CN103368529B - 一种多通道声波相控任意波形信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多通道任意波形的声波相控信号发生器。发生器包括主控单元和多组高压信号发生单元；主控单元接收计算机通过串口送来的控制命令、波形和增益数据，根据控制命令设置各个通道的延时模块、分频模块和波形重复计数器的参数，选择外触发或定时工作模式，把波形数据写入各个通道的双端口存储器，把增益数据写入高压信号发生单元的增益控制模块；各个通道的波形数据经高压信号发生单元内部的数模转换模块、增益控制模块、低通滤波模块和高压放大模块以后，输出高压波形；各通道输出的高压波形被加到相控换能器阵上，来实现换能器阵的相控激励。本发明可以产生八个以上通道的幅度最高250V的声波激励信号，各个通道可独立精确可调。

Description

一种多通道声波相控任意波形信号发生器

技术领域

本发明属于作业、运输分类中的一般机械振动的发生或传递领域，具体地，涉及一种声波信号发生器，尤其是一种输出幅度达到250V的多通道任意波形的声波相控信号发生器。

背景技术

在相控声波技术中，通过选择相控线阵换能器阵元个数、激励顺序、激励间隔、激励强度和声源频率等参数，可以实现辐射声束偏转和声束主瓣角宽的控制，使辐射的声波具有指向性和更强的能量，有助于增大探测深度、提高测量信号的信噪比，提高测量分辨率。

相控阵声波换能器通常由十几片或上百片，尽管一次只需要激励换能器阵中的一部分单元，但最少的情况下也需要四个以上的通道同时激励。不同形态、不同幅度和频率的波形对换能器的激励有不同的影响。目前，市场上普通任意波形信号发生器通道比较少，输出电压幅度一般只有20V，文献上没有四通道以上的输出幅度达到250V的任意波形信号发生器。

发明内容

为了克服现有技术中普通任意波形信号发生器通道少和输出电压低的不足, 本发明提供一种多通道声波相控任意波形发生器，不仅能输出任意波形，而且延时和幅度都可以精确调节。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

多通道声波相控任意波形信号发生器，包括主控单元和多组高压信号发生单元；其特征在于：主控单元接收计算机通过串口送来的控制命令、波形和增益数据，根据控制命令设置各个通道的延时模块、分频模块和波形重复计数器的参数，选择外触发或定时工作模式，把波形数据写入各个通道的双端口存储器，把增益数据写入高压信号发生单元的增益控制模块；当主控单元检测到外触发或内部定时信号时，启动各个通道的延时模块，各个通道经过设定的延时以后，把波形数据写入对应通道的高压信号发生单元；各个通道的波形数据经高压信号发生单元内部的数模转换模块、增益控制模块、低通滤波模块和高压放大模块以后，输出高压波形；各通道输出的延时、幅度、频率和形态不同的高压波形被加到相控换能器阵上，来实现换能器阵的相控激励。

优选地，高压信号发生单元设有八组。

优选地，主控单元采用现场可编程门阵列编程实现，主控单元包括软核处理器、时钟模块、8组通道控制器；每个通道控制器包括延时模块、分频模块、读地址发生器、波形重复计数器、写地址发生器、双端口存储器和增益控制器；各个通道控制器结构完全相同，独立实现。通道控制器的波形数据源独立，各个通道的数据采样间隔、延时、增益独立控制，各个通道可以输出不同的形态、延时、频率和幅度的波形；软核处理器把任意波形数据写入双端口存储器，根据串口命令设置各个通道控制器的延时模块、分频模块、读地址发生器、波形重复计数器和增益控制器的参数，选择内外触发模式。软核处理器启动各通道延时模块工作时，输出同步信号。

优选地，软核处理器根据串口控制命令复位写地址发生器，把任意波形数据写入双端口存储器，把增益控制值通过增益控制器写入高压信号发生单元对应通道的增益控制模块；软核处理器根据控制命令设置各个通道的延时模块的延时时间、分频模块的分频参数、读地址发生器的最大计数值、波形重复计数器的最大计数值和增益控制器的增益数据，设置内外触发模式；内触发模式，利用定时器启动各通道的工作，外触发模式，利用外触发信号启动各通道的工作时间；软核处理器启动各通道控制器输出波形时，先复位延时模块、分频模块、读地址发生器和波形重复计数模块，再输出同步信号，启动各通道延时模块工作。

