宋蘭江，郭新華

(武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

超聲波具有指向性好、無電輻射、對人體無傷害等優(yōu)點，在檢測領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。超聲波傳播時在聲阻抗不連續(xù)的地方會產(chǎn)生反射、折射和衰減等現(xiàn)象，通過對反射信號進行接收和相關(guān)處理，可以檢測物體內(nèi)部特征，實現(xiàn)被測物體的損傷檢測[1-3]。

超聲相控陣?yán)孟嗫仃囂筋^產(chǎn)生超聲波，通過控制激勵時間實現(xiàn)超聲波束偏轉(zhuǎn)和聚焦，聚焦的超聲波提高了檢測靈敏度和準(zhǔn)確性。超聲相控陣成像技術(shù)可以通過控制聚焦方位擴大檢測范圍，相比傳統(tǒng)超聲系統(tǒng)來說結(jié)構(gòu)更簡單，可靠性更高[4-5]。隨著集成電路不斷發(fā)展，數(shù)字化、小型化成為了超聲相控陣發(fā)展趨勢，但市面上的超聲相控陣成像設(shè)備僅通過圖像顯示試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不提供反射信號的原始數(shù)據(jù)[6-7]，筆者設(shè)計了一款采集回波信號原始數(shù)據(jù)的便攜超聲模擬前端，在一塊電路板上集成了超聲波發(fā)射電路和回波接收電路，配合后端控制板卡可為超聲相控陣檢測研究或其他相關(guān)開發(fā)提供便攜式實驗平臺。

1 數(shù)字相控陣檢測原理

超聲相控陣換能器由多個具有壓電效應(yīng)的特殊晶體按照一定順序排列構(gòu)成，每個晶體被稱作一個陣元，每個陣元都可看作一個傳感器，均可實現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收。超聲相控陣系統(tǒng)通過控制每個陣元的發(fā)射時間實現(xiàn)波束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，使超聲無損檢測更加便利。

圖1為超聲相控陣實現(xiàn)超聲波波束偏轉(zhuǎn)原理，在發(fā)射過程中等間隔激發(fā)陣元，由于聲程不同，在超聲波的傳播過程中，相同相位的超聲波信號會疊加，組合波面會產(chǎn)生一定偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)。

圖1 相控陣偏轉(zhuǎn)原理

圖2為超聲相控陣實現(xiàn)發(fā)射過程波束聚焦原理，在發(fā)射過程中給各個陣元的激勵信號設(shè)置不同延時，使每個陣元發(fā)出的超聲波同時傳播至焦點處[8]，此時焦點處超聲波疊加增強，焦點區(qū)域外超聲波疊加減弱，缺陷檢測能力有很大提升。

圖2 發(fā)射聚焦原理

接受聚焦原理如圖3所示，當(dāng)發(fā)射的超聲波束聚焦在缺陷處，反射的超聲回波被所有陣元接收，由于缺陷位置與每個陣元的距離不同，回波信號達到時間不同，通過對接收信號進行延時求和，使反射點處的回波信號相位一致，實現(xiàn)反射點處信號增強，其他區(qū)域上信號強度減弱。

圖3 接收聚焦原理

超聲相控陣無需移動探頭便可對損傷部位進行多處檢測，將回波數(shù)據(jù)組合，使用灰度值表征信號幅值即可成像，由發(fā)射、聚焦原理可知，模擬前端具有多通道發(fā)射和接收電路。為了實現(xiàn)控制信號精準(zhǔn)延時，各通道要有一致性。

2 超聲前端總體方案設(shè)計

超聲相控陣模擬前端包括超聲發(fā)射電路和回波接收電路，將發(fā)射和接收電路集成在同一塊電路板上，具有集成度高、同步性好和便于擴展等優(yōu)點?？刂瓢搴拖到y(tǒng)模擬前端分開，增強了系統(tǒng)的開放性，可靈活使用不同主控模塊進行控制和數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

超聲模擬前端主要由發(fā)射信號鏈和接收信號鏈兩部分組成。發(fā)射信號鏈主要包括高壓脈沖發(fā)射電路、多路復(fù)用電路和隔離電路；接收信號鏈主要包含回波信號放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等。

高壓脈沖電路在接收到控制信號后，產(chǎn)生高壓激勵信號。常見探頭中心頻率為0.5～15 MHz，激勵信號頻率與超聲探頭中心頻率相同時發(fā)射效率最高，根據(jù)不同需求，激勵信號可以為單極性或雙極性信號。隔離電路主要作用是防止發(fā)射電路損壞回波接收電路。使用多路復(fù)用開關(guān)使得一個發(fā)射電路對應(yīng)多個陣元，可以減少發(fā)射電路的數(shù)量，提高便攜性。

