分离式超声波发射接收系统设计

黄晓鹏，付纯鹤

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

分离式超声波发射接收系统设计

黄晓鹏，付纯鹤

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

基于超声扫描显微镜的特殊应用需求，设计了一种分离式超声波发射接收系统，并介绍了其主要的硬件电路设计和软件设计，通过该系统在超声扫描显微镜上的应用验证了其性能。系统可有效减少线缆反射，将信号衰减降至最低，同时减少噪声和干扰信号拾取，从而得到一个低畸变、更强、更干净的超声波信号。

超声扫描显微镜；分离式超声波发射接收；高压源；回声放大

超声波发射接收系统主要用于产生激励超声换能器发射超声波的激励信号，同时接收超声波换能器接收到的超声波转换的电信号，对信号进行限幅、放大后送至示波器进行显示或者通过计算机接收进行数据处理分析，如图1所示。超声波发射接收系统主要应用于超声波检测领域，可以在各种金属、塑料、陶瓷和复合材料中用于探伤和厚度测量，还可进行材料特性鉴定工作，例如声速、弹性模量和衰减测量，配合频谱分析仪，也被用来研究频率变化的材料特性或表征超声波换能器的性能。

作为超声信号的激励源和接收装置，超声波发射接收系统属于超声扫描显微镜的关键核心部件。传统的超声波发射接收系统将发射单元、接收了增加激励装置就需要整套全部添加，必将增加成本且将系统设计变得非常复杂。

图1 超声波发射接收系统工作示意图

针对超声扫描显微镜应用的特殊需求，本文提出了一种新的分离式超声波发射接收系统设计方案，并介绍了其主要的硬件电路设计和软件设计，最后进行了试验验证。单元、甚至数据处理单元集成于一体，以整台仪器或者是计算机板卡的形式出现，这在一般通用的情况下应用没有问题，例如探伤仪或者是医用B超，但如果应用在超声扫描显微镜领域，就具有很明显的缺陷：

（1）在超声扫描显微镜正常工作时，超声换能器需要随着扫描机构在X-Y-Z三个方向移动以完成器件检测，如果采用传统的设计方案，会导致超声波发射接收系统与换能器之间信号传输线的长度很大，而超声扫描显微镜使用的超声换能器频率往往很高（多数情况大于30 MHz），因此其信号容易衰减；另外过长的信号传输线使得超声信号在传输过程中容易受到噪声和干扰信号的影响，以致影响超声扫描显微镜最终的成像质量。

（2）不同于一般应用，由于超声扫描显微镜的应用范围很广，分辨率要求从几个微米到几百微米，而分辨率和换能器的频率对应，因此超声扫描显微镜能适配的超声换能器频率范围很广，而每种超声换能器具有不同的参数特性，加之高频换能器的晶片很薄，容易被击穿，很难用一种激励装置去适配所有的换能器。如果采用传统设计方案，由于激励装置和接收处理单元集成在一起，为

1 分离式超声波发射接收系统电路设计

1.1 系统构成

分离式超声波发射接收系统的设计包括两个单独的单元，如图2所示，其中前置脉冲发射接收单元主要功能为产生能量受控的短、大振幅的电脉冲，激励超声换能器转换成短超声脉冲，同时对接收到的超声回波信号进行放大处理，根据超声扫描显微镜的特点，可工作在透射模式和反射模式。主要包括脉冲发生器电路，模式选择电路，回声放大电路。主单元为前置单元提供高压源，同时接收前置单元传回的超声回波信号并进行处理，主要包括数字控制逻辑电路，RS232接口电路，高压源电路，PRF振荡器，增益调节电路，低通滤波电路和高通滤波电路。整个系统由安装于远程电脑中的控制软件进行控制。

