磁致伸缩超声导波激励电路设计

田少华，杨　录，张艳花

(中北大学 信息与通信工程学院 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051)



磁致伸缩超声导波激励电路设计

田少华，杨录，张艳花

(中北大学 信息与通信工程学院 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051)

摘要：基于直接数字频率合成技术，利用FPGA、高速DA及运算放大器等器件设计了一种超声导波激励电路，提供了一种超声导波激励的新方法。实验结果证明，该系统工作稳定，参数调节方便，能够满足磁致伸缩检测对激励源提出的要求，并实现了产品的低成本、小型化。

关键词：磁致伸缩；激励电路；直接数字频率合成技术

磁致伸缩超声导波检测技术作为一种新型的无损检测方法，与传统超声无损检测方法相比，具有速度快、距离长、效率高等突出优点[1，2]。通常对于超声波的激励方式有两种：一种是宽带脉冲大电流激励；另一种是窄带脉冲谐振激励。由于超声导波在波导结构中的传播存在多模态与频散特性，若超声导波激励源采用宽带脉冲激励的方法，则所激发出的超声导波包含丰富的频率成份，在被检构件中传播一定的距离后将会发生严重频散，这样会使检测中接收到的超声导波回波信号的幅值变小、波包展宽，不利于缺陷检测的分析与处理，频散严重时可能无法得到缺陷回波信号[3，4]。通过分析频散曲线可知，在某一频段范围内，某一模态的导波几乎不发生频散。若采用相应频段内的窄带脉冲作为激励信号，则可激励出单一模态的超声导波，这样不仅可以避免超声导波频散特性的不利影响，而且还可以提高检测的分辨率与效率。

本文基于直接数字频率合成(direct digital synthesis，DDS)技术，利用FPGA、高速DA、集成运算放大器等设计了专门用于激励超声导波的窄带脉冲谐振激励电路，该电路可实现汉宁(Hanning)窗的宽度，单频信号频率及汉宁窗脉冲的时间间隔可调，提供了一种用于激励超声导波信号的方法。

1激励电路总体设计

在超声导波检测中，一般选用汉宁窗调制单频的窄带脉冲信号作为激励信号，其函数形式为：

其中，f为单频信号的频率，n为汉宁窗调制的单频信号的周期数。

总体设计如图1所示，按键用于设置汉宁窗宽度(调制单频信号的周期数)、单频信号的频率及汉宁窗脉冲的时间间隔；在FPGA中利用DDS技术实现汉宁窗调制的单频信号算法，高速DA将FPGA输出的数字信号转换为模拟信号；由DA输出的信号经差分/单端转换、低通滤波、中间放大、功率放大，最终用于超声导波信号的激励。

图1　总体设计框图

2硬件电路设计

磁致伸缩超声导波激励电路实现了导波激励源信号的控制与功率放大，主要由FPGA与DA接口电路、差分转单端电路、低通滤波电路、中间放大电路、功率放大电路五部分构成。

2.1FPGA与高速DA的接口电路

系统采用Altera公司资源丰富、成本低廉的Cyclone系列FPGA作为核心芯片，其型号为EP1C3T144C8N，它含有2 910个LEs、13个M4K存储器块、1个PLL、104个可用IO引脚。由于超声导波激励信号的频率范围选定在100～1 000 kHz之间，根据采样定理，高速DA输出的转换时钟频率至少要为信号频率的2倍，为了得到较为平滑的信号波形，其取值在10倍的信号频率以上。数模转换器件选用美国 TI公司推出的DAC902器件，它具有165MSPS的更新速率，12 bit分辨率，且有较高的信噪比，非常适用于超声导波激励信号的生成。 采用20 MHz晶振作为系统时钟，图2为FPGA与DAC902连接的电路图。

图2　FPGA与DAC902的接口电路

2.2差分/单端转换电路

由于高速DA为互补差分输出，而末端功率放大为单端输入，所以必须对DA的输出做差分到单端的转换。选用美国ADI公司推出的AD830高速差分运放，它具有差分输入、高输入阻抗、宽频带、高共模抑制比。图3为AD830差分转单端电路图。

图3　AD830差分转单端电路

2.3低通滤波电路

数模转换器(DA)的输出实际上就是一个阶梯波，和连续的模拟信号相比是存在量化噪声的，DA的输出信号一般不可直接用于对噪声敏感的模拟放大电路，信号需经过滤波调理后再用作后级放大的输入。选用性能较好、成本低廉的NE5532构成截止频率为1 MHz的四阶巴特沃斯有源低通滤波电路。

