数字超声系统接收电路改进

杨兆飞

(中北大学信息探测与处理技术研究所，山西太原030051)

0 引言

超声波是一种频率超过20kHz的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性，即反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大的能量，并且在不同的媒质界面，超声波的大部分能量会被反射。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大的特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，通过反射波或透射波来了解被测物体的内部情况［1］。

超声探伤系统就是根据超声波的特性研制的能够发射和接收超声波的完整系统，早期使用的探伤仪有CTS－22A等，随着数字技术的不断进步，传统的超声波探伤模拟电路正在逐渐被数字超声波系统所代替。

1 数字超声系统构成

在传统的超声探伤仪图1中，为了使超声探伤仪各部分按一定规律工作，通过同步电路产生等时间间隔的同步脉冲来控制。同步脉冲触发发射电路，产生高压电脉冲，后者加到超声换能器上，激发超声脉冲，这就是超声系统中的发射电路。高压脉冲和超声脉冲转换回来的微弱电脉冲一起，加到限幅电路上，这样微弱的超声脉冲就能通过电路而不让高压脉冲通过，用以保护放大器不被高压电脉冲烧毁［2］。经过放大器、检波器和视频放大器后，信号幅度可达数十伏，加到示波管的垂直偏转板上。另一方面，同步电路发出的同步脉冲触发水平扫描电路，在示波管上形成时基线。两者共同作用形成常见的A型显示。

图1 模拟超声波探伤仪

数字超声探伤仪框图如图2。从图中可以看出模拟超声波探伤仪中的同步电路、水平扫描电路、示波管、检波器和视频放大器等部分不见了，而用微处理器、显示器和模数转换器等代替。超声发射电路、限幅电路和放大器都不变。发射电路、限幅电路和放大器的功能与模拟探伤仪相同，但随着大规模的集成芯片出现，逐渐用信号调理电路完成信号放大的作用，此电路就是超声接收电路。信号放大后输出的信号传递给模数转换器将其转换成数字信号，微处理器将这些数字信号处理后交显示器显示。

图2 数字超声波探伤仪

2 接收电路的改进

接收电路模块的主要任务就是把从探头接收回来的波形进行放大，以便被AD接收。由于接收回来的信号是小信号，在微伏的数量级，里面会夹杂有大量的噪声，所以信号需要进行限幅、放大、滤波等。图3为接收模块的整体框图。

图3 接收模块整体框图

2.1 限幅电路

本系统的设计采用发射接收一体的工作方式，当激励脉冲加载在换能器上时，同时也输入到了接收模块中。这样，接收模块中就有微伏级的回波信号，同时也有几百伏的发射脉冲信号，这样的信号若要直接加到放大器两端，不对此信号进行限幅，很容易损坏接收电路中的芯片，而且会增加阻塞时间，使得正确的缺陷回波信号不能被接收。所以，为了接收电路的安全同时也为了提高检测的精度，必须采用限幅电路［3］。

限幅电路有两种类型:一类是并联限幅电路，另一类是串联限幅电路，这两类电路都是利用二极管的开关特性将从接收端收到的信号幅度限制在一定的范围内，起到对接收模块输入端的保护作用。这两种隔离效果基本相同，并联限幅电路比串联电路相对简单，不需要额外的直流电压源。在实际的电路中，正向和反向的二极管各有两个，这里的设计是由于后续A/D转换器输入电压是从0.4V～1.4V变化，所以设置隔离电路的通过电压为1.4V左右，这样就不会造成信号的失真。当换能器上信号较小时，信号将通过限幅电路到后续放大器中;当换能器上有较大电压时，二极管导通接地，高压就不会进入接收电路。

