128通道超聲相控陣發射電路系統的設計

祁小鳳，肖迎春，李閔行，陳以方，孫 霓

（1.中國飛機強度研究所，西安 710065；2.清華大學機械工程系，北京 100084）

作為五大常規無損檢測方法之一的超聲波無損檢測因具有靈敏度高、穿透性強、對人體無害等優點，在航空航天、石油化工等領域得到了廣泛的應用［1］。常規超聲波檢測技術一般采用單探頭來實現，在檢測應用中顯露出很多不足之處，如檢測次數多、檢測效率低及分辨率較低等缺點［2－3］。

超聲相控陣技術是近年來發展起來的一種新型超聲無損檢測技術，具有快速、可靠、便捷等優點［4－6］。在超聲相控陣檢測系統中，相控陣發射電路是至關重要的一個環節［7］。因為波束控制的各項關鍵技術都在其中實現，它可以產生具有各種頻率、幅度、相位延時的激勵信號，使各單元進行超聲相控陣發射，從而在一定的空間范圍內疊加形成各種相控效果［8］。

目前，相控陣發射電路的設計普遍采用如下方法［9］：可編程器件產生數字化波形數據，經過數模轉換器D／A 轉換成模擬波形，再采用模擬延遲線（諸如LC網絡）實現相位延遲，然后模擬波形經可變增益放大器進行放大，最后再經過功放模塊進行幅值、功率放大后產生超聲相控陣的激勵延時脈沖。此方法實現過程比較復雜、延時精度相對較低、電路比較龐大，而且很容易受噪聲干擾。

此外，目前超聲相控陣的通道一般為8通道、16通道、32通道或者64通道，而128通道的超聲相控陣檢測系統相對來講比較少。因此，有必要針對128通道相控陣系統研制出一種構造簡單、成本低、使用可靠、延時精度高、缺陷分辨率高的激勵延時脈沖的產生方法。

1 超聲相控陣發射的基本原理

在超聲相控陣檢測系統中，針對超聲相控陣探頭中的各壓電晶片陣元施加具有不同延時的激勵脈沖，可使各陣元發出的聲波在空間某處疊加合成，形成設計者所需的聲束聚焦，如圖1（a）所示，或者聲束偏轉，如圖1（b）所示，這種技術就是所謂的相控陣發射技術［10－11］。

圖1 超聲相控陣發射的動態光彈照片

如圖2（a）所示，當各陣元的激勵脈沖組成形如雙曲線的包絡（兩端陣元先激勵，逐漸向中間陣元加大延遲）時，各陣元發出的超聲波在傳播過程中合成的波陣面將會指向一個曲率中心，意味著各陣元發出的聲波將會同時到達此曲率中心，該現象即為聲束聚焦。

而對于聲束偏轉來講，各陣元的激勵脈沖會組成形如斜直線的包絡（即各相鄰陣元的激勵脈沖延時值相等），如圖2（b）所示，此時各陣元發出的超聲波在傳播過程中合成的波陣面將會是一個與晶片陣列面有一定夾角的平面。

圖2 相控陣發射技術的示意

2 相控陣發射電路系統的設計方案

如圖3虛線框內所示，128通道相控陣發射電路系統由發射時序控制模塊及2個64通道的發射電路模塊組成，而64通道發射電路模塊又包含發射時序驅動模塊和高壓脈沖發射模塊兩部分。

圖3 相控陣發射電路系統的整體框架結構

（1）發射時序控制模塊的作用是：通過對發射模塊進行編程，產生最大128個用于控制時序的邏輯信號，該邏輯信號包含了晶片陣元激勵脈沖的延時及頻率信息。時序控制信號為低壓數字信號，而陣元激勵脈沖為高壓模擬信號，但是相應通道的兩種信號具有相同的延時及頻率值。

（2）發射時序驅動模塊是對發射時序控制模塊輸出的128個邏輯信號進行驅動，具體指的是將一個邏輯信號變為兩個邏輯信號，其中一個與原邏輯信號相同（稱為正邏輯），另一個與其相位完全相反（稱為負邏輯）。這樣可以滿足高壓脈沖發射模塊的正負邏輯輸入要求。

（3）根據發射時序驅動模塊輸出的一對相位相反的邏輯信號，高壓發射模塊可產生具有某種幅值及極性的高壓激勵脈沖（具體幅值、極性由接入高壓模塊的正負邏輯信號及電源Vpp、Vnn決定），此高壓脈沖的相位信息及頻率信息與輸入的邏輯信號的相應特征參量相同。

