CN105842347A

CN105842347A - 一种时分复用的大功率相控阵超声信号发生装置

Info

Publication number: CN105842347A
Application number: CN201610188502.0A
Authority: CN
Inventors: 朱云峰; 韩庆邦; 汪冰滢; 陈莉莉; 朱昌平
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: CN105842347B

Abstract

本发明提供了一种时分复用的大功率相控阵超声信号发生装置，主要用于混凝土结构的超声检测，包括：上位机控制端、现场可编程逻辑门阵列、时分复用高压脉冲放大电路、超声换能器阵列和数据分配器；现场可编程逻辑门阵列连接时分复用高压脉冲放大电路的输入端，数据分配器的输入端分别连接现场可编程逻辑门阵列的控制信号输出端以及时分复用高压脉冲放大电路的输出端；数据分配器的输出端连接超声换能器阵列。本发明以大幅缩小电路规模，降低设备体积，节省设备成本，可产生可以聚焦的声束，用于工业上的混凝土结构超声无损检测；也可调节输出信号的脉宽，以适用于不同中心频率的换能器，延时精度可达ηs级，满足混凝土结构超声无损检测的要求。

Description

一种时分复用的大功率相控阵超声信号发生装置

技术领域

本发明属于电子科学领域，具体涉及的是利用时分复用技术，具体涉及的是一种时分复用的大功率相控阵超声信号发生装置。

背景技术

超声无损检测技术在现代工业发展过程中作用巨大，与传统单探头超声检测技术相比，相控阵超声无损检测技术具有检测范围广、深度大、定位准确等优点。相控阵探头是由多个换能器组成的一个换能器阵列，每一路换能器阵列由一路高压脉冲信号来控制。通过控制激励脉冲的延时，产生多路相位不同的超声信号，使得它们在预期聚焦点产生干涉加强的效果。改变延时参数便可实现声束的动态聚焦及偏转，从而达到扫描的目的。

为实现声束的动态聚焦及偏转，需要一套可产生多路用于激励超声换能器的高压脉冲信号的信号发生装置。目前国内外市场上既有的相控阵超声信号发生器都是每一路换能器前均接有一体积较大的高压脉冲放大电路。由于探头数量多在16路以上，故整个超声检测装置体积庞大，且成本较高。而相控阵超声信号聚焦的延时数学模型决定了相隔较远的换能器阵元产生超声信号的时间不会重叠，故可使用时分复用技术来使多个换能器阵元复用一个放大电路，从而大幅减少整个超声发射装置的体积，以及降低其成本。

发明内容

本发明的目的是针对市场上既有的一些相控阵超声信号发生器体积庞大、成本高的问题，根据数字信号的时分复用技术，而本发明目的是提供一种体积小、成本低的相控阵超声信号发生装置，即时分复用的大功率相控阵超声信号发生装置，其产生可以聚焦的声束，用于工业上的混凝土结构超声无损检测，延时精度可达ηs级，满足混凝土结构超声无损检测的要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种时分复用的大功率相控阵超声信号发生装置，其特征在于，其包括：它包括：上位机控制端，用于控制激励脉冲的延时和脉宽；

现场可编程逻辑门阵列（FPGA），用于产生ηs级脉冲信号；

时分复用高压脉冲放大电路，用于放大现场可编程逻辑门阵列（FPGA）产生的激励脉冲信号，产生足以激发超声换能器的大功率信号；

超声换能器阵列，用于产生多路相位不同的声波，以产生可偏转的、聚焦位置可变的声束；

数据分配器，用于对时分复用高压脉冲放大电路放大激励脉冲信号分配到超声换能器阵列的输出通道上；

所述现场可编程逻辑门阵列的输出端连接时分复用高压脉冲放大电路的输入端，所述述现场可编程逻辑门阵列的输入端连接上位机控制端，所述数据分配器的输入端分别连接现场可编程逻辑门阵列的控制信号输出端以及时分复用高压脉冲放大电路的输出端；所述数据分配器的输出端连接超声换能器阵列。

