CN111307956A - 一种基于线性调频信号的导波信号激励电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于线性调频信号的导波信号激励电路，即可激励宽频带线性Chirp信号的可程控、大功率、高幅值、易使用的导波激励电路，包括Chirp信号波形合成电路、无源低通滤波电路、增益放大电路、功率放大电路和开关直流升压电路(boost升压电路)、FPGA控制电路。Chirp信号波形合成电路可输出原始线性Chirp信号。原始线性Chirp信号作为输入进入无源低通滤波电路，消除Chirp信号波形合成电路带来的杂散现象，输出去噪后线性Chirp信号。去噪后线性Chirp信号通过增益放大电路和功率放大电路进行两级放大，再经过boost升压电路可进一步将低电压稳定的升高至300V的高电压，最终输出升压后线性Chirp信号。该电路为超声导波实现扫频测试和多模态、多频段检测提供有效的技术手段。

Description

一种基于线性调频信号的导波信号激励电路
技术领域
实现了一种用于激励压电换能器的可产生线性调频信号的超声导波激励电路，属于无损检测领域
背景技术
超声导波检测技术是一种能够进行长距离、快速、大范围的无损检测方法，采用线扫描方式，能检测试件表面和内部的状况，甚至可检测到常规检测方式无法达到的特殊部位的缺陷。同时具有时间短、效率高、灵活性高、适用性强、对人体和环境均没有伤害，以及在液体和固体中都可以传播等优点，该技术已经应用到管道、道路桥梁、粘焊接质量、复合材料等多个检测领域。该技术的核心是要激励出适合在检测对象中传播的超声导波。常见的超声导波激励信号为窄带的窗函数调制正弦信号，以最大限度地抑制频散，但限制了激励信号的频率范围，降低了超声导波面对复杂构件的普适性。日前，国际上被广泛使用导波检测设备有两种，分别为英国GUL公司的WaveMarker和美国西南研究院研发的MsSR3030导波检测系统，两种设备都是通过在频散较小的频率点激励单一模态来实现缺陷检测。由于这些设备中的激励电路都只能生成某种固定类型的窄带脉冲，不具备激励压电换能器产生宽频率波形的功能，对导波检测技术的进一步发展产生了极大的限制。线性Chirp信号频带宽，通过对接收回波信号进行后处理，可得到等同于窗函数调制的正弦波信号激励时接收的回波信号，且被调制的正弦波频率可是线性Chirp信号频带范围内任意频率，为超声导波扫频测试和多模态、多频段检测提供有效的技术手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于线性调频信号的导波信号激励电路，即可激励宽频带线性Chirp信号的可程控、大功率、高幅值、易使用的导波激励电路。
基于线性调频信号的导波信号激励电路设计包括Chirp信号波形合成电路、无源低通滤波电路、增益放大电路、功率放大电路和开关直流升压电路(boost升压电路)、FPGA控制电路。Chirp信号波形合成电路可实现激励信号的模式选择、频率调制、相位调制和幅度调制等多种功能，输出原始线性Chirp信号。但是Chirp信号波形合成电路由于相位截断会引入误差，导致原始线性Chirp信号中会夹杂很大部分的噪声信号。无源低通滤波电路可实现椭圆低通滤波器的功能，其通带和阻带都是抖动，但过渡带比较带窄和下降迅速，可消除Chirp信号波形合成电路带来的激励信号杂散现象，原始线性Chirp信号作为输入进入无源低通滤波电路，将输出去噪后线性Chirp信号。同时，为满足大范围长距离检测需求，需保证获得能量更大的信号，因此需将去噪后线性Chirp信号通过增益放大电路和功率放大器进行两级放大，输出放大后线性Chirp信号。而boost升压电路可进一步将低电压的放大后线性Chirp信号稳定的升高至300V的高电压，输出升压后线性Chirp信号，且电压大小可利用FPGA控制电路以调节PWM信号的方法来实现。
所述的FPGA控制电路控制着波形数据的传输、存储、波形合成、程控放大的整个过程。
所述的Chirp信号波形合成电路，其特征在于：Chirp信号波形合成电路中的核心芯片中有高速、高性能的正交数模转化器，可生成原始线性Chirp信号，输出的原始线性Chirp信号电压幅值在较低范围。
所述的无源低通滤波电路，其特征在于：无源低通滤波电路实现7阶椭圆低通滤波器功能，滤波器的低通带宽为大于等于10MHz，截止频率高，衰减大，可有效祛除Chirp信号波形合成电路由相位截断现象会引入的信号杂散现象，输出去噪后线性Chirp信号。
