CN116800212B - 具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测量电变量领域，具体为具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，包括：限幅电路，具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3，第1级宽带程控放大电路，具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路，第2级宽带程控放大电路，窄带滤波及钳位输出电路1、2、3，单端/差分转换电路，A/D转换电路，FPGA，通讯接口电路，程控开关电路1，程控开关电路2，电源，程控增益电路，程控增益电路包括双路DA转换电路和直流放大电路1、2。本发明解决了大冲击、强干扰环境下非接触式超声换能器幅值时小时大、频率时高时低接收信号的放大、处理及采集等问题，对于非接触式超声检测技术的推广及应用具有重大意义。
Description
技术领域
本发明属于测量电变量领域，具体为具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，用于将空气耦合超声换能器接收的复合材料检测中的微弱电信号进行有效放大、处理及采集，以对复合材料中缺陷进行检测，也可扩展应用于电磁超声检测中接收信号的处理；适用于航空宇航领域复合材料设备、石化和电力等行业金属制高温设备的无损检测。
背景技术
航空航天复合材料在制作、加工过程中需要进行质量控制，在使用、维护过程中需要检测其是否由外界因素产生缺陷，以保障设备的安全运行。超声检测具有高灵敏度、无损等优势，但传统的超声检测需要采用水、油等作为耦合剂。一方面耦合剂会渗透进复合材料内部，另一方面耦合剂清理费事费力，甚至难以全部清除，从而影响复合材料的机械性能和力学性能。此外，针对耦合剂的耦合系统的维持很费时、费力，如飞机机身蒙皮、野外工作的大型风力机叶片检测时，在这些场合提供稳定的水耦合装置较为困难、成本很高。因此，直接采用空气作为耦合剂的超声检测对于复合材料缺陷检测有巨大的潜在优势。
在复合材料中传播的超声波透过固-气界面进入空气中传播，再经气-固界面进入空气耦合超声接收换能器，由空气耦合超声接收换能器转换为电信号。由于固-气之间声阻抗差异较大，且是固定存在、无法避免的，再者即使经过良好声、电阻抗匹配的空气耦合超声接收换能器，也会存在空气与空气耦合超声接收换能器之间的声阻抗差异，从而导致空气耦合超声接收换能器的接收信号很微弱（uV级～几百uV级），因此接收电路需要较大的放大倍数。实际使用中待检测的复合材料种类多样、结构形式复杂，对超声波的衰减程度也各不相同，有衰减很大的材料、也有衰减较小的材料，即使同种材料，随着检测距离的不同，回波幅值也会有较大的变化，因此需要接收电路不仅放大倍数足够、还需增益可调。
空气耦合超声接收换能器除了接收复合材料中透射至空气中声波外，还会接收空气耦合超声发射换能器发射的从空气中直接传播至空气耦合超声接收换能器的声波。由于后者不存在复合材料和空气界面之间的固有损耗，其接收信号幅值往往比前者大数十倍～数百倍，后者可看成是对接收电路的巨大冲击。另外，当采用单个探头同时作为空气耦合超声换能器的发射和接收换能器时，激励电路发射的数十～数百伏高压驱动脉冲对于接收电路而言，也是巨大的冲击，因此接收电路需要能抵抗较大冲击。
空气耦合超声换能器往往都需要配合自动扫查装置对复合材料结构进行扫查检测，实现机械装置运动控制的电机、驱动器、运动控制器等都存在一定的电磁辐射。对于uV级接收电路而言，这些辐射产生的干扰往往是致命的，会导致接收信号信噪比很差，难以实施有效检测，因此接收电路需要有较强的抗干扰能力。
由于压电式空气耦合超声换能器可在20kHz～5MZ范围内使用，电容式空气耦合超声换能器使用频率可为100kHz～10MHz，因此接收电路需要能对20kHz～10MZ较宽频率范围内的信号进行处理。
总之，需要发明放大倍数大、增益可调、带宽宽，且抗冲击、抗干扰能力强的空气耦合超声信号接收处理电路，对于该技术的推广及应用具有重大意义。另外，此电路还能作为电磁超声换能器接收信号的处理电路。
专利号为ZL201610113732.0、名称为《低频电磁超声导波接收信号的放大方法和装置》的发明专利所发明放大装置的3dB带宽范围为1kHz～250kHz，最大放大倍数为111dB。采用三极管对各级运算放大电路进行钳位，以抑制高压冲击，但该方式不能用于程控放大电路的钳位。该放大装置虽然增益足够大，但只能固定放大倍数，适应场合不强，只能用于衰减大的材料检测，对于衰减稍小的材料或厚度有变化的同类材料都难以检测。另外，由于接收换能器与待检试块之间距离随不同应用场合发生变化，使得声波幅值有较大波动，因此，该固定增益的放大装置不适用于空气耦合超声检测的实际应用。进一步，该放大装置带宽窄，只能对1kHz～250kHz低频信号进行放大，对400kHz、800kHz等常用的空气耦合超声换能器都无法使用，即其接收带宽不能适配空气耦合超声检测信号的频率范围。因此，该电路不适合作为空气耦合超声换能器的接收电路。