优选地，时钟模块是利用锁相环资源产生，时钟有300MHz、270MHz、200MHz和180MHz；供主控单元的通道延时和通道分频模块选择使用，确保延时和模数转换器采样间隔的计时精确。

优选地，延时模块由多路选择器和计数器构成，用来设置各个通道相对于同步启动信号的延时，该功能用来实现多换能器的不同延时激励；根据软核处理器的设置，选择输入时钟频率；软核处理器输出同步信号时，所有通道的延时模块同时开始计数，当计数到设定值时，输出启动信号，启动对应通道的分频模块、读地址发生器模块和通道波形重复计数器工作，开始输出波形数据。

优选地，分频模块由多路选择器和计数器构成，具有复位、启动和停止控制；根据软核处理器的设置，选择输入时钟频率和分频系数，为读地址发生器提供计数时钟；分频模块输出的计数时钟就是对应通道的高压信号发生单元的数模转换模块的时间采样间隔；当检测到波形重复计数器输出的禁止分频计数控制信号时，停止输出计数时钟信号。

优选地，写地址发生器由计数器构成，具有复位和启动控制；读地址发生器由计数器构成，具有复位控制和最大计数值设置，对应单个通道输出波形的点数；波形重复计数器由计数器构成，具有复位控制。

优选地，各通道的高压信号发生单元的结构完全相同，包括数模转换模块、增益控制模块、低通滤波模块和高压放大模块。

优选地，数模转换模块由12位40MHz采样率的单通道数模转换器和高速运放构成，在主控单元通道控制器的读地址发生器控制下，把双端口存储器输出的波形数据按指定的时间采样间隔转换为模拟波形；

增益控制模块主要由SPI接口的数字电位器和高速运放组成，主控单元通道控制器的增益控制模块通过SPI接口调节数据电位器的抽头位置，实现数模转换模块输出的模拟波形的幅度调节；

低通滤波模块是由电容和电感构成的7阶高阶椭圆型滤波器，滤除数模转换时产生的高频谐波；

高压放大模块，包括一个低压高速运放、一个300V高压宽频运放、一个NPN型高压高频大功率三极管和一个PNP型高压高频大功率三极管；高压放大模块把输入信号放大12.5倍，最大输出幅度250V。

相对于现有技术，本发明的有益效果是可以产生八个以上通道的幅度最高250V的声波激励信号，各个通道的延时、频率、相位、形态和幅度都可独立精确可调。

附图说明

图1是本发明的多通道声波相控任意波形发生器示意图；

图2是主控单元示意图；

图3是高压信号发生单元的原理框图。

图中1.主控单元 ，2. 高压信号发生单元，201. 数模转换模块，202. 增益控制模块，203. 低通滤波模块，204.高压放大模块。

具体实施方式

如图1所示，多通道声波相控任意波形信号发生器，包括主控单元1和八组高压信号发生单元2；主控单元1接收计算机通过串口送来的控制命令、波形和增益数据，根据控制命令设置各个通道的延时模块、分频模块和波形重复计数器的参数，选择外触发或定时工作模式，把波形数据写入各个通道的双端口存储器，把增益数据写入高压信号发生单元2的增益控制模块。当主控单元1检测到外触发或内部定时信号时，启动各个通道的延时模块，各个通道经过设定的延时以后，把波形数据写入对应通道的高压信号发生单元2。各个通道的波形数据经高压信号发生单元2内部的数模转换模块201、增益控制模块202、低通滤波模块203和高压放大模块204以后，输出高压波形。

各通道输出的延时、幅度、频率和形态不同的高压波形被加到相控换能器阵上，来实现换能器阵的相控激励。

如图2所示，主控单元1采用现场可编程门阵列(FPGA)编程实现，单片FPGA完成全部逻辑控制；主控单元1包括软核处理器、时钟模块、8组通道控制器。每个通道控制器包括延时模块、分频模块、读地址发生器、波形重复计数器、写地址发生器、双端口存储器和增益控制器。各个通道控制器结构完全相同，独立实现。通道控制器的波形数据源独立，各个通道的数据采样间隔、延时、增益独立控制，各个通道可以输出不同的形态、延时、频率和幅度的波形。软核处理器把任意波形数据写入双端口存储器，根据串口命令设置各个通道控制器的延时模块、分频模块、读地址发生器、波形重复计数器和增益控制器的参数，选择内外触发模式。软核处理器启动各通道延时模块工作时，输出同步信号。