2.4中间放大电路

在模拟放大电路中，由于运放的带宽、压摆率及稳定性等限制，通常只通过一级放大是无法实现实际需求，需采用多级放大。中间放大电路一般是增益可调的，由于AD817具有宽频带、高压摆率的特性，可很好地用于实现可调增益中间放大电路。

2.5功率放大电路

系统的最后一级电路实现固定增益的功率放大，由于磁致伸缩超声导波激励电路的负载为感性负载，故要求功率放大电路具有较大的驱动能力；感性负载还会产生瞬态高压，需对功率放大电路的输出端作保护。美国ADI公司推出的ADA4870高速、高低压、大电流驱动放大器，具有10～40 V供电范围、2500 V/μs的压摆率、1 A的输出驱动电流，能够驱动高容性和低阻性负载。选用ADA4870用作5倍固定增益的功率驱动器，并通过二极管将其输出端连接到正负电源轨进行高压保护。图4为5倍固定增益功率放大电路。

图4　固定增益功率放大电路

3系统软件设计

3.1DDS工作原理

DDS是一种直接数字频率合成方法，它从相位量化的概念出发进行频率合成。DDS的基本原理如图5所示，它由相位累加器、正弦查询表、数模转换器和低通滤波器等部分组成。fout为输出频率，N为二进制加法器的位数，在参考时钟fc和频率控制字K的作用下，相位累加器进行加法操作，累加器的输出对正弦查询表进行寻址，输出波形编码，然后通过数模转换得到数字形式的正弦波形，经过低通滤波便可得到正弦波形[5]。

图5　DDS基本原理

3.2汉宁窗调制单频窄带脉冲信号的产生

在FPGA中基于公式K=2N·fout/fc实现两路DDS信号，一路作为汉宁窗信号，另一路作为单频信号。两路信号再经过乘法器做调制，实现汉宁窗调制的单频窄脉冲信号。

通过按键设置汉宁窗信号调制单频信号的周期数、单频信号的频率及汉宁窗脉冲的时间间隔。

4实验结果

图6显示了设计电路产生的激励信号的波形，从图中可以看出，激励信号为单频信号频率为100 kHz，汉宁窗调制20个周期峰峰值约为23 V。实验表明设计合理，波形的产生满足设计要求，生成了正确的完整的所需信号，此窄带脉冲激励信号可方便地应用于磁致伸缩超声导波的激励。

图6　激励信号波形

5结论

利用FPGA、数模转换器、运算放大器等器件，设计了一种磁致伸缩超声导波检测系统的激励电路，此电路具有单频信号的频率、汉宁窗宽度、汉宁窗脉冲的时间间隔均可调的功能。电路产生的单频窄带脉冲激励信号经过了功率放大，可直接用于磁致伸缩导波检测激励探头，激发出的超声导波

可在一定程度上减小超声导波在构件中传播的频散现象，提高检测的精度和效率。与专用超声导波的激励仪器相比，可节约大量的成本，减小检测设备的体积，便于超声导波检测系统的集成化、小型化、产品化。

参考文献

[1]刘镇清.超声无损检测中的导波技术[J].无损检测，1999,21(8):367-369.

[2]何存富，吴斌，范晋伟.超声柱面导波技术及其应用研究进展[J].力学进展, 2001,31(2):203-214.

[3]王军阵，王建斌，陈仁伟.基于DDS的超声导波信号激励源的设计[J].电子测量技术,2010,33(2):19-21.

[4]王军阵，王建斌，王帅.基于DS89C430的超声导波激励信号源的设计[J].电子设计工程,2010,18(10):136-138.

[5]刘素贞，李文杰，金亮，等.基于DDS技术的电磁声发射涡流加载电源[J].电工技术学报，2012，27(6)：6-11.

收稿日期：2015-03-01

作者简介：田少华(1988- )，男，硕士研究生，主要从事超声检测和信号处理方面的研究。

文章编号：1674- 4578(2016)02- 0036- 02

中图分类号：TP212.13

文献标识码：A

The Design of Magnetostrictive Ultrasonic Guided Wave Excitation Circuit

Tian Shaohua, Yang Lu, Zhang Yanhua

(CollegeofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China)

Abstract:Based on the direct digital frequency synthesis technology, this article designs an ultrasonic guided wave excitation circuit with the use of FPGA, high-speed DA, operational amplifier and other devices, which provides a new method of ultrasonic guided wave excitation. Experimental results show that the system is stable, easy for parameter adjustment and to meet the requirements of the magnetostrictive detection of excitation source. It achieves the purpose of low cost and miniaturization for the product.

Key words:magnetostrictive; excitation circuit; DDS