一种高频超声波发射接收电路的设计

一种高频超声波发射接收电路的设计 摘 要：本文在分析现有超声发射接收电路的基础上，设计了基于数字信号处理TMS320DM642的高频超声发射接收电路和回波信号转换电路，实现了较短的发射脉冲余波和高频窄脉冲超声波的发射与接收，所设计的超声发射接收电路具有较高的精度和实用性。 13085975关键词：超声检测；高频超声波；发射接收电路0 前言 目前在工业生产中，大量的金属构件的连接采用焊接工艺。其中汽车制造是焊接工艺应用比较集中的领域。汽车上的焊接件多为薄板焊件，厚度多为0.8mm1.2mm，对这类焊接件上的焊缝进行无损检测属于工程上的近表面无损检测技术，技术难度高1，从综合性能上说，目前没有一种检测方法比其他方法更优越，但从技术的发展趋势看，超声检测技术是技术发展趋势之一。 使用超声反射或衍射法进行材料近表面无损探伤需要向材料内部发射高频超声波并接收发射或衍射回波，这不仅需要有高频超声探头，同时需要能够发射和接收高频宽带电脉冲信号的硬件电路，以激励超声探头或接收回波信号。 本文在分析现有超声发射接收电路的基础上，设计了基于数字信号处理TMS320DM642的高频超声发射接收电路和回波信号转换电路，包括超声波发射接收电路、回波放大与滤波电路、A/D转换电路等，解决了高频超声检测中出现的发射超声脉冲余波过长从而干扰到脉冲回波接收质量的问题，所设计的超声发射接收电路具有较高的精度和实用性。1 系统组成 点焊缺陷超声检测系统组成框图如图1所示，该系统由超声波换能器、超声波发射接受电路、回波放大电路、带通滤波电路、模/数转换电路、数字信号处理器TMS320DM642和显示电路等组成。 数字信号处理器TMS320DM642为整个测量系统的核心部件，控制各部分电路协调工作。TMS320DM642发出20MHz的宽带窄脉冲，送给超声波发射电路，经功率放大后产生高电压脉冲加到超声换能器上，从而驱动超声换能器发出超声波；超声波由换能器进入被测工件，经多次反射和投射，产生随时间呈衰减变化的多次超声回波被换能器接收；超声回波信号很微弱，通常只有几十毫伏，且回波信号中伴有噪声干扰，所以回波信号需要经过放大和滤波处理后方可送至A/D转换电路，转换为数字信号；数字信号处理器实时采集和存储A/D转换电路输出的信号，信号采集完成后，TMS320DM642调用点焊缺陷检测算法程序，对回波信号进行处理后得出被测工件缺陷特性；最后将重要的处理结果进行存储或送至显示电路。2 硬件设计2.1 超声波发射与接收电路 为了获得良好的激发超声波，设计了一种新型发射电路，利用储能电感在瞬时放电过程中产生脉冲高电流的原理对超声波换能器进行激励（见图2）。可通过调整电感参数以及控制信号的频率，以达到换能器的共振频率。该电路无需高压供电，既减小电路体积，降低电路成本，也消除安全隐患2。 在电感式超声波发射电路中，场效应管Q为开关元件，电感L储能形成触发脉冲，不需要提供直流高压。当输入到Q的脉冲为正时，Q导通，Q相当于一个小电阻，与电阻R1、电感L串联，和低压电源一起构成回路，L中的电流快速上升进行储能。当输入到Q的脉冲为负时，Q的栅极置低，Q迅速关断，L、C1、R2组成谐振电路快速放电，在电阻R2上形成高压触发脉冲，可达到数百伏。D1和D2起单向开关作用。D3为稳流二极管，恢复速度快，防止电压电流突变。 接收电路由R3、C2、D3和D4组成，反向并联的两只二极管D3和D4起钳位作用，防止高压发射脉冲进入接收电路。超声波回波在换能器上产生的信号为几十毫伏级电压，因二极管的导通压降为几百毫伏，因此，对回波信号不起作用。2.2 转换电路 在超声波检测系统中，高频超声波在材料内部传播，经多次反射，声能衰减很大，多次回波信号强度微弱。此外，回波信号通常会受到大量信号的干扰，包括外界固有目标的干扰、移动目标的周期和随机干扰、模拟电路本身引入的干扰等。因此，转换电路必须有较强的功放能力和对干扰信号的抑制能力。转换电路主要包括信号放大、滤波、模/式转换电路等部分。 信号放大电路如图3（a）所示。集成运算放大器选为AD8065：输入阻抗1000G，转换速率180V/s，增益带宽为145MHz，噪声系数7.0nV/共模抑制比达-100dB，温度范围宽3，满足设计要求。整个信号放大电路增益要求在100dB以上，起到阻抗匹配、回波信号放大等作用。在超声波接收电路接收的信号中，除了超声回波外，还伴有杂波和干扰脉冲等环境噪声，而前端放大电路放大有用信号的同时，也将一部分的噪声信号放大了，这就需要带通滤波电路，如图3（b）所示。 根据设计要求，需要在滤波电路与微处理器之间设计模/数转换电路，将滤波电路输出的模拟信号无失真地转换成可为微处理器接收的数字信号，模/数转换电路如图4所示。其中，A/D转换器选为AD9050-60：可选5V供电，采样速率60MSPS，输入带宽100MHz，分辨率10位4。微处理器选为高速数字信号处理器TMS320DM642-720：主频720MHz，32位内部定时器时钟频率90MHz，通用数据通道16位5，以满足设计要求。3 结束语 一般超声发射电路发出的脉冲都不是理想的，都有脉冲余波。本文所设计的超声发射接收电路为收发一体式电路，对被检测焊点进行近表面检测时，接收电路接收的脉冲回波与发射脉冲之间的时间间隔很短。一方面，要求电路能够发射高频窄脉冲，否则较宽的发射脉冲会干扰到回波脉冲，产生混叠，使检测无法实现；另外，即使发射电路能够产生高频窄脉冲，但发射电路产生的脉冲余波较长，即拖尾现象，将难以避免回波脉冲受发射波的干扰或实现较高精度的测量。 本文设计了低压电源驱动的超声发射电路，实现发射脉冲有较短的余波；基于高速数字信号处理TMS320DM642，选用了集成运算放大器AD8065、A/D转换器AD9050-60等功能匹配的高速器件，设计出集超声波发射、接收、信号放大、信号滤波、模/数转换和信号处理等功能的高频窄脉冲超声波发射接收电路，实现了高频超声波的发射与接收。所设计的超声发射接收电路具有较高的精度和实用性。参考文献：1 赵欣，钱昌明，陈关龙等.车身点焊接头虚焊缺陷的超声快速识别J.焊接学报，2006，27（11）：17-20.2 孙凌逸，高钦和，蔡伟等.低压电源驱动的超声波发射接收电路设计J.仪表技术与传感器，2010（10）：77-78.3 AD8065 Data SheetDB/OL.http:/www.analog/static/imported-files/data_sheets/AD8065_8066.pdf.2010-08.4 AD9050 Data SheetDB/OL.1120131一种高频超声波发射接收电路的设计_/datasheets_pdf/A/D/9/0/AD9050.shtml.2010-02-18.5 TMS320DM642 Video/Imaging Fixed-Point Digital Signal Processor DB/OL.http:/www.ti.cn/cn/lit/ds/symlink/tms320dm642.pdf.2010-10-12.基金项目：安徽省2010年度高等学校省级优秀青年人才基金项目（2010SQRL198）