软核处理器是FPGA内部资源编程实现。根据串口控制命令复位写地址发生器，把任意波形数据写入双端口存储器，把增益控制值通过增益控制器写入高压信号发生单元1对应通道的增益控制模块202；软核处理器根据控制命令设置各个通道的延时模块的延时时间、分频模块的分频参数、读地址发生器的最大计数值、波形重复计数器的最大计数值和增益控制器的增益数据，设置内外触发模式。内触发模式，利用定时器启动各通道的工作，外触发模式，利用外触发信号启动各通道的工作时间。软核处理器启动各通道控制器输出波形时，先复位延时模块、分频模块、读地址发生器和波形重复计数模块，再输出同步信号，启动各通道延时模块工作。

时钟模块是利用锁相环资源产生，时钟有300MHz、270MHz、200MHz和180MHz；供主控单元的通道延时和通道分频模块选择使用，确保延时和模数转换器采样间隔的计时精确。

延时模块由多路选择器和计数器构成，用来设置各个通道相对于同步启动信号的延时，该功能用来实现多换能器的不同延时激励。根据软核处理器的设置，选择输入时钟频率。软核处理器输出同步信号时，所有通道的延时模块同时开始计数，当计数到设定值时，输出启动信号，启动对应通道的分频模块、读地址发生器模块和通道波形重复计数器工作，开始输出波形数据。

分频模块由多路选择器和计数器构成，具有复位、启动和停止控制。根据软核处理器的设置，选择输入时钟频率和分频系数，为读地址发生器提供计数时钟；分频模块输出的计数时钟就是对应通道的高压信号发生单元2的数模转换模块201的时间采样间隔。当检测到波形重复计数器输出的禁止分频计数控制信号时，停止输出计数时钟信号。

写地址发生器由计数器构成，具有复位和启动控制。它利用软核处理器的写双端口存储器指令，产生双端口存储器写地址和写信号，把该通道的波形数据写入双端口存储器。复位以后，写地址发生器从零地址开始计数。

读地址发生器由计数器构成，具有复位控制和最大计数值设置，对应单个通道输出波形的点数。利用分频模块提供的时钟进行计数，输出双端口存储器的读地址和读控制信号，同时输出高压信号发生单元2的数模转换模块201的转换控制信号，控制数模转换模块201把数据转换成波形。地址发生器读地址计数到当前设定的输出波形的点数时，输出波形计数脉冲，并且从零开始重新计数，直到检测到波形重复计数器输出的禁止分频计数控制信号停止工作。

波形重复计数器由计数器构成，具有复位控制。它利用读地址发生器的波形计数脉冲，进行计数，当计数到指定波形数以后，输出禁止分频计数控制信号，禁止分频模块和读地址发生器工作，高压信号发生单元2的数模转换模块201停止输出波形。被软核控制器复位以后，重新允许分频模块和读地址发生器工作。

双端口存储器利用FPGA内部存储器资源生成，用来存储该通道输出波形的数据，为高压信号发生单元2的数模转换模块201提供波形数据。

增益控制模块由串行外设接口SPI (Serial Peripheral Interface)读写模块构成，通过SPI总线设置高压信号发生单元2的增益控制模块202，从而调节输出高压波形的幅度。

如图3所示，每个通道的高压信号发生单元2的结构完全相同，包括数模转换模块201、增益控制模块202、低通滤波模块203和高压放大模块204。高压信号发生单元把波形数据合成模拟波形，并根据增益值调节波形的幅度，然后对波形进行低通滤波，最后把高压放大后的波形信号进行输出。

数模转换模块201由12位40MHz采样率的单通道数模转换器和高速运放构成，在主控单元1通道控制器的读地址发生器控制下，把双端口存储器输出的波形数据按指定的时间采样间隔转换为模拟波形，考虑电路噪声的影响，只使用模数转换器的高10位。

增益控制模块202主要由SPI接口的数字电位器和高速运放组成，主控单元1通道控制器的增益控制模块通过SPI接口调节数据电位器的抽头位置，实现数模转换模块输出的模拟波形的幅度调节。

