鄧鷹飛，劉桂雄，唐文明

（1.梧州學(xué)院，廣西 梧州 543002；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

FPGA超聲相控陣高壓發(fā)射精確延時設(shè)計

鄧鷹飛1，劉桂雄2，唐文明2

（1.梧州學(xué)院，廣西 梧州 543002；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

針對超聲相控陣高壓發(fā)射精確延時的關(guān)鍵技術(shù)，利用普通電壓升壓產(chǎn)生高壓脈沖（負(fù)脈沖）發(fā)射，設(shè)計一種高壓發(fā)射電路的精確延時電路。通過分析二極管高壓鉗位、相控陣發(fā)射聚焦、高壓發(fā)射模塊電路原理，應(yīng)用FPGA軟件聚焦方式改善發(fā)射電壓、聚焦延時、上升脈沖等性能指標(biāo)。FPGA仿真結(jié)果表明：鉗位電路可對幅值為-100V的原始發(fā)射信號進(jìn)行穩(wěn)定鉗位，發(fā)射脈沖上升時間約10ns，可明顯改善發(fā)射信號的精確性和準(zhǔn)確度。

超聲相控陣；高壓發(fā)射；精確延時；FPGA

0 引 言

超聲相控陣技術(shù)是一種通過對超聲陣列換能器中各陣元進(jìn)行相位延時控制，獲得靈活可控的合成波束以及隨意控制聚焦點(diǎn)的位置，以實現(xiàn)動態(tài)聚焦、高速掃查、扇形掃描、可檢測復(fù)雜形狀物體的無損檢測技術(shù)[1]。超聲相控陣高壓精確延時發(fā)射技術(shù)是超聲相控陣儀器開發(fā)的核心與難點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者在超聲相控陣發(fā)射精確延時聚焦方面開展很多有益研究[2-4]。王君琳等[5]提出一種計算相位差方法，可實時顯示相位差變化，將穩(wěn)定后相位差作為相控陣聚焦系統(tǒng)各發(fā)射陣元的初始相位，實現(xiàn)在預(yù)定位置的相控式高強(qiáng)度超聲聚焦；Cruza等[6]應(yīng)用動態(tài)聚焦技術(shù)，實現(xiàn)超聲相控陣的精密聚焦延時；劉桂雄等[7-8]采用多級半帶濾波器，在100 MHz采樣率條件下已實現(xiàn)1.25ns延時精度，最大能減少21.4%運(yùn)算量，在超聲相控陣精確延時聚集方面已取得重大突破。以上研究均從軟件算法方面進(jìn)行技術(shù)處理，實現(xiàn)精確延時聚焦，基本未考慮信號的脈沖發(fā)射電壓強(qiáng)度。從硬件電路上解決信號精確延時，關(guān)鍵在于解決激勵陣元的脈沖發(fā)射電壓強(qiáng)度，它直接影響回波信號的強(qiáng)弱、檢測深度。國外一些研究表明，超聲相控陣發(fā)射電壓可達(dá)到50～200 V[9-10]，文獻(xiàn)[11]基于高集成度超聲相控發(fā)射電路的設(shè)計，利用FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)的倍頻、移相技術(shù)取代延時線，從提高電路集成度方面實現(xiàn)高壓精確發(fā)射。PA2000型超聲相控陣儀器基于高壓聚焦原理，利用普通電壓升壓產(chǎn)生高壓脈沖（負(fù)脈沖）發(fā)射，其發(fā)射電壓高達(dá)上千伏，實現(xiàn)高壓發(fā)射精確延時，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)無損檢測中。本文基于PA2000型超聲相控陣儀器，設(shè)計一種高壓發(fā)射精確延時電路，利用二極管高壓鉗位和FPGA軟件聚焦方式改善發(fā)射電壓、聚焦延時、上升脈沖等性能指標(biāo)，進(jìn)一步改善發(fā)射信號的準(zhǔn)確性、準(zhǔn)確度。

1 超聲相控陣高壓發(fā)射聚焦原理

超聲相控陣技術(shù)采用陣列形式探頭，各晶片激勵均由軟件控制，可發(fā)出一系列脈寬相同、相位不同的發(fā)射脈沖實現(xiàn)激勵。壓電復(fù)合晶片受激勵后通過延時可聚焦于一點(diǎn)，產(chǎn)生超聲波束。聲束的參數(shù)均通過軟件調(diào)整，不同脈沖最終聚焦于一點(diǎn)。