所述的增益放大电路，其特征在于：可实现信号0～30dB的增益放大，放大去噪后线性Chirp信号的电压，输出放大电压后线性Chirp信号。
所述的功率放大电路，其特征在于：供电时输出电压可达正负225V，供电电压由boost电路提供，输出电流可达较高，具有高的电源电压抑制比，即可以保证电路对电源噪声具有有效的抑制能力，放大电压后线性Chirp信号作为出入，最终输出放大后线性Chirp信号。
所述的功率放大电路，其特征在于：R95和C112串联后接入功率放大电路，构成功率放大电路的外部RC网络，以增加运放的稳定性并扩展频带，闭环带宽可达至少1MHz。R94一端接地，一端接放大后线性Chirp信号输出端，成为负载电阻，提高驱动负载的能力。
所述的boost升压电路，其特征在于：放大后线性Chirp信号作为电路输入信号，输出为升压后线性Chirp信号，升压后线性Chirp信号的电压高低主要由FPGA控制电路输出的PWM信号的占空比决定，boost升压电路电路主要由数字信号隔离电路、反馈回路、硬件PI电路、开关电源电路和boost电路组成。
所述的数字信号隔离电路，其特征在于：采用光耦器件6N137S来隔离信号的传输。PWM信号为FPGA输出的信号，光耦输出经三极管Q7反相后输出到整形电路比较器TLC2272CD，它的输出信号经无源低通滤波输出稳定的直流电压控制U1，U1的大小与PWM占空比呈线性关系。
所述的反馈回路，其特征在于：高压输入HIGH-VOLTAGE经R74和R79分压后，输入到可以隔离输入和输出的运放为电压跟随器，消除后级电路对R74和R79分压的影响。
所述的硬件PI电路，其特征在于：采用比例积分电路TLC2272CD原理，控制U1和反馈回路的输出电压差值决定控制电压U2的输出大小。
所述的FPGA控制电路和开关电源电路，其特征在于：FPGA控制电路输出的PWM信号的频率由C104和R90决定，通过调整R25就能调整输出PWM的频率，TL494内部晶体管导通时，电源12V通过C1、E1和R90加在三极管Q9的基极，三极管Q9导通，Q8截止，U18功率管导通，PWM信号输出为高。当内部晶体管截止时，由于基极电流为零，所以三极管Q9截止，Q8导通，功率管栅极电容通过Q8的集电结通路放电，PWM信号输出为低。
所述的开关电源电路，其特征在于：电感L11和C99、C100构成滤波电路，R75为负载。当PWM信号为低时，二极管D23反向偏置截止，12V电压为L10充电，当PWM信号为高时，二极管D23正向偏置导通，12V电压与L10的感应电动势通过D23向C7充电，实现HIGH-VOLTAGE高压输出。
所述的boost电路，其特征在于：电感L11和C99、C100构成滤波电路，R75为负载。当PWM信号为低时，二极管D23反向偏置截止，12V电压为L10充电，当PWM信号为高时，二极管D23正向偏置导通，12V电压与L10的感应电动势通过D23向C7充电，实现HIGH-VOLTAGE高压输出。
附图说明
图1基于线性调频信号的导波信号激励电路的原理框图；
图2 Chirp信号波形合成电路设计图
图3无源低通滤波电路；
图4增益放大电路设计图；
图5功率放大电路设计图；
图6数字信号隔离电路设计图；
图7反馈回路和硬件PI电路设计图；
图8开关电源电路设计图；
图9 boost电路设计如图；
图10 Chirp信号测试结果图；
图11 Chirp信号频谱分析图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
基于线性调频信号的导波信号激励电路设计包括Chirp信号波形合成电路、无源低通滤波电路、增益放大电路、功率放大电路和开关直流升压电路
(boost升压电路)、FPGA控制电路，基于线性调频信号的导波信号激励电路的原理框图如图1所示。
本实施例中的FPGA为Xilinx公司的Kintex－7XC7K70T芯片。FPGA控制波形数据的传输、存储、波形合成、程控放大的整个过程。Chirp信号波形合成电路的核心芯片采用AD9854，设定其工作方式为Chirp(Mode011)模式，Chirp信号波形合成电路设计图如图2所示。Chirp信号波形合成电路有两个12位高速、高性能正交数模转化器，可将信号转换成原始线性Chirp信号，此时输出的信号电压幅值为0.3～0.5V左右，并由于本身电路存在相位截断现象会引入信号误差，之后原始线性Chirp信号进入无源低通滤波电路。
本实例中的无源低通滤波电路实现7阶椭圆低通滤波器功能，无源低通滤波电路如图3所示。该滤波器的低通带宽为10MHz，截止频率为12.1MHz时，衰减为70.3dB，可有效祛除Chirp信号波形合成电路带来的激励信号杂散现象，将原始线性Chirp信号输出为去噪后线性Chirp信号，随后去噪后线性Chirp信号进入增益放大电路。