低通滤波模块203是由电容和电感构成的7阶高阶椭圆型滤波器，滤除数模转换时产生的高频谐波。

高压放大模块204，包括一个低压高速运放、一个300V高压宽频运放、一个NPN型高压高频大功率三极管和一个PNP型高压高频大功率三极管。高压放大模块204把输入信号放大12.5倍，最大输出幅度250V。

下面根据图1、图2和图3详细说明通道1的波形发生的控制原理： 

1）波形数据写入：主控单元1的软核处理器根据计算机串口输出的命令，复位通道控制器1的写地址发生器，然后把从计算机串口得到的通道控制器1的波形数据逐个写入双端口存储器，每写一个数据，写地址发生器输出的地址加一。

2）时钟选择：软核处理器根据计算机串口输出的命令，选择通道控制器1延时模块和分频模块的时钟，使得延时和分频最精确。

3）计数参数设置：软核处理器根据计算机串口输出的命令，设置通道控制器1的延时、分频、读地址发生器和波形计数模块的计数值。

4）增益控制：软核处理器把增益控制码写入通道控制器1的增益控制模块，由其内部的SPI写模块，把数据写入通道1对应的数字电位器，设定抽头位置，实现增益控制。

5）波形发生：软核处理器根据内外触发模式，利用内部定时器或外触发信号，输出通道控制器启动信号，复位各个通道的分频模块、读地址发生器和波形重复计数器。通道控制器1的延时模块按选定的时钟开始计数，当计数到指定值时，延时模块输出分频启动脉冲。分频模块启动以后，利用选定的时钟和分频值开始工作，输出读地址计数脉冲送给读地址发生器。读地址发生器利用计数脉冲产生双端口存储器读信号和数模转换模块201的写控制信号，数据读取以后，双端口存储器的读地址加1。当读地址发生器的读地址计数到设定的最大计数值时，输出波形计数脉冲，并且读地址从零开始重新计数。高压信号发生单元2通道1的数模转换模块201把双端口存储器的输出数据转换为模拟信号，经增益控制模块202调节放大倍数以后，送到通道1的低通滤波模块203。低通滤波模块203把数模转换时产生的高频谐波滤除，送给通道1的高压放大模块204。高压放大模块204把小信号放大为高压大电流信号以后，驱动声波换能器。通道控制器1的波形重复计数器利用读地址发生器的波形计数脉冲，进行计数，当计数到指定波形数以后，输出禁止分频计数控制脉冲信号，禁止分频模块和读地址发生器工作，通道控制器1停止输出波形。

本发明的工作流程是：多通道声波相控任意波形信号发生器在计算机控制下完成各个通道信号发生工作。首先是波形数据输入，计算机把各个通道的波形数据依次写入对应通道的双端口存储器内。然后，计算机设置触发模式、各个通道的延时模块、分频模块、读地址发生器、波形重复计数器的工作参数，设置波形增益，内触发时还要设置定时器参数。随后，主控单元1利用定时信号或外触发信号，同时启动主控单元的各个通道控制器的延时模块，当每个通道控制器的延时完成后，触发各自通道控制器分频模块，使其输出读地址计数时钟，各个通道的读地址发生器、波形重复计数器和双端口存储器开始工作，把波形数据写入对应通道的模数转换模块201。模数转换模块201把数据转换为模拟波形，经增益调节、滤波和放大后，变成高压大电流信号，加载到声波换能器上，当各个通道输出了指定个数的波形后，停止输出。周而复始，各个通道设定不同的延时和幅度，即可形成不同时间和幅度的相控信号。

Claims (7)

1.一种多通道声波相控任意波形信号发生器，包括主控单元和多组高压信号发生单元；其特征在于：主控单元接收计算机通过串口送来的控制命令、波形和增益数据，根据控制命令设置各个通道的延时模块、分频模块和波形重复计数器的参数，选择外触发或定时工作模式，把波形数据写入各个通道的双端口存储器，把增益数据写入高压信号发生单元的增益控制模块；当主控单元检测到外触发或内部定时信号时，启动各个通道的延时模块，各个通道经过设定的延时以后，把波形数据写入对应通道的高压信号发生单元；各个通道的波形数据经高压信号发生单元内部的数模转换模块、增益控制模块、低通滤波模块和高压放大模块以后，输出高压波形；各通道输出的延时、幅度、频率和形态不同的高压波形被加到相控换能器阵上，来实现换能器阵的相控激励；