圖1為超聲相控陣儀器硬件系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)由保護(hù)電路、前置放大、調(diào)理電路、轉(zhuǎn)換電路、緩沖器、A/D轉(zhuǎn)換電路、相位控制卡、超聲激勵電路等構(gòu)成。超聲相控陣激勵的核心是換能器的電源激勵，激勵信號波形和功率直接影響整個硬件電路性能。由于壓電傳感器輸出阻抗相當(dāng)大，需要高電壓（幾十伏到幾千伏）激勵才能產(chǎn)生機(jī)械振動，從而發(fā)出聲波并輸出微弱信號。發(fā)射電路部分利用普通電壓升壓產(chǎn)生高壓脈沖（負(fù)脈沖），以滿足激勵高壓的要求，從而實現(xiàn)高壓發(fā)射。

圖1 超聲相控陣硬件系統(tǒng)框圖

圖2為超聲相控陣發(fā)射聚焦原理圖，利用聲波干涉原理，通過對不同陣元施加相位不同的發(fā)射脈沖信號，不同相位聲波在不同位置疊加，從而產(chǎn)生超聲聚焦。陣元越多、掃查線數(shù)越多，聚焦效果越好，故設(shè)計時常采用多陣元組合工作，發(fā)射、接收時相鄰一組陣元同時工作，如果兩束聲波同時到達(dá)一點(diǎn)，則這兩束波形在該點(diǎn)疊加，形成焦點(diǎn)。為實現(xiàn)不同中心陣元的波束在焦點(diǎn)聚焦，須精確控制聲束通過每個陣元的時間，即聚焦延時。

圖2 超聲相控陣發(fā)射聚焦原理圖

2 高壓發(fā)射精確延時電路設(shè)計

2.1 高壓鉗位

超聲相控陣二極管加電阻鉗位電路能實現(xiàn)超聲相控陣信號的鉗位處理，使信號處于穩(wěn)定、安全范圍。圖3為超聲相控陣二極管高壓鉗位電路原理圖。具體為：1）初始時刻周期脈沖信號uo（0+）=+E，uo產(chǎn)生一個幅值為E的正跳變；2）在0～t1之間，D1導(dǎo)通，C充電電流很大，電容電壓uc很快達(dá)到+E，使uo=0；3）t1時刻，ui（t1）=0，uo=-E；4）在t1～t2之間，D1截止，C通過R放電（R取值很大），uc下降很慢，uo變化??；5）t2時刻，ui（t2）=+E，uo=+E；6）在t2～t3之間，D2導(dǎo)通，C重新充電，與0～t1間不同，C貯有大量電荷，充電持續(xù)時間更短，uo更迅速地降低到零。

圖3 二極管高壓鉗位電路

二極管鉗位電路由兩個二極管反向并聯(lián)構(gòu)成。工作時一只二極管導(dǎo)通而另一只截止，此時二級管正反壓降被鉗制在正向?qū)▔航?.7V，通過兩只二極管使鉗位電壓控制在-1.4 V左右。輸出信號頂部被限定在0.7V，故該電路稱為零電平正峰鉗位電路。若將二極管反接，可將輸出脈沖信號的底部鉗位在-0.7V，形成零電平負(fù)峰鉗位電路。200Ω電阻作為限流器，起保護(hù)二極管的作用。

為實現(xiàn)高壓鉗位，系統(tǒng)只要選擇不同的耐壓二極管就可對不同電壓幅值的負(fù)脈沖進(jìn)行鉗位。本設(shè)計采用二極管鉗位-100V，且-100V脈沖可調(diào)節(jié)，并加于接收回路，通過改變發(fā)射脈沖的相位、脈寬、幅值，通過FPGA控制-100 V脈沖的發(fā)射和聚焦延時發(fā)射相位，達(dá)到精確延時的效果。圖4為超聲相控陣二極管高壓發(fā)射脈沖、鉗位實測波形。

圖4 超聲相控陣二極管高壓發(fā)射脈沖、鉗位實測波形

2.2 發(fā)射聚焦

圖5 超聲相控陣發(fā)射聚焦Modelsim仿真

為驗證高精準(zhǔn)超聲相控陣高壓發(fā)射延時聚焦，設(shè)置晶片數(shù)為9片，晶片距離為0.1 mm，聲速為5 920m/s（鋼），波束采用自動發(fā)射聚焦、掃描，采用fs=200 MHz時鐘控制發(fā)射脈沖，發(fā)射聚焦脈沖波形由FPGA發(fā)出數(shù)字0，1實現(xiàn)，精度由時鐘決定，通過采用雙數(shù)據(jù)速率輸入輸出DDRIO作為時鐘倍增器，等效于400MHz發(fā)射時鐘（周期T=2.5ns），實現(xiàn)波束2.5s延時。圖5為超聲相控陣發(fā)射聚焦Modelsim仿真結(jié)果，故脈沖延時最小可達(dá)2.5ns，所有脈沖同時到達(dá)焦點(diǎn)P的時間越準(zhǔn)確，越能更好滿足干涉條件，則聚焦效果越好。