数字控制逻辑和RS232接口电路：用于和计算机通信，接收计算机的控制信号对超声波发射接收系统进行控制和参数设置。

高压源电路：为脉冲发生器提供精确调制的高压，在不同脉冲重复频率和其他任何情况下，脉冲发生电路均可保持恒定的脉冲幅值。脉冲触发控制：允许选择内部PRF振荡器作为触发源或者是同步触发端口进入的外部同步信号作为触发源提供给远程脉冲发生器。

图2 分离式超声波发射接收系统原理图

PRF振荡电路：为远程脉冲发生器提供重复触发脉冲。

增益调节电路：用于控制超声波接收器处理的信号的幅值大小。

低通滤波器：用于降低超声波接收器的接收带宽，在不需要全带宽的应用中，通过带宽限制可以改进信号的信噪比。

高通滤波器：用于消除超声波接收器接收到的信号中的不需要的低频信号能量，高通滤波可以让接收器从强信号中更快速的恢复，例如接收到激励信号或者是强反射面回波信号。

脉冲发生电路：可实现能量控制和阻尼设置，当从特定源接收到一个触发事件后，脉冲发生器产生一个激励脉冲传输给超声换能器。

回声放大电路：主要用于在前端对接收到的超声信号进行滤波放大。

1.2 高压源电路

为了激励超声波换能器产生高幅值的超声波并取得良好信噪比的回声信号，我们需要得到一个高电压的脉冲串。脉冲发生器发射的双极性脉冲串的幅值取决于高压源的电压值。如图3所示为高压源电路的原理图，正负输出电压分别表示为+HV 和-HV，幅值范围±60 V到±180 V。通过利用一个高匝数比的升压变压器（Tr1）来产生高电压，电源转换器被连接在一个反激式拓扑结构中，输出电压和功率由场效应管Q1的占空比控制，当Q1打开时，电流流向Tr1的初级绕组，二极管D1和D2处于反向偏置，因此次级绕组处于开路状态，在这种状态下，磁能被存储于变压器铁心中，能量没有传输给次级侧。当Q1关断时，次级绕组产生反电动势（EMF），此时存储在变压器中的磁能被释放到次级侧，在这种状态下，D1和D2正向偏置，由MOSFET控制器LM3478控制，电容器C1和C2朝向期望的电压电平被充电。通过将测流电阻（RS）两端的电压反馈给电流感应引脚Isen，控制器使用电流模式控制方案限制MOSFET（Q1）和输出电流。输出电压可通过由R1，R2和VR1组成的反馈电阻网络检测并反馈给控制其的FB引脚，通过对VR1位置的调节可使正输出电压的+HV在60 V和180 V之间调节，高低电压限值有R1和R2的阻值决定。根据反馈电压和电流，控制器发射出适当占空比的驱动信号控制Q1通断。

图3 高压源电路原理图

因为脉冲发生器要对称的加载正负输出，负电压和正电压幅值保持一致，因此同一个控制器即可完成两个电压的控制。出于安全考虑，在负电压输出端的并联电阻R3，在电路关断的情况下可对C2两端的高电压进行放电，它也可以平衡正负输出端连接的负载，以此保持双电压幅值对称。

高压源工作于开关电源转换模式，对高灵敏度和高增益的回声放大电路来讲是一个显著的电磁干扰源。因此，在发射脉冲串和等待回声信号的时间内，可向HEVN管脚发射一个逻辑“低”信号来关闭高压源，此时，由C1和C2给脉冲发生器供电。当C1和C2的幅值为1μF，关断时间为100μs时，测得的纹波电压为输出电压的0.1%。

1.3 脉冲发生电路

与高压源类似，脉冲发生电路的设计，配置在开关模式下运行，从而降低功耗和散热，由于没有冷却的需求，脉冲发生器的成本、尺寸和质量显著降低。而且，由于电路不产生过多的热量，可靠性和准确性可显著提高。如图4所示，换能器的驱动电路由一个半桥开关转换器构成，双电压电源± HV决定了双极脉冲串的幅值，该脉冲串是通过互补的开关功率MOSFET Q3和Q4获得。在正半周期，Q3导通和Q4断开，发生器的输出电压等于+HV，与此相反，在负半周期间，Q3关断，Q4导通，输出电压变为-HV。

