用于超聲導(dǎo)波檢測的波形發(fā)生器設(shè)計

諸娟娟，陳大躍

（上海交通大學(xué) 儀器科學(xué)與工程系，上海 200240）

相比于傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)具有傳播距離遠、速度快等特點，應(yīng)用前景非常廣闊[1]。

脈沖回波法在超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)中，特別是管道的檢測中廣泛采用。脈沖回波法基于時間差定位，并通過信號的變化判斷裂縫的大小、類型[1]。因此，激勵信號是影響導(dǎo)波檢測效果的關(guān)鍵。頻散特性是導(dǎo)波的主要特性之一，由于介質(zhì)的材料、結(jié)構(gòu)的特性影響，不同頻率的導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)中的相速度不同[2-3]。

一般意義上的脈沖信號具有很寬的頻帶，傳播過程中脈沖信號隨著傳播距離增大而發(fā)生波形的變化，反射信號復(fù)雜，接受、分析信號的難度大大增加[4]。因此，激勵信號往往選擇窄帶脈沖信號。由于漢寧窗具有旁瓣小、能量泄露少的特點，窄帶脈沖可以采用漢寧窗（調(diào)制信號）調(diào)制單一頻率信號（載波信號）的方式實現(xiàn)。波形發(fā)生器用純硬件的方式實現(xiàn)，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生兩個單一頻率信號，一路作為載波信號，另一路上移至正半軸后作為調(diào)制信號，幅度調(diào)制后形成連續(xù)的脈沖波形。

控制電路控制模擬開關(guān)的通斷，從連續(xù)信號截取一個脈沖波形，作為波形發(fā)生器的輸出波形[5-6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

整體設(shè)計由4個模塊組成：載波信號發(fā)生部分、調(diào)制信號部分、控制電路部分、幅度調(diào)制以及信號截取部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

載波信號發(fā)生部分主要由一個集成函數(shù)發(fā)生器構(gòu)成，用來產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波信號（即單音頻信號）；由于漢寧窗是由一個周期的余弦信號上移到正半軸后形成的波形，因此漢寧窗波形（調(diào)制信號）的發(fā)生電路可以由函數(shù)發(fā)生器以及加法電路組成；控制電路的設(shè)計是為了實現(xiàn)系統(tǒng)輸出一個脈沖波形以及輸出時間的控制，控制電路里的開關(guān)處于有效狀態(tài)（本次設(shè)計中有效狀態(tài)為打開狀態(tài)）時，控制電路產(chǎn)生一個控制信號控制模擬開關(guān)的通斷。最后，幅度調(diào)制以及信號截取部分由乘法器和模擬開關(guān)構(gòu)成，乘法器用做幅度調(diào)制，而模擬開關(guān)則接收控制電路的控制信號，從連續(xù)的已調(diào)制信號中截取一個波形，實現(xiàn)窄帶脈沖波形的輸出[6]。

1.1 載波信號發(fā)生部分

正弦信號的產(chǎn)生有很多種方法可以實現(xiàn)，直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）通過將波形數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，并通過波形數(shù)據(jù)查找表，將數(shù)據(jù)輸入D/A轉(zhuǎn)化器和濾波器，從而實現(xiàn)波形輸出。DDS技術(shù)具有很多優(yōu)點，比如可以輸出任意復(fù)雜波形，輸出頻率分辨率高，頻率改變相位連續(xù)等優(yōu)點。但是DDS技術(shù)中使用的相位累加器的相位增量步長較大時，輸出波形將產(chǎn)生抖動，同時DDS技術(shù)不是逐點讀取波形存儲器中的數(shù)據(jù)，因此輸出波形會丟失許多有用的信息。同時對DDS芯片的控制信息的輸入需要上位機（PC機或單片機）進行編程控制，增加了信號發(fā)生器操作的復(fù)雜型[6]。

設(shè)計中選擇用集成函數(shù)發(fā)生器芯片作為正弦波發(fā)生器，比如ICL8038、MAX038。集成函數(shù)發(fā)生器輸出正弦波信號，實現(xiàn)方法簡單，只需要改變外接的電阻、電容值就可以實現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)。雖然調(diào)節(jié)的精度沒有DDS技術(shù)高，但是這種誤差在超聲導(dǎo)波的檢測效果上看是沒有影響的。因此，綜合考慮到簡單性、易操作性，選擇集成函數(shù)發(fā)生器芯片，如ICL8038、MAX038等。

1.2 調(diào)制信號部分

漢寧窗的數(shù)學(xué)表達式可以寫成

如圖2所示，集成函數(shù)發(fā)生器輸出頻率可調(diào)的正弦信號，正弦信號輸入由運算放大器AD826構(gòu)成的加法運算電路，正弦波信號加上等于正弦波的幅值的直流信號，輸出信號可以看作正弦波上移到正半軸的結(jié)果。