以上介紹的相控陣發射電路系統的工作原理可采用如圖4（a）、（b）所示的時序圖來形象地表述。時序圖以單個發射通道為例。當時序驅動模塊輸出的正、負邏輯信號分別對應地輸入到高壓模塊的正負端時，會產生如圖4（a）所示的正極性激勵脈沖；當時序驅動模塊的正邏輯輸出接入高壓模塊的負邏輯端，而負邏輯輸出接入高壓模塊的正邏輯端時，高壓模塊便會產生如圖4（b）所示的負極性激勵脈沖。

圖4 相控陣發射電路系統的示意時序

3 相控發射電路系統的具體實現

3.1 時序控制模塊的設計

時序控制模塊既包含邏輯控制，也包含時序控制，一般選用FPGA（現場可編程邏輯門陣列）或者CPLD（復雜可編程邏輯器件）來實現。考慮到CPLD 內部采用連續式布線結構，相對于FPGA 來講，其延遲均勻且具有可測性，因而更容易實現較高的相位精度。此外，下載到CPLD 內部的程序具有非易失性，斷電之后重新上電無需再次進行配置，這樣使用比較方便，所以設計采用CPLD 來實現時序控制模塊的功能。

設計中，發射時序控制模塊采用Altera 公司MAXⅡ系列的CPLD 芯片EPM2210F256來實現。該芯片具有非揮發性的8kbit存儲器，2210個LE（邏輯單元）及256個引腳。其中，最大用戶I／O 管腳為204個，分布于4個BANK 中。每個Bank都可以有不同的接口電平標準，每個Bank都有其專用的VCCIO 管腳，它加載的電壓數值決定了該Bank所支持的電壓標準。單一器件上可以支持1.5，1.8，2.5，3.3V 這些接口電平標準。

EPM2210時序控制功能的設計是在Altera公司的可編程器件開發平臺QUARTUS Ⅱ軟件上完成的。在開發平臺上，采用硬件描述語言設計出如圖5 所示的時序控制功能模塊，然后下載到EPM2210中，可令其產生128個延時，脈寬可由用戶任意指定時序控制信號。

圖5 時序控制模塊的I／O 管腳

圖6為時序控制模塊在QUARTUS Ⅱ軟件中的仿真結果。可以看出，該模塊根據指定的延時、脈寬信息，在同步觸發信號有效后成功產生了一組所需的時序控制信號。系統設計中，時序控制模塊的最高工作頻率可達250 MHz，因而理論上能達到4ns的延時精度。

3.2 64通道發射電路模塊的設計

如圖3所示，64通道發射電路模塊包括時序驅動模塊和高壓發射模塊。

3.2.1 時序驅動模塊的設計

圖6 時序控制模塊的仿真結果

時序驅動模塊同樣選用Altera公司MAXⅡ系列的CPLD 芯片來實現。由于驅動模塊實現的僅僅是“一變二”的驅動功能，而不涉及到任何邏輯算法，因而在選擇芯片時應選LE 最少的，以避免資源浪費。EPM240是MAXⅡ系列邏輯單元數最小的一款芯片，該芯片具有240個LE，提供8Kbit的非揮發性存儲空間，最大用戶I／O 管腳為80 個。EPM240支持2個Bank，每一個Bank也同樣都支持所有的LVTTL和LVCMOS標準。

明顯地，由于用戶I／O 管腳的限制，一個EPM240顯然不夠驅動64個時序控制信號，因而時序驅動模塊是由多個EPM240 芯片組成的。設計中，64通道發射電路模塊中采用了4片EPM240芯片來構成時序驅動模塊。

時序驅動功能在QUARTUSⅡ軟件中設計完后，可生成如圖7所示的符號表示。將設計結果下載到4片EPM240芯片中即可完成64個時序脈沖的驅動。

圖7 發射時序驅動模塊的符號表示

3.2.2 高壓發射模塊的設計

高壓發射模塊采用MAXIM 公司的MAX4940芯片，該芯片為4通道高壓數字脈沖發生器，可從低壓邏輯輸入產生高壓、高頻脈沖輸出。MAX4940具有4個邏輯輸入通道，每個通道具有3個輸入端，其中兩個為一對相位互反的邏輯輸入INP（正邏輯）、INN（負邏輯），決定了該通道的高壓脈沖輸出，如表1所示。其中，Vpp、Vnn為MAX4940的高壓電源。MAX4940 支持下 列應用：［Vpp，Vnn］＝［＋100V，－100 V］雙極性脈沖；［Vpp，Vnn］＝［0，－200V］單極性負脈沖；［Vpp，Vnn］＝［＋200V，0］單極性正脈沖。