高压信号发生单元设有八组；

主控单元采用现场可编程门阵列编程实现，主控单元包括软核处理器、时钟模块、8组通道控制器；每组通道控制器包括延时模块、分频模块、读地址发生器、波形重复计数器、写地址发生器、双端口存储器和增益控制器；各个通道控制器结构完全相同，独立实现；通道控制器的波形数据源独立，各个通道的数据采样间隔、延时、增益独立控制，各个通道可以输出不同的形态、延时、频率和幅度的波形；软核处理器把任意波形数据写入双端口存储器，根据串口命令设置各个通道控制器的延时模块、分频模块、读地址发生器、波形重复计数器和增益控制器的参数，选择内外触发模式；软核处理器启动各通道延时模块工作时，输出同步信号；

软核处理器根据串口控制命令复位写地址发生器，把任意波形数据写入双端口存储器，把增益控制值通过增益控制器写入高压信号发生单元对应通道的增益控制模块；软核处理器根据控制命令设置各个通道的延时模块的延时时间、分频模块的分频参数、读地址发生器的最大计数值、波形重复计数器的最大计数值和增益控制器的增益数据，设置内外触发模式；内触发模式，利用定时器启动各通道的工作，外触发模式，利用外触发信号启动各通道的工作时间；软核处理器启动各通道控制器输出波形时，先复位延时模块、分频模块、读地址发生器和波形重复计数模块，再输出同步信号，启动各通道延时模块工作。

2.根据权利要求1所述的多通道声波相控任意波形信号发生器，其特征在于：时钟模块是利用锁相环资源产生，时钟有300MHz、270MHz、200MHz和180MHz；供主控单元的通道延时和通道分频模块选择使用，确保延时和模数转换器采样间隔的计时精确。

3.根据权利要求2所述的多通道声波相控任意波形信号发生器，其特征在于：延时模块由多路选择器和计数器构成，用来设置各个通道相对于同步启动信号的延时，该功能用来实现多换能器的不同延时激励；根据软核处理器的设置，选择输入时钟频率；软核处理器输出同步信号时，所有通道的延时模块同时开始计数，当计数到设定值时，输出启动信号，启动对应通道的分频模块、读地址发生器模块和通道波形重复计数器工作，开始输出波形数据。

4.根据权利要求3所述的多通道声波相控任意波形信号发生器，其特征在于：分频模块由多路选择器和计数器构成，具有复位、启动和停止控制；根据软核处理器的设置，选择输入时钟频率和分频系数，为读地址发生器提供计数时钟；分频模块输出的计数时钟就是对应通道的高压信号发生单元的数模转换模块的时间采样间隔；当检测到波形重复计数器输出的禁止分频计数控制信号时，停止输出计数时钟信号。

5.根据权利要求4所述的多通道声波相控任意波形信号发生器，其特征在于：写地址发生器由计数器构成，具有复位和启动控制；读地址发生器由计数器构成，具有复位控制和最大计数值设置，对应单个通道输出波形的点数；波形重复计数器由计数器构成，具有复位控制。

6.根据权利要求5所述的多通道声波相控任意波形信号发生器，其特征在于：各通道的高压信号发生单元的结构完全相同，包括数模转换模块、增益控制模块、低通滤波模块和高压放大模块。

7.根据权利要求6所述的多通道声波相控任意波形信号发生器，其特征在于：数模转换模块由12位40MHz采样率的单通道数模转换器和高速运放构成，在主控单元通道控制器的读地址发生器控制下，把双端口存储器输出的波形数据按指定的时间采样间隔转换为模拟波形；

增益控制模块主要由SPI接口的数字电位器和高速运放组成，主控单元通道控制器的增益控制模块通过SPI接口调节数据电位器的抽头位置，实现数模转换模块输出的模拟波形的幅度调节；

低通滤波模块是由电容和电感构成的7阶高阶椭圆型滤波器，滤除数模转换时产生的高频谐波；

高压放大模块，包括一个低压高速运放、一个300V高压宽频运放、一个NPN型高压高频大功率三极管和一个PNP型高压高频大功率三极管；高压放大模块把输入信号放大12.5倍，最大输出幅度250V。