专利号为201811629815.0、名称为《电磁超声回波信号的自适应程控接收处理装置及其方法》的发明专利适用于对2.5M～10M信号进行最大80dB的放大。而空气耦合超声换能检测适用的范围为20kHz～10MHz，且常用的范围为20kHz～2.5MHz。另外，该发明放大器的最大增益为80dB，由于其放大倍数不够，也难以对复合材料检测中的uV级微弱接收信号进行有效放大处理。更为重要的是，该电路还不具有抗冲击能力，很容易被自激自收过程中产生的信号造成过冲、难以快速回复，极大地影响其检测能力，过冲幅值大且持续时间较长时甚至会造成放大器电路损坏；另外，空气中的直达波，也会产生过冲，导致接收电路难以快速恢复，以对后续的回波信息进行有效接收，影响检测能力，从而使得该电路无法在空气耦合超声检测中进行使用。
发明内容
本发明为了解决非接触式超声换能器（包括空气耦合超声换能器和电磁超声换能器）接收信号在不同应用场合的幅值时小时大、频率时高时低，且接收电路受到的冲击大、干扰强等问题，提供了高增益、增益可调、宽带宽，且抗冲击、抗干扰能力强的具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，对于非接触式超声检测技术的推广及应用具有重大意义。
本发明是采用如下的技术方案实现的：具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，包括：限幅电路，具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3，第1级宽带程控放大电路，具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路，第2级宽带程控放大电路，窄带滤波及钳位输出电路1、2、3，单端/差分转换电路，A/D转换电路，FPGA，通讯接口电路，程控开关电路1、2和程控增益电路。空气耦合超声接收换能器将声-电转换后的信号输出给限幅电路的输入端，限幅电路的输出端同时和具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的输入端连接，具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的输出端都和第1级宽带程控放大电路的输入端连接，第1级宽带程控放大电路的输出端和具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路的输入端连接，具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路输出端和第2级宽带程控放大电路的输入端连接，第2级宽带程控放大电路的输出端和窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的输入端同时连接，窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的输出端同时和单端/差分转换电路的输入端连接，单端/差分转换电路的输出端和A/D转换电路输入端连接，A/D转换电路的输出端和FPGA连接，FPGA还和通讯接口电路、程控开关电路1、程控开关电路2和程控增益电路连接。另外，程控增益电路的两个电压输出端口分别和第1级宽带程控放大电路、第2级宽带程控放大电路的增益控制端口连接；程控开关电路1的3个正电压、3个负电压输出端分别和具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的正电源端口、负电源端口连接，程控开关电路2的3个正电压、3个负电压输出端分别和窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的正电源端口、负电源端口连接。
根据接收信号的不同频率范围，采用程控开关电路1、2控制具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3及窄带滤波及钳位输出电路1、2、3选择不同频率范围的窄带滤波通道，前者对前置放大之后的信号进行窄带滤波，后者对多级放大之后的信号进行窄带滤波，可有效降低电路自身的噪声、增强对外界强电磁干扰噪声的滤除能力，极大地提高检测信噪比。另外，三个频段的窄带滤波器采用程控开关电路控制通断电的方式配合使用，可适用带宽涵盖20k～10M频率范围，在对接收信号进行有效滤波的同时，保障了能对宽带范围内不同频率接收信号的有效降噪处理能力。