超聲波在傳輸過程中會發(fā)生衰減，故回波信號一般比較微弱，需要進行放大，為了減少引入的噪聲，使用低噪聲放大電路進行放大?；夭ㄐ盘柗禃S著路程增加而不斷衰減，探傷結(jié)果通過顏色對回波幅值進行表征，當(dāng)深度不同時，結(jié)果將不夠精確，由于回波信號聲程長短可以用時間衡量，故設(shè)計了時間增益電路，依據(jù)時間長短對衰減信號進行放大補償。為了實現(xiàn)信號儲存和處理操作，需要將回波信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣頻率滿足奈奎斯特采樣定理。晶振電路和單端轉(zhuǎn)差分電路，可以由電路板內(nèi)部或外部為ADC提供單端時鐘或差分時鐘，高壓電源由外部提供避免高壓電源的電磁干擾。

后端主控模塊可選擇FPGA(field programmable gate array)/DSP(digital singnal processor)/ARM(advanced RISC machines)等來實現(xiàn)脈沖發(fā)射控制和回波數(shù)據(jù)接收[9]，最后使用一塊Artix-7系列FPGA開發(fā)板來對模擬前端進行測試。

2.1 開關(guān)陣列電路設(shè)計

由于一個發(fā)射電路對應(yīng)一個超聲探頭時系統(tǒng)體積較大，不利于設(shè)備小型化，使用4片1∶8的高壓多路復(fù)用開關(guān)ECN3297TF設(shè)計開關(guān)陣列電路，將8個開關(guān)管腳連接到同一個脈沖發(fā)射通道，另一端連接超聲探頭不同陣元，使發(fā)射電路擴展至64通道，減少了發(fā)射電路數(shù)量，增強了系統(tǒng)便攜性。設(shè)計時將8個通道分為一組，每次控制一個陣元發(fā)射和接收，芯片具有數(shù)據(jù)輸入腳DIN和數(shù)據(jù)輸出腳DOUT，可以將兩片芯片采用菊花鏈連接，如圖5所示。

圖5 高壓復(fù)用開關(guān)級聯(lián)

主控模塊FPGA每次發(fā)送32 bit數(shù)據(jù)，經(jīng)過32個周期完成數(shù)據(jù)輸入，可以實現(xiàn)陣元的選通控制，兩片芯片級聯(lián)保持實時性的同時節(jié)約了系統(tǒng)資源。

2.2 激勵電路設(shè)計

采用芯片HDL6M05584進行超聲探頭激勵電路設(shè)計，芯片具有8通道高壓脈沖發(fā)射電路，每個通道均可獨立控制，集成有T/R開關(guān)，輸出0～±100 V的多極性脈沖，脈沖頻率可達20 MHz，激勵電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 激勵電路結(jié)構(gòu)圖

通過腳Pinx和Ninx(x=1～8)的電平狀態(tài)，實現(xiàn)高壓脈沖發(fā)射控制。當(dāng)腳Pinx和Ninx配置為發(fā)射狀態(tài)時，高壓管腳HVoutx輸出高壓激勵信號，T/R開關(guān)自動斷開，防止高壓信號對后續(xù)電路造成損壞，配置為接收狀態(tài)時，T/R開關(guān)閉合，通過低壓輸出腳LVoutx將回波信號傳遞給后續(xù)電路，實現(xiàn)發(fā)射電路和回波電路隔離[10]。同時在PCB(printed circuit board)設(shè)計時采用蛇形線等方法使整個發(fā)射電路時延相同，避免因為走線問題對延時控制造成影響。

2.3 回波接收電路設(shè)計

AFE5808A包含低噪聲放大器LNA(low noise amplifier)、壓控放大器VCA(voltage-controlled amplifier)、低通濾波器等，集成ADC(analog-to-digital converter)采樣率可以達到65 MSPS，采樣精度為14 bit，單個芯片有8通道，使用LVDS(low-voltage differential signaling)接口進行高速數(shù)據(jù)傳輸，確保傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，接收部分采用AFE5808A設(shè)計回波接收電路，相對于使用分立器件電路體積更小，各通道一致性更好，原理圖如圖7所示。

圖7 AFE5808A原理圖

在回波信號的第一級使用低噪聲放大器LNA實現(xiàn)了回波信號的放大，減少了因電路引入的噪聲，通過控制VCA放大倍數(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)場回波信號補償，整個放大電路對回波信號最大增益為54 dB。ADC實現(xiàn)了信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過串行LVDS電平方式輸出，由主控板進行接收。

2.4 時間增益補償控制電路設(shè)計

AFE5808A的VCA放大倍數(shù)(dB)與VCNTLP和VCNTLM兩腳之間電壓差(0～1.5 V范圍內(nèi))成線性關(guān)系，控制兩管腳之間的電壓差，即可實現(xiàn)回波信號的時間增益補償控制。

如圖8所示，使用DAC7821芯片設(shè)計模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)控制電壓的輸出，由于DAC7821輸出為電流信號，需要通過內(nèi)部電阻和運放轉(zhuǎn)換為電壓輸出，再通過電壓基準(zhǔn)REF1930和運放OPA277給DAC7821提供負(fù)參考電壓，使模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出為正電壓輸出，相比使用逆變放大器，該方法避免了電阻公差的影響。

圖8 VCA控制信號電路

由于AFE5808A采用一對差分管腳控制VCA，需要將控制信號轉(zhuǎn)換為差分信號。如圖9所示，使用運放OPA211設(shè)計一個電壓跟隨電路，增強驅(qū)動能力，R1為終端電阻進行阻抗匹配，采用差分運放THS4520將單端控制信號轉(zhuǎn)成差分信號。

