超声波传感器深度增益补偿电路设计*

张永宏，井晨志，王 琦

（南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044）

0 引言

超声波无损检测作为铁道机车车辆检修领域的重要方法在保证零部件性能安全与稳定方面起着重要的作用［1］，然而，目前广泛使用的模拟式超声检测设备已经无法满足快速发展的轨道车辆及其部件的检测要求，因此，研究并设计数字化、智能化、小型化的超声检测系统，对于拓展超声检测技术在铁道机车车辆领域中的应用具有很强的现实意义［2］。

无论是模拟式或数字式超声探伤仪，都是由超声波传感器发出一定频率的超声波信号，当超声波在实际介质中传播时，会产生衰减。为了补偿因随着传播距离增加而损失的回波信号的由散射衰减和吸收衰减产生的能量损失，减少对伤情检测的误差，对于相同性质的传播介质，必须根据深度或者波的传播时间长短，对回波信号进行放大器增益，使不同深度的缺陷信号，显示出相同的幅值。

为了解决信号衰减的问题，需要设计出可灵活控制放大回波信号增益倍数的电路，使缺陷在任何深度都显示出相同的幅值。因此，与传统的模拟电路相比［3］，在这里，利用现场可编程门阵列（FPGA）数字式可控增益电路配合PLL 数字锁相环管理模块能更灵活地控制增益范围与时序精度，使得采用数字化手段控制模拟量放大成为可能。

1 系统概述与框图

手持式动车组转向架超声波探伤仪系统以超声探头为传感器件，Xilinx的XC6SLX16型FPGA为主要控制与处理芯片，具体如框图1所示。系统的工作过程如下:当系统接通电源后，FPGA通过通信接口与上位机通信，接到上位机的采集开始命令后，通过存储在Flash内的参数进行初始化［4］，如，打开超声波探头发射电路，让接收电路接收回波信号，设置重复脉冲频率等。由高压电源通过激励模块的激励与发射电路产生高压窄脉冲后，激发超声探头的压电晶片产生超声波，超声波在待测工件的内部传播后，会形成表面回波，缺陷回波和底面回波，连同着3种信号的回波信号由接收电路进入到采集与预处理模块后，进行深度增益补偿，和放大电路放大的预处理，再进入处理与显示模块，进行数字滤波［5］、数字检波、数据压缩［6］等再处理，最后通过FT系列芯片与上位机进行USB到UART/FIFO转换通信，在上位机上显示检测结果。

图1 系统总体框图Fig 1 System overall block diagram

2 深度增益补偿原理与电路设计

2.1 深度增益补偿原理

同样的缺陷当其与探测面的距离不同时，回波幅值会有改变，在晶片的远场区，距离愈远，回波幅值愈低，这是由于声束的扩展和声在材料中被衰减引起的，因此，需要对不同深度的回波电信号进行不同程度的补偿增益，这就是采用深度增益补偿电路的目的，也就是用电子学的方法对之进行补偿，使处于不同深度处同样大小的缺陷，其回波幅度在坐标系上具有大致相同的回波幅度，这样就会使远场区的回波信号与近场区的回波信号幅值基本相同，不会因为远场区的距离远，信号强度衰减大，而没有判断到深度的缺陷，产生误判、漏判。随着超声波传输距离的增加会使总能量逐渐呈指数级衰减，因此，需要对不同深度的微弱（通常为μA级）的反射回波信号进行补偿增益并由放大电路放大，便于后级模块进行进一步处理显示，其原理如图2所示［7］。

其中，图2（a），（b）是补偿前的示意图，图2（c），（d）是补偿后的示意图，可以看出:经过深度增益补偿后，通过A型显示方法，待测工件中不同深度处的缺陷将显示出相同的幅度，不会因为衰减而造成当量显示的不足，而产生误判。