采用固定增益前置放大、两级宽带程控放大及固定增益放大的多级级联放大方式，以实现高增益放大。通过对两级宽带程控放大电路的增益调节，两级程控放大电路可依据接收信号幅值调整放大倍数，增加了电路灵活性，适用对时大时小信号的处理。另外，对多级电路各自输出信号的钳位，在高增益、增益可程控的情况下，有效增强了整个电路抵抗强冲击的能力。
限幅电路的输入连接空气耦合超声接收换能器的输出或者连接电磁超声接收换能器的输出，需先进行限幅，以免对后续电路造成过冲甚至烧毁后续电路。
限幅后的信号根据接收信号频率从具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3中选择一个通道对有用信号进行前置放大和窄带滤波，并对冲击信号进行输出钳位，以减小冲击信号对后续第1级宽带程控放大电路的影响。
第1级宽带程控放大电路可对前一级输出钳位电路1、2、3中某个通道输出的有用信号进行程控放大，且由于前一级对过冲信号进行了钳位，不会对本级电路造成冲击，减小了本级电路因饱和造成的恢复时间长、无法对有用信号进行放大的难题。
在第1级宽带程控放大电路后加上具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路，一方面对第1级宽带程控放大电路输出的有效信号进行固定放大，并进行宽带滤波，另一方面对冲击产生的截顶信号进行钳位输出。
第2级宽带程控放大电路可及时对前一级具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路输出的有用信号进行程控放大，且由于前一级对过冲信号进行了钳位，不会对本级电路造成冲击，减小了本级电路因饱和造成的恢复时间长、无法对有用信号进行放大的难题。
第2级宽带程控放大电路输出的信号也是根据激励信号频率从窄带滤波及钳位输出电路1、2、3中选择一个通道进行窄带滤波，在滤除噪声的同时对过冲信号进行钳位，减小冲击对后续电路的影响。
单端/差分转换电路主要将前级放大、滤波及钳位处理后的单端信号转换为差分信号，以供A/D转换器进行模/数转换；FPGA控制A/D转换电路对差分模拟信号进行采集，并将采集的数据点进行存储、传输至通讯接口，供上位机或嵌入式处理器等进行读取、显示。
上述的具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，程控增益电路包括双路DA转换电路和直流放大电路1、2，FPGA的输出连接双路DA转换电路，双路DA转换电路的输出分别连接直流放大电路1、2，直流放大电路1、2的输出分别连接第1级宽带程控放大电路、第2级宽带程控放大电路的增益控制端口。
上述的具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，限幅电路和具有窄带前放功能的输出钳位电路1的电路结构为：
二极管D1、二极管D2反向并联在输入信号IN和地之间作为限幅电路。限幅后的信号传输至电容C1的一端，也即为具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输入端，经电容C1交流耦合至电阻R1的一端，电阻R1的另一端接运算放大器U1的负极输入端2和电阻R3的一端，电阻R3的另一端接运算放大器U1的输出端6和电容C2的一端，电容C2的另一端作为前置放大输出端口PRE1。电阻R2跨接在运算放大器U1的正极输入端3和地之间。运算放大器U1的正电源端口7接程控开关电路1中第1路可控正电源VCC11，运算放大器U1的负电源端口4接程控开关电路1中第1路可控负电源VCC21，为该运算放大器U1提供电源。
电阻R4一端接前置放大输出端口PRE1，电阻R4的另一端与电阻R5、电容C3和电阻R6的一端同时相连，电阻R5的另一端接地，电容C3的另一端接钳位运算放大器U2的输出端口6，作为具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输出端口PRE_OUT，电阻R6的另一端接电容C4的一端，电容C4的另一端接电容C5、电阻R8、电容C6的一端，电容C5的另一端接地，电阻R8的另一端接钳位运算放大器U2的输出端口6，电容C6的另一端接电阻R7的一端和钳位运算放大器U2的正输入端口3，电阻R7的另一端接地，电阻R9的一端接地，另一端接钳位运算放大器U2的负输入端口2和电阻R10的一端，电阻R10的另一端接钳位运算放大器U2的输出端口6；电阻R11和电阻R12构成串联分压方式，电阻R11一端接程控开关电路1中第1路可控正电源VCC11，另一端接钳位运算放大器U2的正电压钳位端口8和电阻R12的一端，电阻R12的另一端接地；电阻R14和电阻R13构成串联分压方式，电阻R13一端接程控开关电路1中第1路可控负电源VCC21，另一端接钳位运算放大器U2的负电压钳位端口5和电阻R14的一端，电阻R14的另一端接地；钳位运算放大器U2的正电源端口7接程控开关电路1中第1路可控正电源VCC11，钳位运算放大器U2的负电源端口4接程控开关电路1中第1路可控负电源VCC21。