图4 脉冲发生电路

在实际应用时，必须考虑与MOSFET和连接换能器的同轴线缆相关联的寄生电容，这些电容容易使脉冲发生器输出在保持很长时间的高电平，从而导致高增益的回声放大器饱和，同时增加泄露电流，可能会出现安全问题。因此，在发完每个脉冲串后，将寄生电容放电至零电位至关重要。固态开关S1的作用就是当Q3和Q4处于关闭状态时释放寄生电容中的电位。如图5所示，固态开关通过MOSFET Q5和Q6对寄生电容进行放电。

虽然这里我们可以通过单独的数字电路来实现Q3，Q4和S1的开关，但在实际应用中，是通过软件在电脑的I/O接口生成它们的门控信号。由于Q3和Q4的源极端没有连接大地，因此必须为MOSFET隔离的栅极驱动电路，在这里，我们通过一个具有两个次级绕组的信号变压器来实现隔离，该变压器的匝数比为10∶15∶15。

1.4 回声放大电路

图5 固态开关S1原理图

在实际情况中，所接收的回波信号的强度比从换能器发出的信号强度的1%还小，因此需要一个高增益放大器来放大从换能器接收到的回波信号。如图6所示。回声放大器由四级运算放大器OA1至OA4组成，每一级提供10倍，总共10 000倍的电压增益放大。两个一阶高通滤波器（HPFS）被集成到所述放大电路，以消除可能会导致放大器饱和的重复频率。电位器VR2和VR3分别完成放大器增益的粗调和微调。由于回声放大器的输入端与产生高压脉冲串的脉冲发生电路直接相连，因此要设计一套保护方案以防止回声放大电路被高电压损坏。在放大器的输入口，通过两个小信号二极管（D4和D5）反向并联电路，可以将OA1的非反向输入端的电压限制在1 V以内。

图6 回声放大器原理图

2 分离式超声波发射接收系统软件设计

分离式超声波发射接收系统接收由计算机串口发送来的指令控制，它的控制指令由5个以上的字节序列组成，该字节序列包括要控制的系统的地址，命令字节序列长度，一个或多个数据字节，该命令控制的通道和一个停止字节。命令字节序列如下：

字节1：被控制仪器的地址；

字节2：代表字节3和停止字节之间的的字节数减一；

字节3：表示被发送的特定命令的命令字节；

字节4：第一个数据字节（对于某些命令，这将是一个空字节）；

字节5：第二个数据字节，如果有的话；

字节N-1：通道指示灯当系统设计为多通道的情况下会起作用；

字节N：停止字节。

例如设置接收器的高、低通滤波值时其指令格式如下：

字节2=0×01

字节3=0×68或者0x6C ASCII值为‘h’或者‘l’

字节4=高、低通滤波设定值

字节5=0×41通道选择

字节6=停止位

被发送给超声波发射接收系统的命令包括3类：

（1）系统的配置命令，主要完成系统的地址配置。

（2）调整系统参数值的功能控制命令，包括脉冲发生器设置（阻尼，能量，回波/透射模式选择，脉冲重复频率，内、外部触发选择，脉冲电压和使能控制等），接收器设置（增益值，高通滤波值和低通滤波值），当该命令被执行后，超声波发射接收系统会发送一个确认响应给计算机。

（3）确定当前系统功能设定值的查询命令，不同于功能控制命令，查询命令是了解有系统设置信息的请求，当发出一个查询时，对应的设定值不改变。

典型的超声波发射接收系统的工作流程如图7所示。

图7 分离式超声波发射接收系统工作流程

3 系统在超声扫描显微镜中的应用验证

目前该套系统已经成功应用于超声扫描显微镜，前置脉冲发射接收单元具备反射和透射两种工作模式，由于其可就近安装在超声换能器附近，从而缩短了二者之间的信号线长度，使得信号干净，扫描成像效果极佳；另外由于其可随扫描机构移动，使得扫描范围不受限制，增强了系统整机设计的灵活性。