本实例中增益放大电路的核心芯片为MAX437，电路设计如图4所示，该电路可实现激励信号0～30dB的增益，将原本电压幅值为0.3～0.5V的去噪后线性Chirp信号放大为0～10V的电压信号。在导波检测过程中，激励频率越高，检测精度越高，同时导波能量衰减越快，为保证信号具有足够的能量，放大为0～10V的电压信号将进入功率放大电路。
本实例中的功率放大电路采用的核心芯片为PA98，功率放大电路设计如图5所示，输出信号为放大后线性Chirp信号。PA98双端供电时输出电压可达正负225V，供电电压由boost电路提供，输出电流可达200mA，加外部补偿电容下的压摆率为400V/μs，最大输入失调电压0.5mV，具有很高的电源电压抑制比，即可以保证电路对电源噪声具有有效的抑制能力。电路中的R95和C112构成PA85的外部RC网络，可以增加运放的稳定性和扩展频带，相位补偿电容R95与电阻C112取值分别为3.3pF和100R，闭环带宽可达到1MHz。R94一端接地，一端接放大后线性Chirp信号输出端，R93是限流电阻，R94为负载电阻，为了提高驱动负载的能力，负载电阻R94阻值配置为2K，配合阻值为5.1Ω的R93限流电阻，最终将电流限制在165mA内。
本实例中的boost升压电路输出的升压后线性Chirp信号的电压高低主要由FPGA控制电路输出的PWM的占空比决定，该电路主要由数字信号隔离电路、反馈回路、硬件PI电路、开关电源电路和boost电路。
本实例中的数字信号隔离电路设计如图6所示。为了防止后级电路对FPGA电路的干扰，采用光耦器件6N137S来隔离信号的传输。PWM信号为FPGA输出的信号，光耦输出经三极管Q7反相后输出到整形电路比较器TLC2272CD，它的输出信号经无源低通滤波输出稳定的直流电压控制U1，U1的大小与PWM占空比呈线性关系。
本实例中的反馈回路和硬件PI电路设计图如图7所示，反馈回路高压输入HIGH－VOLTAGE经阻值比为100：1的R74和R79分压后，输入到可以隔离输入和输出的运放为电压跟随器，可以消除后级电路对R74和R79分压的影响。硬件PI电路主要利用比例积分电路TLC2272CD原理，控制U1和反馈回路的输出电压差值决定控制电压U2的输出大小。
本实例中的开关电源电路的核心为TL494，电路设计如图8所示。输出PWM信号的频率由C104和R90决定，通过调整R25就能调整输出PWM的频率，TL494内部晶体管导通时，电源12V通过C1、E1和R90加在三极管Q9的基极，三极管Q9导通，Q8截止，U18功率管导通，PWM信号输出为高。当内部晶体管截止时，由于基极电流为零，所以三极管Q9截止，Q8导通，功率管栅极电容通过Q8的集电结通路放电，PWM信号输出为低。
本实例中的boost电路设计如图9所示。电感L11和C99、C100构成滤波电路，R75为负载。当PWM信号为低时，二极管D23反向偏置截止，12V电压为L10充电，当PWM信号为高时，二极管D23正向偏置导通，12V电压与L10的感应电动势通过D23向C7充电，实现HIGH－VOLTAGE高压输出。
使用本实例中的基于线性调频信号的导波信号激励电路进行测试，首先下载FPGA逻辑控制程序到FPGA开发板，通过设置激励起始频率为450kHz，频率分辨率为10kHz，终止频率为650kHz，测试结果如图10所示。通过对激励的Chirp信号进行频谱分析见图11。可以看出在信号的频带范围内抖动比较大，但是频带范围和设定的频带参数基本一致。
最后应说明的是以上实施例仅说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (13)

1.一种基于线性调频信号的导波信号激励电路，即可激励宽频带线性Chirp信号的可程控、大功率、高幅值、易使用的导波激励电路，包括Chirp信号波形合成电路、无源低通滤波电路、增益放大电路、功率放大电路和开关直流升压电路、FPGA控制电路，其特征在于：
a)Chirp信号波形合成电路可实现激励信号的模式选择、频率调制、相位调制和幅度调制等多种功能，输出原始线性Chirp信号，
b)无源低通滤波电路可实现椭圆低通滤波器的功能，其通带和阻带都是抖动，但过渡带比较带窄和下降迅速，可消除Chirp信号波形合成电路带来的信号杂散现象，原始线性Chirp信号作为输入进入无源低通滤波电路，将输出去噪后线性Chirp信号，