具有窄带前放功能的输出钳位电路2、3和具有窄带前放功能的输出钳位电路1采用相同电路结构及接线方式，只是电容值和电阻值不同；具有窄带前放功能的输出钳位电路2、3的输入端口与具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输入端连接；具有窄带前放功能的输出钳位电路2、3的输出端口与具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输出端连接。另外，具有窄带前放功能的输出钳位电路2中正电源、负电源分别接程控开关电路1中第2路可控正电源VCC12、程控开关电路1中第2路可控负电源VCC22；具有窄带前放功能的输出钳位电路3中正电源、负电源分别接程控开关电路1中第3路可控正电源VCC13、程控开关电路1中第3路可控负电源VCC23。
程控开关电路1包括三组开关电路，每组开关电路都包括正电源电路和负电源电路，正电源电路包括P沟道增强型场效应管，P沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，源极连接正电源VCCQ+，负电源电路包括N沟道增强型场效应管，N沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，漏极连接负电源VCCQ-；第一组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF1, 第一组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M1的漏极输出可控正电源VCC11, 第一组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M4的源极输出可控负电源VCC21，第二组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF2，第二组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M2的漏极输出可控正电源VCC12, 第二组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M5的源极输出可控负电源VCC22，第三组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF3，第三组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M3的漏极输出可控正电源VCC13, 第三组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M6的源极输出可控负电源VCC23；程控开关电路1中的第一组开关电路为具有窄带前放功能的输出钳位电路1提供可控正电源VCC11（即第1路可控正电源）、可控负电源VCC21（即第1路可控负电源），程控开关电路1中的第二组开关电路为具有窄带前放功能的输出钳位电路2提供可控正电源VCC12（即第2路可控正电源）、可控负电源VCC22即（第2路可控负电源），程控开关电路1中的第三组开关电路为具有窄带前放功能的输出钳位电路3提供可控正电源VCC13（即第3路可控正电源）、可控负电源VCC23即（第3路可控负电源）。
上述的具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，第1级宽带程控放大电路、具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路和第2级宽带程控放大电路的电路结构为：
电容C26的一端接PRE_OUT，电容C26的另一端接程控放大芯片U3的前置放大电路输入端口PAI，程控放大芯片U3的前置放大电路的反馈端口FBK接其输出端口PAO及隔离电容C7的一端，隔离电容C7的另一端接程控放大芯片U3的正输入端DSX+，程控放大芯片U3的负输入端DSX-经电容C8接地，程控放大芯片U3的输出端OUT与电容C10的一端连接，电容C10的另一端作为第1级宽带程控放大电路的输出端；程控放大芯片U3的参考电压输入端口VREF接参考电压，程控放大芯片U3的增益控制端口VGN接增益控制电压AGC1，程控放大芯片U3的正电源端口V+接正电源VCC1，程控放大芯片U3的负电源端口V-接负电源VCC2，程控放大芯片U3的端口VOCM经电容C9接地；
