128通道超声相控阵发射电路系统的设计

祁小凤，肖迎春，李闵行，陈以方，孙 霓

（1.中国飞机强度研究所，西安 710065；2.清华大学机械工程系，北京 100084）

作为五大常规无损检测方法之一的超声波无损检测因具有灵敏度高、穿透性强、对人体无害等优点，在航空航天、石油化工等领域得到了广泛的应用［1］。常规超声波检测技术一般采用单探头来实现，在检测应用中显露出很多不足之处，如检测次数多、检测效率低及分辨率较低等缺点［2－3］。

超声相控阵技术是近年来发展起来的一种新型超声无损检测技术，具有快速、可靠、便捷等优点［4－6］。在超声相控阵检测系统中，相控阵发射电路是至关重要的一个环节［7］。因为波束控制的各项关键技术都在其中实现，它可以产生具有各种频率、幅度、相位延时的激励信号，使各单元进行超声相控阵发射，从而在一定的空间范围内叠加形成各种相控效果［8］。

目前，相控阵发射电路的设计普遍采用如下方法［9］：可编程器件产生数字化波形数据，经过数模转换器D／A 转换成模拟波形，再采用模拟延迟线（诸如LC网络）实现相位延迟，然后模拟波形经可变增益放大器进行放大，最后再经过功放模块进行幅值、功率放大后产生超声相控阵的激励延时脉冲。此方法实现过程比较复杂、延时精度相对较低、电路比较庞大，而且很容易受噪声干扰。

此外，目前超声相控阵的通道一般为8通道、16通道、32通道或者64通道，而128通道的超声相控阵检测系统相对来讲比较少。因此，有必要针对128通道相控阵系统研制出一种构造简单、成本低、使用可靠、延时精度高、缺陷分辨率高的激励延时脉冲的产生方法。

1 超声相控阵发射的基本原理

在超声相控阵检测系统中，针对超声相控阵探头中的各压电晶片阵元施加具有不同延时的激励脉冲，可使各阵元发出的声波在空间某处叠加合成，形成设计者所需的声束聚焦，如图1（a）所示，或者声束偏转，如图1（b）所示，这种技术就是所谓的相控阵发射技术［10－11］。

图1 超声相控阵发射的动态光弹照片

如图2（a）所示，当各阵元的激励脉冲组成形如双曲线的包络（两端阵元先激励，逐渐向中间阵元加大延迟）时，各阵元发出的超声波在传播过程中合成的波阵面将会指向一个曲率中心，意味着各阵元发出的声波将会同时到达此曲率中心，该现象即为声束聚焦。

而对于声束偏转来讲，各阵元的激励脉冲会组成形如斜直线的包络（即各相邻阵元的激励脉冲延时值相等），如图2（b）所示，此时各阵元发出的超声波在传播过程中合成的波阵面将会是一个与晶片阵列面有一定夹角的平面。

图2 相控阵发射技术的示意

2 相控阵发射电路系统的设计方案

如图3虚线框内所示，128通道相控阵发射电路系统由发射时序控制模块及2个64通道的发射电路模块组成，而64通道发射电路模块又包含发射时序驱动模块和高压脉冲发射模块两部分。

图3 相控阵发射电路系统的整体框架结构

（1）发射时序控制模块的作用是：通过对发射模块进行编程，产生最大128个用于控制时序的逻辑信号，该逻辑信号包含了晶片阵元激励脉冲的延时及频率信息。时序控制信号为低压数字信号，而阵元激励脉冲为高压模拟信号，但是相应通道的两种信号具有相同的延时及频率值。

（2）发射时序驱动模块是对发射时序控制模块输出的128个逻辑信号进行驱动，具体指的是将一个逻辑信号变为两个逻辑信号，其中一个与原逻辑信号相同（称为正逻辑），另一个与其相位完全相反（称为负逻辑）。这样可以满足高压脉冲发射模块的正负逻辑输入要求。

（3）根据发射时序驱动模块输出的一对相位相反的逻辑信号，高压发射模块可产生具有某种幅值及极性的高压激励脉冲（具体幅值、极性由接入高压模块的正负逻辑信号及电源Vpp、Vnn决定），此高压脉冲的相位信息及频率信息与输入的逻辑信号的相应特征参量相同。