2.3 高壓發(fā)射電路模塊

圖6為高壓發(fā)射電路，其中電容C10起關(guān)鍵作用，利用其兩端電壓不會突變的原理，在TX_CHA和TX_CHB產(chǎn)生一個2.5V（由FPGA控制）脈沖，分別通過R1、C1和R2、C2進(jìn)行RC濾波整形，消除脈沖信號干擾。預(yù)處理后的信號通過ADP3624驅(qū)動器實現(xiàn)高電流、雙通道高速驅(qū)動。該驅(qū)動器可驅(qū)動兩個獨(dú)立的N、P溝道功率MOSFET，改善高速開關(guān)性能，使系統(tǒng)可靠性更高。該驅(qū)動器采用+5V、-5V供電，電源引腳均通過1μF電容進(jìn)行電源濾波。驅(qū)動器輸出信號經(jīng)R5、C7、R6、C8進(jìn)行RC濾波整形再經(jīng)圖中Q3、Q4（N溝道、Q溝道MOSFET）形成推挽電路，使得響應(yīng)速度更快，驅(qū)動器和底部的TX_100V引腳可提供C10電容兩端瞬時-100V脈沖電勢差，并通過二極管電路進(jìn)行脈沖處理，最后輸出-100 V脈沖電壓。電容C10充放電數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖6 高壓發(fā)射電路原理圖

為模擬超聲相控陣發(fā)射電路的電壓脈沖效果，通過FPGA仿真產(chǎn)生2.5V脈沖CMOS電壓，經(jīng)發(fā)射電路產(chǎn)生-100 V電脈沖信號，并利用示波器分析發(fā)射脈沖的上升時間，圖7為電容放電脈沖波形。可知發(fā)射脈沖上升時間約10ns，滿足設(shè)計要求。

圖7 電容放電脈沖波形

3 結(jié)束語

1）應(yīng)用超聲相控陣高壓發(fā)射聚焦原理，利用普通電壓升壓產(chǎn)生高壓脈沖（負(fù)脈沖）發(fā)射，滿足高壓激勵探頭要求，實現(xiàn)超聲相控陣高壓發(fā)射。

2）二極管加電阻鉗位電路可對超聲相控陣信號-100V電脈沖實現(xiàn)鉗位，通過改變-100V脈沖的相位、脈寬、幅值、脈沖重復(fù)頻率，達(dá)到高壓發(fā)射聚焦目的；采樣FPGA控制發(fā)射脈沖的相位、脈寬，能達(dá)到準(zhǔn)確2.5ns延時。

3）FPGA仿真結(jié)果表明，鉗位電路可對幅值為-100V的發(fā)射信號進(jìn)行穩(wěn)定鉗位，送往接收電路，使得發(fā)射脈沖的上升時間約10ns，可明顯改善發(fā)射信號的精確性和準(zhǔn)確度。

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Design of high voltage and accurate delay transmission circuit in ultrasonic phased array based on FPGA

DENG Yingfei1，LIU Guixiong2，TANG Wenming2
（1.Wuzhou University，Wuzhou 543002，China；2.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

The key of ultrasonic phased array is launching high voltage and precision delay. Generating high voltage pulse（negative pulse）with a normal voltage，we design a high voltage transmission circuit of precision delay.Through analyzing the diode voltage clamp，phased array focused，and high voltage transmitter module principle，we had gotten use of programming FPGA to improve the emission voltage，focused delay，and pulse.The results of FPGA simulation show that:the clamp circuit can clamp the original signal of-100 V，the rise time of pulse is less than 10ns.The accuracy of emission signals can be a significantly improved.

ultrasonic phased array；high voltage clamp；accurate delay；FPGA

A

：1674-5124（2015）05-0083-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.021

2015-01-28；

：2015-02-25

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項（2013YQ230575）

鄧鷹飛（1979-），女，廣西南寧市人，講師，碩士，主要從事現(xiàn)代檢測技術(shù)與應(yīng)用研究。