c)去噪后线性Chirp信号作为输入，依次进入增益放大电路和功率放大电路，实现对去噪后线性Chirp信号的两级放大过程，输出能量更大的放大后线性Chirp信号，实现大范围长距离检测，
d)放大后线性Chirp信号作为输入进入开关直流升压电路，进一步将低电压稳定的升高至300V的高压，输出升压后线性Chirp信号，且电压大小可利用FPGA控制电路输出的PWM信号的调节来实现，
e)FPGA控制电路控制着信号数据的传输、存储、波形合成、程控放大的整个过程。
2.如权利要求1所述的导波信号激励电路，其特征在于：Chirp信号波形合成电路中的核心芯片中有高速、高性能的正交数模转化器，生成原始线性Chirp信号，降低输出的原始线性Chirp信号电压幅值。
3.如权利要求1所述的导波信号激励电路，其特征在于：无源低通滤波电路实现7阶椭圆低通滤波器功能，滤波器的低通带宽为大于等于10MHz，截止频率高，衰减大，祛除Chirp信号波形合成电路由于相位截断引入的信号杂散现象，输出去噪后线性Chirp信号。
4.如权利要求1所述的导波信号激励电路，其特征在于：增益放大电路实现信号0～30dB的增益放大，放大去噪后线性Chirp信号的电压，输出放大电压后线性Chirp信号。
5.如权利要求1所述的导波信号激励电路，其特征在于：功率放大电路供电时输出电压幅值为正负225V，供电电压由开关直流升压电路提供，输出电流具有高的电源电压抑制比，用于保证电路对电源噪声具有有效的抑制能力，放大电压后线性Chirp信号作为出入，最终输出放大后线性Chirp信号。
6.如权利要求1，5所述的导波信号激励电路，其特征在于：功率放大电路R95和C112串联后接入功率放大电路，构成功率放大电路的外部RC网络，用于增加运放的稳定性并扩展频带，闭环带宽大于1MHz；R94一端接地，另一端接放大后线性Chirp信号输出端，成为负载电阻，提高驱动负载的能力。
7.如权利要求1所述的导波信号激励电路，其特征在于：开关直流升压电路也称为boost升压电路，该电路放大后线性Chirp信号作为电路输入信号，输出为升压后线性Chirp信号，升压后线性Chirp信号的电压高低由FPGA控制电路输出的PWM信号的占空比决定，boost升压电路由数字信号隔离电路、反馈回路、硬件PI电路、开关电源电路和boost电路组成。
8.如权利要求7所述的导波信号激励电路，其特征在于：数字信号隔离电路采用光耦器件6N137S来隔离信号的传输；PWM信号为FPGA控制电路输出的信号，光耦输出经三极管Q7反相后输出到整形电路比较器TLC2272CD，它的输出信号经无源低通滤波输出稳定的直流电压控制U1，U1的大小与PWM信号占空比呈线性关系。
9.如权利要求7所述的导波信号激励电路，其特征在于：反馈回路高压输入HIGH-VOLTAGE经R74和R79分压后，输入到可以隔离输入和输出的运放为电压跟随器，消除后级电路对R74和R79分压的影响。
10.如权利要求7所述的导波信号激励电路，其特征在于：硬件PI电路采用比例积分电路TLC2272CD原理，控制U1和反馈回路的输出电压差值决定控制电压U2的输出大小。
11.如权利要求7所述的导波信号激励电路，其特征在于：FPGA控制电路和开关电源电路中FPGA控制电路输出的PWM信号的频率由C104和R90决定，通过调整R25就能调整输出PWM的频率，TL494内部晶体管导通时，电源12V通过C1、E1和R90加在三极管Q9的基极，三极管Q9导通，Q8截止，U18功率管导通，PWM信号输出为高；当内部晶体管截止时，由于基极电流为零，所以三极管Q9截止，Q8导通，功率管栅极电容通过Q8的集电结通路放电，PWM信号输出为低。
12.如权利要求7，10所述的导波信号激励电路，其特征在于：开关电源电路电感L11和C99、C100构成滤波电路，R75为负载；当PWM信号为低时，二极管D23反向偏置截止，12V电压为L10充电；当PWM信号为高时，二极管D23正向偏置导通，12V电压与L10的感应电动势通过D23向C7充电，实现HIGH-VOLTAGE高压输出。
13.如权利要求7所述的boost电路，其特征在于：电感L11和C99、C100构成滤波电路，R75为负载；当PWM信号为低时，二极管D23反向偏置截止，12V电压为L10充电，当PWM信号为高时，二极管D23正向偏置导通，12V电压与L10的感应电动势通过D23向C7充电，实现HIGH-VOLTAGE高压输出。
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