以上介绍的相控阵发射电路系统的工作原理可采用如图4（a）、（b）所示的时序图来形象地表述。时序图以单个发射通道为例。当时序驱动模块输出的正、负逻辑信号分别对应地输入到高压模块的正负端时，会产生如图4（a）所示的正极性激励脉冲；当时序驱动模块的正逻辑输出接入高压模块的负逻辑端，而负逻辑输出接入高压模块的正逻辑端时，高压模块便会产生如图4（b）所示的负极性激励脉冲。

图4 相控阵发射电路系统的示意时序

3 相控发射电路系统的具体实现

3.1 时序控制模块的设计

时序控制模块既包含逻辑控制，也包含时序控制，一般选用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）或者CPLD（复杂可编程逻辑器件）来实现。考虑到CPLD 内部采用连续式布线结构，相对于FPGA 来讲，其延迟均匀且具有可测性，因而更容易实现较高的相位精度。此外，下载到CPLD 内部的程序具有非易失性，断电之后重新上电无需再次进行配置，这样使用比较方便，所以设计采用CPLD 来实现时序控制模块的功能。

设计中，发射时序控制模块采用Altera 公司MAXⅡ系列的CPLD 芯片EPM2210F256来实现。该芯片具有非挥发性的8kbit存储器，2210个LE（逻辑单元）及256个引脚。其中，最大用户I／O 管脚为204个，分布于4个BANK 中。每个Bank都可以有不同的接口电平标准，每个Bank都有其专用的VCCIO 管脚，它加载的电压数值决定了该Bank所支持的电压标准。单一器件上可以支持1.5，1.8，2.5，3.3V 这些接口电平标准。

EPM2210时序控制功能的设计是在Altera公司的可编程器件开发平台QUARTUS Ⅱ软件上完成的。在开发平台上，采用硬件描述语言设计出如图5 所示的时序控制功能模块，然后下载到EPM2210中，可令其产生128个延时，脉宽可由用户任意指定时序控制信号。

图5 时序控制模块的I／O 管脚

图6为时序控制模块在QUARTUS Ⅱ软件中的仿真结果。可以看出，该模块根据指定的延时、脉宽信息，在同步触发信号有效后成功产生了一组所需的时序控制信号。系统设计中，时序控制模块的最高工作频率可达250 MHz，因而理论上能达到4ns的延时精度。

3.2 64通道发射电路模块的设计

如图3所示，64通道发射电路模块包括时序驱动模块和高压发射模块。

3.2.1 时序驱动模块的设计

图6 时序控制模块的仿真结果

时序驱动模块同样选用Altera公司MAXⅡ系列的CPLD 芯片来实现。由于驱动模块实现的仅仅是“一变二”的驱动功能，而不涉及到任何逻辑算法，因而在选择芯片时应选LE 最少的，以避免资源浪费。EPM240是MAXⅡ系列逻辑单元数最小的一款芯片，该芯片具有240个LE，提供8Kbit的非挥发性存储空间，最大用户I／O 管脚为80 个。EPM240支持2个Bank，每一个Bank也同样都支持所有的LVTTL和LVCMOS标准。

明显地，由于用户I／O 管脚的限制，一个EPM240显然不够驱动64个时序控制信号，因而时序驱动模块是由多个EPM240 芯片组成的。设计中，64通道发射电路模块中采用了4片EPM240芯片来构成时序驱动模块。

时序驱动功能在QUARTUSⅡ软件中设计完后，可生成如图7所示的符号表示。将设计结果下载到4片EPM240芯片中即可完成64个时序脉冲的驱动。

图7 发射时序驱动模块的符号表示

3.2.2 高压发射模块的设计

高压发射模块采用MAXIM 公司的MAX4940芯片，该芯片为4通道高压数字脉冲发生器，可从低压逻辑输入产生高压、高频脉冲输出。MAX4940具有4个逻辑输入通道，每个通道具有3个输入端，其中两个为一对相位互反的逻辑输入INP（正逻辑）、INN（负逻辑），决定了该通道的高压脉冲输出，如表1所示。其中，Vpp、Vnn为MAX4940的高压电源。MAX4940 支持下 列应用：［Vpp，Vnn］＝［＋100V，－100 V］双极性脉冲；［Vpp，Vnn］＝［0，－200V］单极性负脉冲；［Vpp，Vnn］＝［＋200V，0］单极性正脉冲。

