田少華，楊　錄，張艷花

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

?

磁致伸縮超聲導(dǎo)波激勵(lì)電路設(shè)計(jì)

田少華，楊錄，張艷花

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

摘要：基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，利用FPGA、高速DA及運(yùn)算放大器等器件設(shè)計(jì)了一種超聲導(dǎo)波激勵(lì)電路，提供了一種超聲導(dǎo)波激勵(lì)的新方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，能夠滿(mǎn)足磁致伸縮檢測(cè)對(duì)激勵(lì)源提出的要求，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的低成本、小型化。

關(guān)鍵詞：磁致伸縮；激勵(lì)電路；直接數(shù)字頻率合成技術(shù)

磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)作為一種新型的無(wú)損檢測(cè)方法，與傳統(tǒng)超聲無(wú)損檢測(cè)方法相比，具有速度快、距離長(zhǎng)、效率高等突出優(yōu)點(diǎn)[1，2]。通常對(duì)于超聲波的激勵(lì)方式有兩種：一種是寬帶脈沖大電流激勵(lì)；另一種是窄帶脈沖諧振激勵(lì)。由于超聲導(dǎo)波在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳播存在多模態(tài)與頻散特性，若超聲導(dǎo)波激勵(lì)源采用寬帶脈沖激勵(lì)的方法，則所激發(fā)出的超聲導(dǎo)波包含豐富的頻率成份，在被檢構(gòu)件中傳播一定的距離后將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重頻散，這樣會(huì)使檢測(cè)中接收到的超聲導(dǎo)波回波信號(hào)的幅值變小、波包展寬，不利于缺陷檢測(cè)的分析與處理，頻散嚴(yán)重時(shí)可能無(wú)法得到缺陷回波信號(hào)[3，4]。通過(guò)分析頻散曲線(xiàn)可知，在某一頻段范圍內(nèi)，某一模態(tài)的導(dǎo)波幾乎不發(fā)生頻散。若采用相應(yīng)頻段內(nèi)的窄帶脈沖作為激勵(lì)信號(hào)，則可激勵(lì)出單一模態(tài)的超聲導(dǎo)波，這樣不僅可以避免超聲導(dǎo)波頻散特性的不利影響，而且還可以提高檢測(cè)的分辨率與效率。

本文基于直接數(shù)字頻率合成(direct digital synthesis，DDS)技術(shù)，利用FPGA、高速DA、集成運(yùn)算放大器等設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)用于激勵(lì)超聲導(dǎo)波的窄帶脈沖諧振激勵(lì)電路，該電路可實(shí)現(xiàn)漢寧(Hanning)窗的寬度，單頻信號(hào)頻率及漢寧窗脈沖的時(shí)間間隔可調(diào)，提供了一種用于激勵(lì)超聲導(dǎo)波信號(hào)的方法。

1激勵(lì)電路總體設(shè)計(jì)

在超聲導(dǎo)波檢測(cè)中，一般選用漢寧窗調(diào)制單頻的窄帶脈沖信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，其函數(shù)形式為：

其中，f為單頻信號(hào)的頻率，n為漢寧窗調(diào)制的單頻信號(hào)的周期數(shù)。

總體設(shè)計(jì)如圖1所示，按鍵用于設(shè)置漢寧窗寬度(調(diào)制單頻信號(hào)的周期數(shù))、單頻信號(hào)的頻率及漢寧窗脈沖的時(shí)間間隔；在FPGA中利用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)漢寧窗調(diào)制的單頻信號(hào)算法，高速DA將FPGA輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；由DA輸出的信號(hào)經(jīng)差分/單端轉(zhuǎn)換、低通濾波、中間放大、功率放大，最終用于超聲導(dǎo)波信號(hào)的激勵(lì)。

圖1　總體設(shè)計(jì)框圖

2硬件電路設(shè)計(jì)

磁致伸縮超聲導(dǎo)波激勵(lì)電路實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)波激勵(lì)源信號(hào)的控制與功率放大，主要由FPGA與DA接口電路、差分轉(zhuǎn)單端電路、低通濾波電路、中間放大電路、功率放大電路五部分構(gòu)成。

2.1FPGA與高速DA的接口電路

系統(tǒng)采用Altera公司資源豐富、成本低廉的Cyclone系列FPGA作為核心芯片，其型號(hào)為EP1C3T144C8N，它含有2 910個(gè)LEs、13個(gè)M4K存儲(chǔ)器塊、1個(gè)PLL、104個(gè)可用IO引腳。由于超聲導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)的頻率范圍選定在100～1 000 kHz之間，根據(jù)采樣定理，高速DA輸出的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率至少要為信號(hào)頻率的2倍，為了得到較為平滑的信號(hào)波形，其取值在10倍的信號(hào)頻率以上。數(shù)模轉(zhuǎn)換器件選用美國(guó) TI公司推出的DAC902器件，它具有165MSPS的更新速率，12 bit分辨率，且有較高的信噪比，非常適用于超聲導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)的生成。 采用20 MHz晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘，圖2為FPGA與DAC902連接的電路圖。

圖2　FPGA與DAC902的接口電路

2.2差分/單端轉(zhuǎn)換電路

由于高速DA為互補(bǔ)差分輸出，而末端功率放大為單端輸入，所以必須對(duì)DA的輸出做差分到單端的轉(zhuǎn)換。選用美國(guó)ADI公司推出的AD830高速差分運(yùn)放，它具有差分輸入、高輸入阻抗、寬頻帶、高共模抑制比。圖3為AD830差分轉(zhuǎn)單端電路圖。

