用于超声导波检测的波形发生器设计

诸娟娟，陈大跃

（上海交通大学 仪器科学与工程系，上海 200240）

相比于传统的超声波检测技术，超声导波检测技术具有传播距离远、速度快等特点，应用前景非常广阔[1]。

脉冲回波法在超声导波检测技术中，特别是管道的检测中广泛采用。脉冲回波法基于时间差定位，并通过信号的变化判断裂缝的大小、类型[1]。因此，激励信号是影响导波检测效果的关键。频散特性是导波的主要特性之一，由于介质的材料、结构的特性影响，不同频率的导波在结构中的相速度不同[2-3]。

一般意义上的脉冲信号具有很宽的频带，传播过程中脉冲信号随着传播距离增大而发生波形的变化，反射信号复杂，接受、分析信号的难度大大增加[4]。因此，激励信号往往选择窄带脉冲信号。由于汉宁窗具有旁瓣小、能量泄露少的特点，窄带脉冲可以采用汉宁窗（调制信号）调制单一频率信号（载波信号）的方式实现。波形发生器用纯硬件的方式实现，函数发生器产生两个单一频率信号，一路作为载波信号，另一路上移至正半轴后作为调制信号，幅度调制后形成连续的脉冲波形。

控制电路控制模拟开关的通断，从连续信号截取一个脉冲波形，作为波形发生器的输出波形[5-6]。

1 系统设计

整体设计由4个模块组成：载波信号发生部分、调制信号部分、控制电路部分、幅度调制以及信号截取部分，如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

载波信号发生部分主要由一个集成函数发生器构成，用来产生频率可调的正弦波信号（即单音频信号）；由于汉宁窗是由一个周期的余弦信号上移到正半轴后形成的波形，因此汉宁窗波形（调制信号）的发生电路可以由函数发生器以及加法电路组成；控制电路的设计是为了实现系统输出一个脉冲波形以及输出时间的控制，控制电路里的开关处于有效状态（本次设计中有效状态为打开状态）时，控制电路产生一个控制信号控制模拟开关的通断。最后，幅度调制以及信号截取部分由乘法器和模拟开关构成，乘法器用做幅度调制，而模拟开关则接收控制电路的控制信号，从连续的已调制信号中截取一个波形，实现窄带脉冲波形的输出[6]。

1.1 载波信号发生部分

正弦信号的产生有很多种方法可以实现，直接数字频率合成技术（DDS）通过将波形数据存储在存储器中，并通过波形数据查找表，将数据输入D/A转化器和滤波器，从而实现波形输出。DDS技术具有很多优点，比如可以输出任意复杂波形，输出频率分辨率高，频率改变相位连续等优点。但是DDS技术中使用的相位累加器的相位增量步长较大时，输出波形将产生抖动，同时DDS技术不是逐点读取波形存储器中的数据，因此输出波形会丢失许多有用的信息。同时对DDS芯片的控制信息的输入需要上位机（PC机或单片机）进行编程控制，增加了信号发生器操作的复杂型[6]。

设计中选择用集成函数发生器芯片作为正弦波发生器，比如ICL8038、MAX038。集成函数发生器输出正弦波信号，实现方法简单，只需要改变外接的电阻、电容值就可以实现频率的调节。虽然调节的精度没有DDS技术高，但是这种误差在超声导波的检测效果上看是没有影响的。因此，综合考虑到简单性、易操作性，选择集成函数发生器芯片，如ICL8038、MAX038等。

1.2 调制信号部分

汉宁窗的数学表达式可以写成

如图2所示，集成函数发生器输出频率可调的正弦信号，正弦信号输入由运算放大器AD826构成的加法运算电路，正弦波信号加上等于正弦波的幅值的直流信号，输出信号可以看作正弦波上移到正半轴的结果。