表1 MAX4940真值表

由于一個芯片只支持4個通道，因而設計中采用了16片MAX4940芯片來實現64通道的高壓激勵脈沖。

3.2.3 64通道發射電路板

由以上表述可知，64通道發射電路板是由4片CPLD 芯片EPM240 和16 片MAX4940 芯片以 及它們的外圍電路組成的。電路板設計中，16 片MAX4940芯片均勻分布在電路板頂層和底層，4片驅動CPLD 芯片EPM240布局在電路板的頂層，每兩個EPM240芯片采用JTAG 菊花鏈的形式共享一個JTAG 下載接口。

至此，相控陣發射電路系統的具體實現工作完成。

4 試驗結果

為了驗證超聲相控陣發射電路系統的設計正確與否，需要對其進行實際測試，以通過試驗結果來證明其可行性。

圖8為實際制作的64 通道發射電路板，產生128通道的發射脈沖需要兩塊這樣的電路板。

圖8 64通道發射電路板實物

對于時序控制模塊，實際制作時將其放置在了接收電路板上，如圖9所示，這樣設計基于兩方面的考慮：一是便于發射電路板的PCB 設計；二是時序控制模塊所需的各種控制信號來源于接收板上的專用控制芯片，直接將時序控制模塊放置于接收板上，有利于接收板的PCB設計。通過將接收電路板上的排母（如圖9所示）與發射電路板上的排針（如圖8所示）相連，時序控制模塊產生的128個時序脈沖控制信號可傳送到兩塊64通道發射電路板上，從而借助發射電路板可產生128通道的高壓時序脈沖信號。

圖9 時序控制模塊在接收電路板上的位置實物

測試時，將發射電路與接收電路板通過排針、排母連接起來，并給發射電路板和接收電路板連接上電源。

在QuartusⅡ軟件中完成編程并下載到時序CPLD芯片中，讓發射時序控制模塊EPM2210F256產生如圖10所示的128通道時序控制信號。各控制信號的脈沖寬度為250ns（對應主頻為2MHz的探頭）。假定第一個時序脈沖out［0］的延時為0ns，那么第二、三、四個時序脈沖out［1］、out［2］、out［3］的延時分別為130，260，390ns，以使得各時序控制信號間的延時為130ns（用戶可根據自己的需求設定延時值，此處以130ns延時值為例來說明問題）。該128通道時序控制信號經過時序驅動模塊的驅動后，可產生128組正、負邏輯輸出，將每組信號分別對應接入MAX4940芯片每個通道的負、正邏輯輸入端，其目的是讓高壓發射模塊產生負極性脈沖。MAX4940的高壓電源為：Vpp＝0V、Vnn＝－80V。

圖10 128通道的時序控制信號波形

用示波器（Tektronix，TDS2004）對32 片MAX4940的128個輸出端一一進行測試，可觀察到發射電路系統正確地產生了128 個脈寬為250ns的負高壓（－80V）脈沖。由于實驗室儀器設備的限制（示波器只有4個輸入通道），所以每次測試時只能同時觀察到4 個通道的負高壓脈沖信號，圖11是其中某4個相鄰通道的高壓脈沖信號。可以看出，各通道的高壓脈沖電壓均為－80V，脈寬均為250ns，相鄰通道間延時為130ns。圖12顯示的是61、65、87以及90四個不相鄰通道的高壓脈沖信號，同樣可看出各通道的高壓脈沖電壓均為－80V，脈寬均為250ns，65 與61 通道間延時為720ns、87與65通道間延時為2 860ns、90 與87通道間延時為390ns。這與預期的理論結果相吻合，表明了采用該方法設計實現的相控陣發射電路系統是正確的。

圖11 實測的相控陣發射電路系統的相鄰四通道輸出

圖12 實測的相控陣發射電路系統的不相鄰四通道輸出

測試中，電路板上提供的時鐘晶振為200 MHz，因而輸入到時序控制模塊的時鐘信號也為200 MHz，從而能達到的理論延時分辨率應為5ns。圖13所示的試驗結果證明了發射電路系統能達到的延時分辨率為5ns。示波器的1，2通道間延時為130ns，2，3通道間延時為135ns，3，4通道間延時為140ns，表明延時的分辨率可達到5ns。

圖13 相控陣發射電路系統某四個通道的負高壓輸出

5 結語

設計了一種產生128通道高壓激勵脈沖的超聲相控陣發射電路系統，該系統由發射時序控制模塊、發射時序驅動模塊及高壓發射模塊組成，具有構造方式簡單、制作成本低、使用可靠、延時精度高等特點，并且激勵脈沖的延時、脈寬及極性可方便調整。

為了驗證相控陣發射電路系統設計的可行性，最后對設計結果進行了實測，結果表明該相控陣發射電路系統的設計是正確的。

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