圖3　AD830差分轉(zhuǎn)單端電路

2.3低通濾波電路

數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DA)的輸出實(shí)際上就是一個(gè)階梯波，和連續(xù)的模擬信號(hào)相比是存在量化噪聲的，DA的輸出信號(hào)一般不可直接用于對(duì)噪聲敏感的模擬放大電路，信號(hào)需經(jīng)過(guò)濾波調(diào)理后再用作后級(jí)放大的輸入。選用性能較好、成本低廉的NE5532構(gòu)成截止頻率為1 MHz的四階巴特沃斯有源低通濾波電路。

2.4中間放大電路

在模擬放大電路中，由于運(yùn)放的帶寬、壓擺率及穩(wěn)定性等限制，通常只通過(guò)一級(jí)放大是無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)際需求，需采用多級(jí)放大。中間放大電路一般是增益可調(diào)的，由于AD817具有寬頻帶、高壓擺率的特性，可很好地用于實(shí)現(xiàn)可調(diào)增益中間放大電路。

2.5功率放大電路

系統(tǒng)的最后一級(jí)電路實(shí)現(xiàn)固定增益的功率放大，由于磁致伸縮超聲導(dǎo)波激勵(lì)電路的負(fù)載為感性負(fù)載，故要求功率放大電路具有較大的驅(qū)動(dòng)能力；感性負(fù)載還會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)高壓，需對(duì)功率放大電路的輸出端作保護(hù)。美國(guó)ADI公司推出的ADA4870高速、高低壓、大電流驅(qū)動(dòng)放大器，具有10～40 V供電范圍、2500 V/μs的壓擺率、1 A的輸出驅(qū)動(dòng)電流，能夠驅(qū)動(dòng)高容性和低阻性負(fù)載。選用ADA4870用作5倍固定增益的功率驅(qū)動(dòng)器，并通過(guò)二極管將其輸出端連接到正負(fù)電源軌進(jìn)行高壓保護(hù)。圖4為5倍固定增益功率放大電路。

圖4　固定增益功率放大電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1DDS工作原理

DDS是一種直接數(shù)字頻率合成方法，它從相位量化的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成。DDS的基本原理如圖5所示，它由相位累加器、正弦查詢(xún)表、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器等部分組成。fout為輸出頻率，N為二進(jìn)制加法器的位數(shù)，在參考時(shí)鐘fc和頻率控制字K的作用下，相位累加器進(jìn)行加法操作，累加器的輸出對(duì)正弦查詢(xún)表進(jìn)行尋址，輸出波形編碼，然后通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換得到數(shù)字形式的正弦波形，經(jīng)過(guò)低通濾波便可得到正弦波形[5]。

圖5　DDS基本原理

3.2漢寧窗調(diào)制單頻窄帶脈沖信號(hào)的產(chǎn)生

在FPGA中基于公式K=2N·fout/fc實(shí)現(xiàn)兩路DDS信號(hào)，一路作為漢寧窗信號(hào)，另一路作為單頻信號(hào)。兩路信號(hào)再經(jīng)過(guò)乘法器做調(diào)制，實(shí)現(xiàn)漢寧窗調(diào)制的單頻窄脈沖信號(hào)。

通過(guò)按鍵設(shè)置漢寧窗信號(hào)調(diào)制單頻信號(hào)的周期數(shù)、單頻信號(hào)的頻率及漢寧窗脈沖的時(shí)間間隔。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6顯示了設(shè)計(jì)電路產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)的波形，從圖中可以看出，激勵(lì)信號(hào)為單頻信號(hào)頻率為100 kHz，漢寧窗調(diào)制20個(gè)周期峰峰值約為23 V。實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)合理，波形的產(chǎn)生滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，生成了正確的完整的所需信號(hào)，此窄帶脈沖激勵(lì)信號(hào)可方便地應(yīng)用于磁致伸縮超聲導(dǎo)波的激勵(lì)。

圖6　激勵(lì)信號(hào)波形

5結(jié)論

利用FPGA、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器等器件，設(shè)計(jì)了一種磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)電路，此電路具有單頻信號(hào)的頻率、漢寧窗寬度、漢寧窗脈沖的時(shí)間間隔均可調(diào)的功能。電路產(chǎn)生的單頻窄帶脈沖激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)了功率放大，可直接用于磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)激勵(lì)探頭，激發(fā)出的超聲導(dǎo)波

可在一定程度上減小超聲導(dǎo)波在構(gòu)件中傳播的頻散現(xiàn)象，提高檢測(cè)的精度和效率。與專(zhuān)用超聲導(dǎo)波的激勵(lì)儀器相比，可節(jié)約大量的成本，減小檢測(cè)設(shè)備的體積，便于超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)的集成化、小型化、產(chǎn)品化。

參考文獻(xiàn)

[1]劉鎮(zhèn)清.超聲無(wú)損檢測(cè)中的導(dǎo)波技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，1999,21(8):367-369.

[2]何存富，吳斌，范晉偉.超聲柱面導(dǎo)波技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展, 2001,31(2):203-214.

[3]王軍陣，王建斌，陳仁偉.基于DDS的超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)源的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2010,33(2):19-21.

[4]王軍陣，王建斌，王帥.基于DS89C430的超聲導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)源的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2010,18(10):136-138.

[5]劉素貞，李文杰，金亮，等.基于DDS技術(shù)的電磁聲發(fā)射渦流加載電源[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(6)：6-11.

收稿日期：2015-03-01

作者簡(jiǎn)介：田少華(1988- )，男，碩士研究生，主要從事超聲檢測(cè)和信號(hào)處理方面的研究。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)02- 0036- 02

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.13

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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