反射模式由单个具备发射和接收功能的超声波换能器实现，如图8所示。由脉冲发生器产生激励脉冲，换能器产生相应频率的超声波进入被测物体内部，遇到分界面或缺陷则返回由换能器接收并转换成电信号，经过远程脉冲发生器内部的信号放大电路将信号增强后传回至超声波接收器处理，最后由示波器显示或经传输给计算机进行数据采集、分析、存储并处理，形成扫描结果。

图8 反射模式示意图

透射模式与反射模式最大的区别在于其使用两个超声波换能器，如图9所示。其中一个用于发射超声波，另一个用于接收穿过整个物体内部的超声波，脉冲发生器可通过上位机控制软件进行设置，使其工作于透射模式下。

图9 透射模式示意图

根据超声扫描显微镜适配的换能器频率范围，设计出三套前置脉冲发射接收单元，根据不同的应用可灵活选择。

通过试验验证，该系统在超声扫描显微镜上取得了满意的效果，如图10为采用了本系统的成像效果，图像锐利，清晰，缺陷易于辨别，而图11为采用传统一体设计的超声波发射接收系统的成像效果，图像边缘模糊，不清楚。

表1 前置脉冲发射接收单元参数表

图10 C扫描图像（分离）

图11 C扫描图像（一体）

4 总结

本文介绍的分离式超声波发射接收系统设计，可将脉冲发射接收单元置于换能器附近，缩短其和超声换能器的信号传输线，减少了线缆反射，将信号衰减降至最低，同时减少了噪声拾取和干扰信号进入超声波信号的机会，从而得到一个低畸变、更强、更干净的超声波信号。由于前置脉冲发射接收单元的可更换性，它提升了整个系统的灵活性。该分离式超声波发射接收系统除了能应用于超声扫描显微镜外，同样非常适合换能器放置在离超声波接收系统比较远或者超声换能器频率比较大的场合。

[1] Albert S.Birks Robert E.Green，Jr.美国无损检测手册（超声卷）[M].北京：世界图书出版公司，1996.

[2] 袁易全，陈思忠.超声波发生器与换能器的匹配设计，近代超声原理与应用[M].南京：南京大学出版社，1996. [3] 翁黎朗，杨立.超声波换能器驱动和接收电路的研究[J].集美大学学报，1998，3(4)：60-64.

[4] Wood P.Transformer-Isolated Gate Driver Provides very large duty cycle ratios[J].http://www.docin.com/p-326684891.html.，2013-10-05

[5] National Semiconductor Corporation.LM3478 High Efficiency Low-Side N-Channel Controller for Switching Regulator[J].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/lm 3478.pdf，2013-10-05.

Separate Design of Ultrasonic Pulser-Receiver System

HUANG Xiaopeng，FU Chunhe

(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

Based on the needs of specific applications of Scanning Acoustic Microscope(SAM)，this paper describes a design of a separate ultrasonic pulser-receiver system and describes its main hardware circuit design and software design，and verify its performance by applying it on the SAM. The system can reduce the cable reflections，minimize the signal attenuation.There is also less opportunity for noise pickup and interference signals to be added to the ultrasonic signal.The net result is a lower distortion，stronger，clearer signal，with less noise and interference.

Scanning Acoustic Microscope；separate ultrasonic pulser-receiver；high-voltage DC supply；echo amplifier

TN16

B

1004-4507(2015)02-0031-07

黄晓鹏（1982-），男，山西运城人，工程师，本科，研究方向为超声扫描检测的工艺研究，电气设计，运动控制研究等；

2015-01-27