进一步的，所述时分复用高压脉冲放大电路包括HV732集成芯片以及与HV732集成芯片连接的两个二极管BAV99；所述现场可编程逻辑门阵列的输出端连接HV732集成芯片的输入端，所述HV732集成芯片的输出端连接两个二极管BAV99；所述现场可编程逻辑门阵列产生的激励脉冲信号传送至HV732集成芯片的输入端，经HV732集成芯片放大后，再由两个二极管BAV99差动输出。

为降低设备体积，节省设备成本，所述时分复用高压脉冲放大电路设置有四组，使用4组高压脉冲放大电路来分时放大16路激励脉冲信号。所述四组时分复用高压脉冲放大电路分别为第一时分复用高压脉冲放大电路、第二时分复用高压脉冲放大电路、第三时分复用高压脉冲放大电路和第四时分复用高压脉冲放大电路；所述第一至第四时分复用高压脉冲放大电路并联连接。

所述现场可编程逻辑门阵列的输出16路激励脉冲信号，16路激励脉冲信号平均分为4组，每组激励脉冲信号设置有4路激励脉冲信号，且4路激励脉冲信号并联至HV732集成芯片的输入端，经HV732集成芯片放大后，再由两个二极管BAV99差动输出。

进一步的，所述数据分配器设置有四个，分别为第一至第四数据分配器，所述第一至第四数据分配器均设置有一路输入端和四路输出端，通过设置四路输出端用于选择激励脉冲信号的输出通道。使用四路数据分配器（一路输入，四路输出）来选择激励脉冲信号的输出通道。

为保证满足时分复用条件，即满足一组信号通道所产生信号在时间上没有重叠，需对换能器阵列中各阵元进行分组。换能器阵列一字排开，每个阵元按1至16依次编号，即所述换能器阵列是由第1-16号换能器组成。

所述第1、5、9、13号换能器通过第一数据分配器连接第一时分复用高压脉冲放大电路；

所述第2、6、10、14号换能器通过第二数据分配器连接第二时分复用高压脉冲放大电路；

所述第3、7、11、15号换能器通过第三数据分配器连接第三时分复用高压脉冲放大电路；

所述第4、8、12、16号换能器通过第四数据分配器连接第四时分复用高压脉冲放大电路。

作为优选方案，使用现场可编程逻辑门阵列（FPGA）根据当前正在输出小信号脉冲的通道序号来选择四路数据分配器的输出通道。

避免的四路数据分配器读取控制信号的延时带来的影响，输出通道选择控制信号在被选通道的脉冲信号输出前传输至数据分配器，即所述第一至第四数据分配器输出当前脉冲信号的同时，并行接收来自现场可编程逻辑门阵列的输出通道选择控制信号，此时由现场可编程逻辑门阵列控制的输出通道选择锁存位关闭，故不会对当前输出信号的通道选择产生影响；待下一次脉冲输出时，由现场可编程逻辑门阵列控制的输出通道选择锁存位打开，此时数据分配器已经完成对输出通道选择控制信号的读取，故输出通道能立即变为所选通道。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明主要用于混凝土结构的超声检测，以现场可编程逻辑门阵列（FPGA）为主控制器，用上位机控制其输出延时和脉宽可调的脉冲信号。同时通过可时分复用的高压脉冲放大电路以大幅缩小电路规模，降低设备体积，节省设备成本。

（2）本发明采用的可时分复用的高压脉冲放大电路最多可满足时间上不重叠的四路信号的分时放大，并能并行地输出16路延时可调的高压脉冲信号激发超声换能器阵列产生可以聚焦的声束，用于工业上的混凝土结构超声无损检测；也可调节输出信号的脉宽，以适用于不同中心频率的换能器；延时精度可达ηs级，满足混凝土结构超声无损检测的要求。