图2 调制信号发生电路Fig.2 Circuit of the modulation signal generation

1.3 控制电路部分

控制电路的作用在于当开关处于有效状态时，控制电路输出一个脉冲，控制模拟开关的通断，截取一个波形。最重要的是，控制电路可以捕捉到调制信号的最低点位置 （由AD826加法电路和施密特触发器74132实现），在调制信号的一个最低点处打开模拟开关，下一个最低点关闭模拟开关。控制电路的输入信号有两路，一路是开关，另一路是调制信号部分函数发生器输出的正弦信号，输出为一个脉冲波形。

如图3所示，输入正弦信号通过运算放大器AD826构成的加法电路上移至正半轴，并放大为0～5 V的范围内，同时最小值小于施密特触发器的上升沿触发电压值，最小值越接近触发电压值，对调制信号最低点的捕捉越精确。施密特触发器74132对加法电路的输出进行波形变，换得到的连续脉冲波形上升沿对应加法电路输出波形接近最小值点的位置。计数器74161的进位端15脚作为输出端，输出波形为连续的方波，同时方波的高电平的时间宽度对应了输入正弦信号的周期。当开关由闭合状态变为打开状态时，方波信号分为两路，一路为原始的方波信号，输入D触发器7474，上升沿使得7474的输出由初始的低电平变为高电平，另一路方波经过与非门变成反相信号输入7474，上升沿对应原来信号的下降沿，使得7474初始的高电平相与（与门7408）后输出高电平，两路7474输出信号相与，输出一个脉冲波形用于控制模拟开关。

同时输出信号经过非门后输入给第3个7474，上升沿对应于输出脉冲的下降沿，7474的输出在CLK脚检测到上升沿时Q脚输出由高电平变成低电平，与74161的RCO输出端相与锁住整个控制电路，输出保持低电平状态。而手动的开关重新闭合后使得控制电路进行初始化。控制电路输入波形，施密特触发器的输出波形，计数器74161的RCO端波形以及控制电路的输出状态如图4所示。

图3 控制电路结构图Fig.3 Structure diagram of the control circuit

图4 控制电路波形图Fig.4 Waveform diagram of the control circuit

1.4 幅度调制以及信号截取部分

对载波信号进行幅值调制，使得调制后的信号包络线为调制信号，如图5所示。

幅度调制可以用一个模拟乘法器实现，常用的乘法器芯片型号有MC1495、LM1596、AD834，这里选择高速模拟乘法器AD834。

AD834的输出为相位相差180°的电流信号，通过电阻连接到正电源，此时的两个输出端电压为5 V直流电压上叠加相位相差180°的交流电压信号。此因在输出端节一个差分放大器AD620，抑制共模信号，放大的差模信号即为调制后的信号。

采 用 模 拟 开 关 如 MAX4664，MAX4665，DG201，DG411，ADG508，在控制电路的控制下输出端改变通断状态，实现截取一个脉冲波形。

2 设计方案仿真

MULTISIM是NI的一款用于电路仿真的软件。图6所示为系统整体仿真结构图，验证设计的可行性。

用4通道的示波器同时观测调制信号、调幅信号、控制电路输出以及系统的最终输出的波形，如图7所示。

3 结 论

利用集成函数发生器MAX038，运算放大器AD826、乘法器 AD834、模拟开关 DG401，以及 74161、7474、7408 等器件，提出了一种用于超声导波检测的窄带脉冲信号发生器的设计方法。窄带脉冲信号是由汉宁窗调制单频信号的方式实现，电路具有单频信号以及汉宁窗的宽度都可调的功能。MULTISIM仿真结果也证明了设计方案的可行性。发生器产生的信号具有较窄的带宽，在进行超声导波检测时能够在一定程度上减小频散带来的影响，提高检测效率。与通常使用的DDS技术制作的信号发生器相比，本文的设计采用硬件方式实现，操作更加方便。虽然达不到DDS技术的精度，但是从超声导波检测的研究上看是可以忽略的。因此，对于超声导波检测信号源的研制有一定的参考价值。

图5 幅度调制与模拟开关电路Fig.5 Circuit of the amplitude modulation and analog switch

图6 系统仿真图Fig.6 System simulation diagram

图7 仿真结果Fig.7 Simulation results

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