圖2 調(diào)制信號發(fā)生電路Fig.2 Circuit of the modulation signal generation

1.3 控制電路部分

控制電路的作用在于當開關(guān)處于有效狀態(tài)時，控制電路輸出一個脈沖，控制模擬開關(guān)的通斷，截取一個波形。最重要的是，控制電路可以捕捉到調(diào)制信號的最低點位置 （由AD826加法電路和施密特觸發(fā)器74132實現(xiàn)），在調(diào)制信號的一個最低點處打開模擬開關(guān)，下一個最低點關(guān)閉模擬開關(guān)。控制電路的輸入信號有兩路，一路是開關(guān)，另一路是調(diào)制信號部分函數(shù)發(fā)生器輸出的正弦信號，輸出為一個脈沖波形。

如圖3所示，輸入正弦信號通過運算放大器AD826構(gòu)成的加法電路上移至正半軸，并放大為0～5 V的范圍內(nèi)，同時最小值小于施密特觸發(fā)器的上升沿觸發(fā)電壓值，最小值越接近觸發(fā)電壓值，對調(diào)制信號最低點的捕捉越精確。施密特觸發(fā)器74132對加法電路的輸出進行波形變，換得到的連續(xù)脈沖波形上升沿對應(yīng)加法電路輸出波形接近最小值點的位置。計數(shù)器74161的進位端15腳作為輸出端，輸出波形為連續(xù)的方波，同時方波的高電平的時間寬度對應(yīng)了輸入正弦信號的周期。當開關(guān)由閉合狀態(tài)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)時，方波信號分為兩路，一路為原始的方波信號，輸入D觸發(fā)器7474，上升沿使得7474的輸出由初始的低電平變?yōu)楦唠娖剑硪宦贩讲ń?jīng)過與非門變成反相信號輸入7474，上升沿對應(yīng)原來信號的下降沿，使得7474初始的高電平相與（與門7408）后輸出高電平，兩路7474輸出信號相與，輸出一個脈沖波形用于控制模擬開關(guān)。

同時輸出信號經(jīng)過非門后輸入給第3個7474，上升沿對應(yīng)于輸出脈沖的下降沿，7474的輸出在CLK腳檢測到上升沿時Q腳輸出由高電平變成低電平，與74161的RCO輸出端相與鎖住整個控制電路，輸出保持低電平狀態(tài)。而手動的開關(guān)重新閉合后使得控制電路進行初始化。控制電路輸入波形，施密特觸發(fā)器的輸出波形，計數(shù)器74161的RCO端波形以及控制電路的輸出狀態(tài)如圖4所示。

圖3 控制電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of the control circuit

圖4 控制電路波形圖Fig.4 Waveform diagram of the control circuit

1.4 幅度調(diào)制以及信號截取部分

對載波信號進行幅值調(diào)制，使得調(diào)制后的信號包絡(luò)線為調(diào)制信號，如圖5所示。

幅度調(diào)制可以用一個模擬乘法器實現(xiàn)，常用的乘法器芯片型號有MC1495、LM1596、AD834，這里選擇高速模擬乘法器AD834。

AD834的輸出為相位相差180°的電流信號，通過電阻連接到正電源，此時的兩個輸出端電壓為5 V直流電壓上疊加相位相差180°的交流電壓信號。此因在輸出端節(jié)一個差分放大器AD620，抑制共模信號，放大的差模信號即為調(diào)制后的信號。

采 用 模 擬 開 關(guān) 如 MAX4664，MAX4665，DG201，DG411，ADG508，在控制電路的控制下輸出端改變通斷狀態(tài)，實現(xiàn)截取一個脈沖波形。

2 設(shè)計方案仿真

MULTISIM是NI的一款用于電路仿真的軟件。圖6所示為系統(tǒng)整體仿真結(jié)構(gòu)圖，驗證設(shè)計的可行性。

用4通道的示波器同時觀測調(diào)制信號、調(diào)幅信號、控制電路輸出以及系統(tǒng)的最終輸出的波形，如圖7所示。

3 結(jié) 論

利用集成函數(shù)發(fā)生器MAX038，運算放大器AD826、乘法器 AD834、模擬開關(guān) DG401，以及 74161、7474、7408 等器件，提出了一種用于超聲導(dǎo)波檢測的窄帶脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計方法。窄帶脈沖信號是由漢寧窗調(diào)制單頻信號的方式實現(xiàn)，電路具有單頻信號以及漢寧窗的寬度都可調(diào)的功能。MULTISIM仿真結(jié)果也證明了設(shè)計方案的可行性。發(fā)生器產(chǎn)生的信號具有較窄的帶寬，在進行超聲導(dǎo)波檢測時能夠在一定程度上減小頻散帶來的影響，提高檢測效率。與通常使用的DDS技術(shù)制作的信號發(fā)生器相比，本文的設(shè)計采用硬件方式實現(xiàn)，操作更加方便。雖然達不到DDS技術(shù)的精度，但是從超聲導(dǎo)波檢測的研究上看是可以忽略的。因此，對于超聲導(dǎo)波檢測信號源的研制有一定的參考價值。

圖5 幅度調(diào)制與模擬開關(guān)電路Fig.5 Circuit of the amplitude modulation and analog switch

圖6 系統(tǒng)仿真圖Fig.6 System simulation diagram

圖7 仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results

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