附图说明：

图1是本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照附图1，现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的小信号脉冲产生部分，本发明的小信号脉冲产生流程如下：

通过上位机即计算机控制现场可编程逻辑门阵列（FPGA）输出延时和脉宽可调的脉冲信号。计算机与现场可编程逻辑门阵列（FPGA）之间通过RS232串口线连接，为保证通信的可靠性，将串口波特率设置为115200，并开启奇偶校验。计算机上的串口程序使用C#语言编写。程序输入参数包括每一路脉冲信号的延时时间及脉冲宽度，并可以设置哪一路信号为延时基准，也可以选择使用哪几路信号。此外，设置参数还包含发射周期性连续波还是单次触发。若发射周期性连续波，可选择连续波的周期；若选择单次触发，可设置多次单次触发参数及每次触发的时间间隔。现场可编程逻辑门阵列（FPGA）外接50MHz高速晶体振荡器，延时精度可达20ηs，能够满足混凝土结构超声检测的要求。FPGA的16个IO口用于输出脉冲信号，每一路IO都由程序并行控制，以保证延时的精确性。

参照附图1时分复用放大电路部分，本发明的时分复用放大电路部分实施流程如下：

首先将现场可编程逻辑门阵列（FPGA）直接输出的小信号脉冲进行分组。分组原则为同组信号在时间上没有重叠，即同一组中某一时刻只有一路信号输出。根据相控阵超声信号聚焦的延时数学模型，相隔间距超过某一门限值的换能器阵元产生超声信号的时间不会重叠。由此设计出换能器（按序号一字排开）的分组如下：

(1)第1、5、9、13号换能器通过第一数据分配器连接第一时分复用高压脉冲放大电路；

(2)第2、6、10、14号换能器通过第二数据分配器连接第二时分复用高压脉冲放大电路；

(3)第3、7、11、15号换能器通过第三数据分配器连接第三时分复用高压脉冲放大电路；

(4)第4、8、12、16号换能器通过第四数据分配器连接第四时分复用高压脉冲放大电路。

即将现场可编程逻辑门阵列（FPGA）直接输出的小信号脉冲的第1、5、9、13路信号并联至放大电路1的输入端口，再由放大电路分时放大每一路小信号脉冲用于控制相应信号的换能器阵元。其余组信号依此类推。16路信号共被分成四组，每组复用一个放大电路。放大电路采用HV732集成芯片实现。HV732具有集成度高，功率大，响应时间极短的特点，能够满足相控阵超声检测技术的要求。

参照附图1高压脉冲信号分配部分，本发明的高压脉冲信号分配实施流程如下：

首先现场可编程逻辑门阵列（FPGA）根据从上位机输入的每一路脉冲信号的延时时间及脉冲宽度确定每个四路数据分配器的控制信号时序，以保证16路高压脉冲信号中的每一路都能准确将信号传输至相应换能器阵元。现场可编程逻辑门阵列（FPGA）与四路数据分配器间共有3跟控制线，分别为输出通道选择控制位1，输出通道选择控制位0，以及输出通道选择锁存位。

由于数据分配器读取输出通道选择控制信号时具有几ηs的延时，若输出通道选择控制信号与被选通道的脉冲信号同时产生，便会产生误差。故输出通道选择控制信号在被选通道的脉冲信号输出前传输至数据分配器，即数据分配器输出当前脉冲的同时，并行接收来自现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的输出通道选择控制信号，但此时由现场可编程逻辑门阵列（FPGA）控制的输出通道选择锁存位关闭，故不会对当前输出信号的通道选择产生影响。待下一次脉冲输出时，由现场可编程逻辑门阵列（FPGA）控制的输出通道选择锁存位打开，由于数据分配器已经完成对输出通道选择控制信号的读取，故输出通道能立即变为所选通道。这样就有效避免了数据分配器读取控制信号的延时带来的影响。