图2 深度增益补偿原理Fig 2 Principle of depth gain compensation

一般对于平面余弦波来说，声压衰减规律可表示为［8］

式中p0为入射到材料界面上时的声压;p为超声波在材料中传播一段距离a后的声压;α为衰减系数。

需要指出的是，对于大多数固体和金属介质来说，通常所说的超声波衰减，即由α（衰减系数）表征的衰减包括散射衰减as和吸收衰减αa。假设超声波的来回传播具体为2a，则由公式（1）可得［9］

从公式（3）可以看出，超声波传播距离a与传播介质中的固有传播速率v和时间t有关［10］，当待测工件确定时，衰减系数α和传播速率v就不会变化，所以，超声波在传播距离上幅度减少的分贝数与传播时间t呈正比关系，因此，需要补偿的幅值分贝数与传播时间t有着直接的关系，深度补偿增益又称作时间补偿增益。

2.2 深度增益补偿放大电路的应用设计

深度补偿放大电路主要是由DAC902和轨到轨运算放大器OPA350以及D/A转换芯片AD8330组成。DAC902的数字输入部分由FPGA完成，并且由FPGA的IP核生成DCM时钟管理模块，利用PLL数字锁相环产生DAC902芯片所需要的精确时钟信号。在时钟信号下，DAC902产生时序，开始D/A转换工作，当D/A转换完成后，输出的变化电压量，输入到可变增益放大器AD8330的输入端，根据输入电压与补偿增益的线性关系图，就可以实现深度增益补偿功能。

DAC902是一种具有12位的分辨率能力，低噪声低功耗的高速D/A转换器，它的采样速率最高可达165 MSPS，且数据端口为并行，与FPGA通信方便。它具有较高的电流输出阻抗（200 kΩ）一个20 mA标称范围，输出符合最多1.25 V。差动输出端允许是一个差分或单端模拟信号接口，紧密匹配的电流输出确保出色的动力性能差分配置。在如图3电路中，它的12位DA数据输入端与XC6SLX16的引脚相连，电源端由电容起到滤波作用，数字地与模拟地已经做好隔离，CLK端与FPGA引脚相连，这里使用50%的占空比信号，以满足高速转换的性能需要。因为DAC902比较特殊，没有芯片使能端信号输入，所以，从时序图可以看出:它的数据读取与转换是由时钟控制完成，这就更显得FPGA产生精确时钟控制的重要性，相比于其他微控制器，FPGA更能产生精确误差极小的时钟信号，配合时序工作，减少探伤误差。

图3 深度增益放大电路设计Fig 3 Design of depth gain amplification circuit

从图3分析可得，DAC902输出电流iout，iout呈现差分形式，经过电阻匹配，分压后进入电压反馈运算放大器OPA350中，由运算放大器放大后的电压信号，进入前置可变增益放大器AD8330中进行深度增益补偿;之后，模拟输出信号进入LTC2249芯片进行A/D转换，再与FPGA连接，完成数字信号处理任务。AD8330的补偿电压的供给是由DAC902来实现的，DAC902的输出电压的算法如下:

假设其使用内部参考电压Vref=1.24 V，外部电阻Rset=2 kΩ，计算后，可得

答：瑞典警方已经确认这3名中国游客没有违反法律，警察无权逮捕他们。当然，如果他们犯了法，警察就应依法办事。实际上，3名中国游客人生地不熟，不远万里深夜刚刚抵达斯德哥尔摩，需要帮助。他们能找谁呢？他们本可以找我们使馆，但遗憾的是他们没有这样做。瑞典警察如果不愿意协助他们，最好的办法是联系我们使馆，但他们也没有这样做。即使这3名中国游客的行为有不足或瑕疵之处，都不能构成瑞典警察这样粗暴对待他们的理由。我们不是要尊重人权吗？！我们不是要讲人权吗？！

