图13所示。信号具有完整参考层，提高了信号质量。
图13 实物图
对发射电路进行测试结果，如图14所示。发射电路能产生多极性高压脉冲信号，频率可以到20 MHz，由于一般超声换能器中心频率为0.5～15 MHz，发射电路满足大多数超声探头的要求。
图14 20 MHz单极性和双极性脉冲
当高压脉冲发射电路产生高压激励信号时，T/R开关断开，其输出结果如图15所示，回波电路接口处电压小于1 V，不会损坏。
图15 高压脉冲和T/R开关输出
通过FPGA控制板输出延时为10 ns的控制信号，发射脉冲如图16所示。图16可知，该模拟前端可配合主控板实现延时控制。
图16 发射脉冲10 ns延时
对模拟前端单通道进行测试，使用中心频率为5 MHz的超声直探头，对一块面积为100 mm×100 mm，厚度为20 mm的钢材试件进行检测。试件底部中心位置有一直径5 mm、高度5 mm的圆形孔洞，可以模拟钢材裂纹损伤等情况，采集测试数据如图17所示，根据数据可以计算出损伤距试件表面15.03 mm与实际距离15 mm相符，模拟前端的整个通道功能正常，可以正常使用。
图17 无缺陷位置回波和有缺陷位置回波
笔者基于超声相控阵成像特点和超声硬件平台需求，研制了一款开放式便携型超声成像模拟前端，具有64个发射通道和8个接收通道，每个通道能够发射0～20 MHz的单极性和双极性高压脉冲，输出电压最高可达±100 V，满足绝大部分超声探头的要求。通过合理布局布线，配合主控板可以实现发射脉冲延时，可以对常见频率(0.5～15 MHz)回波信号进行采集，获取原始数据。每个通道的发射和接收都可独立控制，具有一定开放性。
猜你喜欢电路设计相控阵差分数列与差分新世纪智能(数学备考)(2021年5期)2021-07-28相控阵超声技术在PE管电熔焊接检测的应用煤气与热力(2021年3期)2021-06-09相控阵超声波检测技术认证化工管理(2021年7期)2021-05-13Altium Designer在电路设计中的应用电子制作(2019年16期)2019-09-27一种相控阵雷达的通讯处理器设计电子制作(2019年24期)2019-02-23负反馈放大电路设计电子制作(2019年23期)2019-02-23开漏输出比较器的峰值检测电路设计厦门理工学院学报(2016年1期)2016-12-01基于小生境遗传算法的相控阵雷达任务调度现代防御技术(2016年1期)2016-06-01基于差分隐私的大数据隐私保护信息安全研究(2015年3期)2015-02-28相对差分单项测距△DOR太空探索(2014年1期)2014-07-10