基于上述，本实施例是通过上位机输入每一路激励脉冲的延时，脉宽参数，控制现场可编程逻辑门阵列（FPGA）产生ηs级延时，脉宽灵活可调的脉冲信号。每4路时间上不重叠的脉冲信号分时复用一组高压脉冲放大电路，这样4组放大电路便可分时放大16路信号。经放大电路产生的高压脉冲信号再通过四路数据分配器分配正确的输出通道后，激励超声换能器阵列产生聚焦且聚焦位置可偏转的超声波束。

本发明提供了一种时分复用的大功率相控阵超声信号发生装置，主要用于混凝土结构的超声检测。以现场可编程逻辑门阵列（FPGA）为主控制器，用上位机控制其输出延时和脉宽可调的脉冲信号。同时设计了可时分复用的高压脉冲放大电路以大幅缩小电路规模，降低设备体积，节省设备成本。该放大电路最多可满足时间上不重叠的四路信号的分时放大。所述装置能并行地输出16路延时可调的高压脉冲信号激发超声换能器阵列产生可以聚焦的声束，用于工业上的混凝土结构超声无损检测；也可调节输出信号的脉宽，以适用于不同中心频率的换能器。延时精度可达ηs级，满足混凝土结构超声无损检测的要求。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1. 一种时分复用的大功率相控阵超声信号发生装置，其特征在于，其包括：

上位机控制端，用于控制激励脉冲的延时和脉宽；

现场可编程逻辑门阵列，用于产生ηs级脉冲信号；

时分复用高压脉冲放大电路，用于放大现场可编程逻辑门阵列产生的激励脉冲信号，产生足以激发超声换能器的大功率信号；

2. 根据权利要求1所述的一种时分复用的大功率相控阵超声信号发生装置，其特征在于：所述时分复用高压脉冲放大电路包括HV732集成芯片以及与HV732集成芯片连接的两个二极管BAV99；所述现场可编程逻辑门阵列的输出端连接HV732集成芯片的输入端，所述HV732集成芯片的输出端连接两个二极管BAV99；所述现场可编程逻辑门阵列产生的激励脉冲信号传送至HV732集成芯片的输入端，经HV732集成芯片放大后，再由两个二极管BAV99差动输出。

3.根据权利要求2所述的一种时分复用的大功率相控阵超声信号发生装置，其特征在于：所述时分复用高压脉冲放大电路设置有四组，用于分时放大16路激励脉冲信号；所述四组时分复用高压脉冲放大电路分别为第一时分复用高压脉冲放大电路、第二时分复用高压脉冲放大电路、第三时分复用高压脉冲放大电路和第四时分复用高压脉冲放大电路；所述第一至第四时分复用高压脉冲放大电路并联连接；

4. 根据权利要求3所述的一种时分复用的大功率相控阵超声信号发生装置，其特征在于：所述数据分配器设置有四个，分别为第一至第四数据分配器，所述第一至第四数据分配器均设置有一路输入端和四路输出端，通过设置四路输出端用于选择激励脉冲信号的输出通道。

5. 根据权利要求4所述的一种时分复用的大功率相控阵超声信号发生装置，其特征在于：所述换能器阵列是由第1-16号换能器组成，所述第1、5、9、13号换能器通过第一数据分配器连接第一时分复用高压脉冲放大电路；

6. 根据权利要求4所述的一种时分复用的大功率相控阵超声信号发生装置，其特征在于：所述第一至第四数据分配器输出当前脉冲信号的同时，并行接收来自现场可编程逻辑门阵列的输出通道选择控制信号，此时由现场可编程逻辑门阵列控制的输出通道选择锁存位关闭，故不会对当前输出信号的通道选择产生影响；待下一次脉冲输出时，由现场可编程逻辑门阵列控制的输出通道选择锁存位打开，此时数据分配器已经完成对输出通道选择控制信号的读取，故输出通道能立即变为所选通道。