全摆幅电流为

由DAC902输出的电压，即输入到运算放大器OPA350输入端的电压，计算可得

其中，从电路图上可以看出，Rload=100 Ω，code是DAC902十二位输入数据的十进制表达式。

通过式（6）的计算结果，可以看出，DAC902的输出电压是mA级的，所以，需要由后级的OPA350运算放大器对电压进行放大，放大到后级AD8330电压输入端允许的电压有效值才可以使模数芯片正常工作。此时，FPGA需要根据深度补偿原理，如图2所示，距离远的回波反射到接收电路的时间长，距离近的回波反射到接收电路的时间短，随着时间的增长产生由小到大数值不断变化的数字信号，才可以控制DAC902产生不断变化的电压信号，进而控制增益放大电路器件AD8330对输入的微弱的回波信号模拟量进行深度增益补偿。另外，OPA350是一种轨到轨CMOS运算放大器，在电路中为了抑制噪声，防止电源串入噪声信号，在电源的进线处还加了2只旁路电容器进行了滤波，另外，因为AD8330的输入阻抗R=100 Ω，所以，加了前级放大器OPA350以提高输入阻抗［11］，增加后级电路的匹配能力。

AD8330是一种低功耗、电压控制型可变增益放大器，与AD603，AD8331相比具有更大的恒带宽为150 MHz，它的基本增益范围是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），从而提供了前所未有的100 dB增益范围。

2.3 A/D 转换电路

当进行深度增益补偿放大电路的处理后，回波模拟信号由AIN±引脚进入LTC2249，开始A/D转换，转换后的数字信号，输入到XC6SLX16中，再做进一步数字信号处理，如，数字滤波、检波、数字压缩、抽点等一系列算法，以便与上位机通信，显示较为清晰的伤情信息。电路原理图如图4所示。

图4 A/D转换电路设计Fig 4 Design of A/D converter circuit

LTC2249是一种专为对高频、宽动态范围信号进行数字化处理而设计的14位80 MSPS、低功率3 VA/D转换器。一个单端时钟输入引脚由FPGA的DCM时钟管理模块负责控制转换器的时序操作，其中，任选的时钟占空比稳定器可在宽时钟占空比范围内以全速运行的条件下与前级可变增益放大电路配合提供高性能的转换速率。

3 实验结果与分析

在本电路中，实验的思想是:利用函数信号发生器向超声波探伤仪电路板的接收端发送正弦波信号，在上位机界面上观察输出波形并判断深度增益补偿放大电路的设计是否符合设计要求。

通过USB到UART/FIFO转换电路芯片FT2232完成FPGA到上位机的接口通信，用正弦波模拟的超声回波信号经过深度增益补偿电路传输到上位机后，经过上位机软件的一系列处理，可以在显示界面区域观察其波形。在这里，向探伤仪发送频率5 MHz、峰峰值2 mV的正弦波，当增益初值设为34 dB时，并设置步进为5 dB的3种不同增益，观察其幅值变化，上位机接收的波形如图5～图7所示。

图5 增益为34 dBFig 5 Gain is 34 dB

图6 增益为39 dBFig 6 Gain is 39 dB

图7 增益为44 dBFig 7 Gain is 44 dB

从图6～图8显示的波形依次可以看出:当系统增益每增加5 dB，接收到的正弦波信号幅值增加1倍，这说明通过探伤仪的电路板电路处理后能够顺利采集和传输函数信号发生器所产生的正弦信号，且通过上位机软件可以对系统增益进行准确的控制与显示，从而表明深度增益补偿放大电路的设计能够满足系统的需要。

4 结论

利用Xilinx ISE 12.3集成开发环境，完成对深度增益补偿程序的输入、仿真、综合，通过Testbench编写的验证后，再结合电路设计，在电路板上调试，达到与上位机通信的目的，最后实现了深度增益补偿放大电路的设计要求。

实验结果证明:在电路的输入端加入频率为5 MHz、峰峰值为2 mV的正弦波激励后，在上位机上设置步进为5 dB的3种不同增益后，观察其幅值变化，从上位机接收到的正弦波信号幅值增加1倍，这说明超声波探伤仪可以顺利地采集与传输并在上位机上显示信号，实现不同的放大增益，使衰减得到补偿。

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