2.2 阻抗匹配

超声换能器的压电晶片的输出阻抗高，其物理意义是能输出的信号电流小，接收电路部分的输入阻抗小，也就是能输入的电流大，那么输入的信号电压就大大小于压电晶片空载时的输出电压。所以应该使接收电路的输入阻抗大于压电晶片的输出阻抗，这样获得的输入信号电压就基本上等于超声换能器压电晶片的空载输出信号电压，这样的电压损失小。所以在程控放大前应加入阻抗匹配电路，阻抗匹配电路要有高输入阻抗和低输出阻抗。低输出阻抗的设计是为了抑制噪声，噪声源一般都是通过一些特殊路径进入电路，比如导线间的电容耦合或者电磁耦合等，它们的输出阻抗比较高，也就是说噪声的电流比较小，如果后级的程控放大器是低输入阻抗，那么要求输入的信号电流比较大，而噪声电流比较小，所以送入程控放大器中的噪声信号幅值就大大降低，所以超声信号通过阻抗变换使得输入阻抗变高，能够获得不失真的超声信号;输出阻抗变低，可以抑制噪声源，这样就可以提高系统的信噪比。

阻抗变换电路采用的是低噪声运算放大器，超声波接收信号从正输入端进入，是为了增加输入阻抗。阻抗变换没有对信号进行放大，只将高输入阻抗变换为低输出阻抗，提供给后续的程控放大电路。

阻抗匹配电路有两种形式，一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出电压)成正比，不过要受电缆长度的影响;另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比，且与电缆长度无关，还具有很宽的频率响应。

在电荷放大器中，由于采用电容负反馈，对直流工作点相当于开路，零漂较大。为了减小零漂，使放大器工作稳定，通常在反馈电容的两端并联一个大电阻 Rf(约108Ω～1010Ω)，以提供直流反馈，改善低频响应。

电荷放大器的下限截止频率为:

若选取，Rf=1010Ω，Cf=104pF

由此可见，电荷放大器在适当选取Rf和Cf之后，低端截止频律几乎接近于零。也就是说，配用电荷放大器时低频响应好，可进行稳态参数测量。

2.3 程控放大电路

当超声回波信号经过阻抗匹配电路后，就需要进入可变增益放大电路(程控放大)环节，该电路可调节系统总体的动态范围。设置该环节对于探伤有着重要的意义，因为不同材料对超声脉冲波的衰减系数不同，并且同材料的工件在不同的厚度有不同的声压，所以探头接收到的信号强弱不一样，即反射回来的超声波的波高并不相等。若只设置固定的前置放大倍数，在各种不同的情况下，就无法根据实际需要调节放大倍数至所需状态。这样就可根据不同类型的工件来选择合适的放大倍数。

放大也不是说无限制的放大信号，需要满足一定的要求。如前面拟定指标中提到了放大倍数也即增益，就是说要把接收回的超声波信号进行放大，放大多少倍是由输入的信号和A/D采集芯片的输入电压来决定的。A/D芯片的输入电压范围在0.4V～1.4V，接收回的超声波信号在微伏级别，以50uV放大到1.4V为例，数字式超声波检测仪器的放大接收电路需要放大28000倍约88dB，所以一般设计增益放大倍数设定在80dB左右，这样的设计就能够满足后续A/D采样的伏值。

放大器的选择还需要有足够大的带宽。有文献中指出设计接收电路时带宽的设计为回波信号中心频率的5～8倍，通常用的最大的超声频率是5MHz，那么40 MHz的带宽就已经能够满足设计的需要，同时放大器必须要有较好的摆率等特性。

AD603是一种具有程控增益调整功能的芯片，它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/μs［4］。由于数字超声探伤仪要求的增益在80dB以上，所以一片AD603的增益范围达不到要求，需要两片AD603进行级联。AD603有三种级联方式:顺序级联方式(高信噪比级联方式)、并联控制方式、低增益波动方式(最小增益误差方式)。这三种级联方式都可满足探伤仪的增益要求，因为仪器要求有高信噪比，所以采用第一种的顺序级联方式，增益控制电压Vc电压从0V～2V，增益调节可达60dB。有文献指出，这种级联方式的增益误差较大，不能满足仪器线性误差小于3%的要求，需要采用最小增益误差级联方式，在5和7管脚接一个2.2k的电阻，VG1电压调为0.473V，VG2电压调为0.528V，即电压差为75mV时，仪器的线性误差最小，增益控制电压为0V～1V。

当输入电压为0V时，VG1=0－0.473= －0.473V，在 VG范围内，所以第一级的增益是G1=40*(－0.473)+20=1.08dB;VG2=0 －0.548= －0.548V，不在 VG范围内，所以第二级的增益是 G2= －42.14dB+31.07dB= －10.44dB;则总体的增益为 G=G1+G2=1.08 －10.44= －9.36dB