圖9 單端轉(zhuǎn)差分電路

最終通過編程控制數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出時間增益控制曲線即電壓變化曲線，然后轉(zhuǎn)換為差分信號連接到AFE5808A差分管腳上，控制壓控放大器實現(xiàn)時間增益補償[11]。

2.5 AFE5808A時鐘電路設(shè)計

電路板板載40 M有源晶振電路，為了靈活改變ADC采樣頻率，可由外部提供不同的時鐘信號，設(shè)計了外部接口和單端時鐘轉(zhuǎn)差分時鐘電路。

如圖10所示，采用隔離變壓器ADT4-1WT設(shè)計了一個單端時鐘轉(zhuǎn)差分時鐘電路，外部(如控制板)輸入單端時鐘可轉(zhuǎn)換為差分時鐘，增強時鐘抗干擾能力，同時降低時鐘EMI(electromag netic interference)輻射,為ADC提供穩(wěn)定的時鐘信號。

圖10 單端時鐘轉(zhuǎn)差分時鐘電路

2.6 AFE5808A寄存器配置電路設(shè)計

AFE5808A放大倍數(shù)、濾波器截止頻率等參數(shù)均可通過SPI(serial peripheral interface)總線配置相應(yīng)寄存器參數(shù)的方式進行控制，由于計算機和各種控制板卡廣泛使用USB(universal serial bus)接口，如圖11所示，使用FT245RL芯片設(shè)計了一個SPI轉(zhuǎn)USB電路，并使用隔離芯片進行隔離，降低了由AFE5808A數(shù)字邏輯輸入腳引入的噪聲。最終可以通過USB對AFE5808A寄存器參數(shù)進行修改，提高模擬前端的靈活性。

圖11 SPI轉(zhuǎn)USB電路

2.7 電源電路設(shè)計

高壓電路一般使用開關(guān)電源電路，為了降低開關(guān)電源工作時產(chǎn)生的電磁干擾，高壓電源不集成在模擬前端電路板中，由外部電源提供。模擬前端需要的低壓信號有1.8 V、3.3 V和±5 V，其中±5 V由外部電源提供，設(shè)計了如圖12所示的超低噪聲LDO(low dropout regulator)電路進行5 V到1.8 V和3.3 V的轉(zhuǎn)換，減少因電源波動而產(chǎn)生的噪聲[12]。由于LDO電路發(fā)熱嚴(yán)重，根據(jù)輸出功率采用了兩片TPS79633分別輸出數(shù)字3.3 V和模擬3.3 V，一片TPS79618輸出數(shù)字1.8 V和模擬1.8 V，通過磁珠進行隔離。

圖12 電源電路

3 實物制作與功能測試

最終采用六層板制作13 cm×14 cm電路板實物，如圖13所示。信號具有完整參考層，提高了信號質(zhì)量。

圖13 實物圖

對發(fā)射電路進行測試結(jié)果，如圖14所示。發(fā)射電路能產(chǎn)生多極性高壓脈沖信號，頻率可以到20 MHz，由于一般超聲換能器中心頻率為0.5～15 MHz，發(fā)射電路滿足大多數(shù)超聲探頭的要求。

圖14 20 MHz單極性和雙極性脈沖

當(dāng)高壓脈沖發(fā)射電路產(chǎn)生高壓激勵信號時，T/R開關(guān)斷開，其輸出結(jié)果如圖15所示，回波電路接口處電壓小于1 V，不會損壞。

圖15 高壓脈沖和T/R開關(guān)輸出

通過FPGA控制板輸出延時為10 ns的控制信號，發(fā)射脈沖如圖16所示。圖16可知，該模擬前端可配合主控板實現(xiàn)延時控制。

圖16 發(fā)射脈沖10 ns延時

對模擬前端單通道進行測試，使用中心頻率為5 MHz的超聲直探頭，對一塊面積為100 mm×100 mm，厚度為20 mm的鋼材試件進行檢測。試件底部中心位置有一直徑5 mm、高度5 mm的圓形孔洞，可以模擬鋼材裂紋損傷等情況，采集測試數(shù)據(jù)如圖17所示，根據(jù)數(shù)據(jù)可以計算出損傷距試件表面15.03 mm與實際距離15 mm相符，模擬前端的整個通道功能正常，可以正常使用。

圖17 無缺陷位置回波和有缺陷位置回波

4 結(jié)論

筆者基于超聲相控陣成像特點和超聲硬件平臺需求，研制了一款開放式便攜型超聲成像模擬前端，具有64個發(fā)射通道和8個接收通道，每個通道能夠發(fā)射0～20 MHz的單極性和雙極性高壓脈沖，輸出電壓最高可達±100 V，滿足絕大部分超聲探頭的要求。通過合理布局布線，配合主控板可以實現(xiàn)發(fā)射脈沖延時，可以對常見頻率(0.5～15 MHz)回波信號進行采集，獲取原始數(shù)據(jù)。每個通道的發(fā)射和接收都可獨立控制，具有一定開放性。