表1 MAX4940真值表

由于一个芯片只支持4个通道，因而设计中采用了16片MAX4940芯片来实现64通道的高压激励脉冲。

3.2.3 64通道发射电路板

由以上表述可知，64通道发射电路板是由4片CPLD 芯片EPM240 和16 片MAX4940 芯片以 及它们的外围电路组成的。电路板设计中，16 片MAX4940芯片均匀分布在电路板顶层和底层，4片驱动CPLD 芯片EPM240布局在电路板的顶层，每两个EPM240芯片采用JTAG 菊花链的形式共享一个JTAG 下载接口。

至此，相控阵发射电路系统的具体实现工作完成。

4 试验结果

为了验证超声相控阵发射电路系统的设计正确与否，需要对其进行实际测试，以通过试验结果来证明其可行性。

图8为实际制作的64 通道发射电路板，产生128通道的发射脉冲需要两块这样的电路板。

图8 64通道发射电路板实物

对于时序控制模块，实际制作时将其放置在了接收电路板上，如图9所示，这样设计基于两方面的考虑：一是便于发射电路板的PCB 设计；二是时序控制模块所需的各种控制信号来源于接收板上的专用控制芯片，直接将时序控制模块放置于接收板上，有利于接收板的PCB设计。通过将接收电路板上的排母（如图9所示）与发射电路板上的排针（如图8所示）相连，时序控制模块产生的128个时序脉冲控制信号可传送到两块64通道发射电路板上，从而借助发射电路板可产生128通道的高压时序脉冲信号。

图9 时序控制模块在接收电路板上的位置实物

测试时，将发射电路与接收电路板通过排针、排母连接起来，并给发射电路板和接收电路板连接上电源。

在QuartusⅡ软件中完成编程并下载到时序CPLD芯片中，让发射时序控制模块EPM2210F256产生如图10所示的128通道时序控制信号。各控制信号的脉冲宽度为250ns（对应主频为2MHz的探头）。假定第一个时序脉冲out［0］的延时为0ns，那么第二、三、四个时序脉冲out［1］、out［2］、out［3］的延时分别为130，260，390ns，以使得各时序控制信号间的延时为130ns（用户可根据自己的需求设定延时值，此处以130ns延时值为例来说明问题）。该128通道时序控制信号经过时序驱动模块的驱动后，可产生128组正、负逻辑输出，将每组信号分别对应接入MAX4940芯片每个通道的负、正逻辑输入端，其目的是让高压发射模块产生负极性脉冲。MAX4940的高压电源为：Vpp＝0V、Vnn＝－80V。

图10 128通道的时序控制信号波形

用示波器（Tektronix，TDS2004）对32 片MAX4940的128个输出端一一进行测试，可观察到发射电路系统正确地产生了128 个脉宽为250ns的负高压（－80V）脉冲。由于实验室仪器设备的限制（示波器只有4个输入通道），所以每次测试时只能同时观察到4 个通道的负高压脉冲信号，图11是其中某4个相邻通道的高压脉冲信号。可以看出，各通道的高压脉冲电压均为－80V，脉宽均为250ns，相邻通道间延时为130ns。图12显示的是61、65、87以及90四个不相邻通道的高压脉冲信号，同样可看出各通道的高压脉冲电压均为－80V，脉宽均为250ns，65 与61 通道间延时为720ns、87与65通道间延时为2 860ns、90 与87通道间延时为390ns。这与预期的理论结果相吻合，表明了采用该方法设计实现的相控阵发射电路系统是正确的。

图11 实测的相控阵发射电路系统的相邻四通道输出

图12 实测的相控阵发射电路系统的不相邻四通道输出

测试中，电路板上提供的时钟晶振为200 MHz，因而输入到时序控制模块的时钟信号也为200 MHz，从而能达到的理论延时分辨率应为5ns。图13所示的试验结果证明了发射电路系统能达到的延时分辨率为5ns。示波器的1，2通道间延时为130ns，2，3通道间延时为135ns，3，4通道间延时为140ns，表明延时的分辨率可达到5ns。

图13 相控阵发射电路系统某四个通道的负高压输出

5 结语

设计了一种产生128通道高压激励脉冲的超声相控阵发射电路系统，该系统由发射时序控制模块、发射时序驱动模块及高压发射模块组成，具有构造方式简单、制作成本低、使用可靠、延时精度高等特点，并且激励脉冲的延时、脉宽及极性可方便调整。

为了验证相控阵发射电路系统设计的可行性，最后对设计结果进行了实测，结果表明该相控阵发射电路系统的设计是正确的。

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