当输入电压为0.5V 时，VG1=0.500 －0.473= －0.027V，在VG范围内，所以第一级的增益是G1=40*(0.027)+20=21.08dB;VG2=0.5 －0.548= －0.048v，在 VG范围内，所以第二级的增益是G2=40*(－0.048)+20=18.08dB;则总体的增益为 G=G1+G2=21.08+18.08=39.16dB

当输入电压为1V时，VG1=1－0.473=0.527V，不在 VG范围内，所以第一级的增益是G1=0+31.07=31.07dB;VG2=1－0.548=0.452V，在 VG范围内，所以第二级的增益是G2=40*(0.452)+20=38.08dB;则总体的增益为 G=G1+G2=31.07+38.08=69.15dB

实际的仿真过程中，控制电压为0.5V，输入信号电压为28.929mV，输出信号电压为 2.279V，放大增益为 G=20*，同上面讨论的 39.16dB 相差不大，说明理论和仿真结果吻合。

2.4 滤波器

滤波器在接收通道的作用是滤去超声信号频率带宽以外的信号，比如噪声，以提高超声接收信号的信噪比。由于系统中涉及到1－5MHz的带宽，所以选用带通滤波器(也叫抗混叠滤波器)。滤波器分为无源滤波器和有源滤波器，无源滤波器是由电阻、电容和电感构成;有源滤波器采用了有源器件，例如晶体管和集成运算放大器;无源滤波器只需要搭建相应的阻容网络，占地面积小，但无源二阶带通滤波器的品质因数Q太低，Q是衡量带通滤波器的频率选择能力的重要指标，故无源带通滤波器的频率选择性差;所以这里选择使用有源带通滤波器，它的作用是对超声接收放大信号进行滤波，抑制信号中的高、低频噪声，并起到抗混叠作用，然后送入差分模块。

2.5 差分模块

AD的输入可以是差分方式输入，差分方式就是实现将单端输入变成差分输出，这种功能在现代高速模数转换电路中是非常有用的。单端输入实现简单，但性能相对较差。相比较，后者虽然实现较为复杂，但可提供最佳的总谐波失真和无杂波失真动态范围。所以绝大多数的高速A/D芯片都需要模拟信号为差分输入。如果采用单端输入，必然会使A/D转换结果的二次谐波增大，降低信噪比SNR。因此，系统设计采用差分输入方式。

3 仿真结果

图4 超声数字系统接收电路仿真

仿真中输入的信号为2.5M，50mV的正弦波，在示波器中为绿色的线，信号经过限幅电路、阻抗匹配电路、程控放大电路和差分电路送入到AD中。从差分电路看到的仿真信号结果图5中可以看出接收电路能够很好地把微小信号进行预期的放大。

图5 输出、输出仿真结果

4 结论

本文首先对传统的超声探伤仪与数字超声系统做了比较，介绍了数字超声系统，然后对现有的接收电路进行了改进，介绍并分析了接收电路的每一模块的构成，尤其是对阻抗匹配和程控放大部分作了详细的介绍。从实验的结果可以看出，改进后的接收电路模块放大性能好，可控性高，能够为后续的AD转换电路提供良好的信号。

［1］陈春生.钢轨探伤工程［M］.北京:中国铁道出版社，1996.

［2］郭成彬，蒋危平.认识数字超声探伤仪［J］.无损检测，2004，26(3):149 －158.

［3］廖强.数字化超声波探伤仪的设计与实现［D］.重庆:重庆大学，2009.

［4］曾繁政，黄河.基于AD603的可控直流宽带放大器［J］.大众科技，2010(4):40 －41.

［5］Trimborn N.The Time－of－Flight－Diffraction－Technique，The e－Journal of Nondestructive Testing＆ Ultrasonics［J］.Issue，1997，2:9.

［6］Lawson S，Parker GA.Automatic Detection of Defects in Industrial Ultrasound Images Using a Neural Network［J］.Proc.of SPIE，1996，2786:37 －47.