电阻R15的一端接第1级宽带程控放大电路的输出端，另一端分别与电阻R16、电容C11、电阻R17的一端相连，电阻R16的另一端接地，电容C11的另一端接钳位运算放大器U4的输出端口6，钳位运算放大器U4的输出端口6作为具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路的输出端，电阻R17的另一端接电容C12的一端，电容C12的另一端接电容C13、电阻R19、电容C14的一端，电容C13的另一端接地，电阻R19的另一端接钳位运算放大器U4的输出端口6，电容C14的另一端接电阻R18的一端和钳位运算放大器U4的正输入端口3，电阻R18的另一端接地，电阻R20的一端接地,另一端接钳位运算放大器U4的负输入端口2和电阻R21的一端，电阻R21的另一端接钳位运算放大器U4的输出端口6；
电阻R22和电阻R23构成串联分压方式，电阻R22一端接正电源VCC1，另一端接钳位运算放大器U4的正电压钳位端口8和电阻R23的一端，电阻R23的另一端接地；电阻R24和电阻R25构成串联分压方式，电阻R24一端接负电源VCC2，另一端接钳位运算放大器U4的负电压钳位端口5和电阻R25的一端，电阻R25的另一端接地，钳位运算放大器U4的正电源端口7接正电源VCC1，钳位运算放大器U4的负电源端口4接负电源VCC2；
电容C27的一端接具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路的输出端，另一端接程控放大芯片U5的前置放大电路输入端口PAI，程控放大芯片U5的前置放大电路的反馈端口FBK接其输出端口PAO及隔离电容C15的一端，隔离电容C15的另一端接程控放大芯片U5的正输入端DSX+，程控放大芯片U5的负输入端DSX-经电容C16接地，程控放大芯片U5的输出端OUT接电容C17的一端，电容C17的另一端作为第2级宽带程控放大电路的输出端AGC_OUT；程控放大芯片U5的参考电压输入端口VREF接参考电压，程控放大芯片U5的增益控制端口VGN接增益控制电压AGC2，程控放大芯片U5的正电源端口V+接正电源VCC1，程控放大芯片U5的负电源端口V-接负电源VCC2，程控放大芯片U5的端口VOCM经电容C18接地。
上述的具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，窄带滤波及钳位输出电路1的电路结构为：电阻R26的一端接AGC_OUT，另一端分别与电阻R27、电容C19和电阻R28的一端相连，电阻R27的另一端接地，电容C19的另一端接钳位运算放大器U6的输出端口6，电阻R28的另一端接电容C20的一端，电容C20的另一端接电容C21、电阻R30、电容C22的一端，电容C21的另一端接地，电阻R30的另一端接钳位运算放大器U6的输出端口6，电容C22的另一端接电阻R29的一端和钳位运算放大器U6的正输入端口3，电阻R29的另一端接地，电阻R31的一端接地，另一端接钳位运算放大器U6的负输入端口2和电阻R32的一端，电阻R32的另一端接钳位运算放大器U6的输出端口6；
电阻R37的一端接钳位运算放大器U6的输出端口6，另一端接电容C23、电阻R41、电容C24的一端，电容C23的另一端接地，电阻R41的另一端接钳位运算放大器U7的输出端口6，电容C24的另一端接电阻R38的一端和钳位运算放大器U7的正输入端3，电阻R38的另一端接地，电阻R39的一端接地，另一端接钳位运算放大器U7的负输入端2和电阻R40的一端，电阻R40的另一端接钳位运算放大器U7的输出端口6，电容C25的一端接钳位运算放大器U7的输出端口，另一端作为窄带滤波及钳位输出电路1的输出OUT；
电阻R33和电阻R34构成串联分压方式，电阻R33一端接程控开关电路2中第1路可控正电源VCC14，另一端接钳位运算放大器U6的正电压钳位端口8和电阻R34的一端，电阻R34的另一端接地；电阻R35和电阻R36构成串联分压方式，电阻R35一端接程控开关电路2中第1路可控负电源VCC24，另一端接钳位运算放大器U6的负电压钳位端口5和电阻R36的一端，电阻R36的另一端接地；钳位运算放大器U6的正电源端口7接程控开关电路2中第1路可控正电源VCC14，钳位运算放大器U6的负电源端口4接程控开关电路2中第1路可控负电源VCC24；
电阻R42和电阻R43构成串联分压方式，电阻R42一端接程控开关电路2中第1路可控正电源VCC14，另一端接钳位运算放大器U7的正电压钳位端口8和电阻R43的一端，电阻R43的另一端接地；电阻R44和电阻R45构成串联分压方式，电阻R44一端接程控开关电路2中第1路可控负电源VCC24，另一端接钳位运算放大器U7的负电压钳位端口5和电阻R45的一端，电阻R45的另一端接地；钳位运算放大器U7的正电源端口7接程控开关电路2中第1路可控正电源VCC14，钳位运算放大器U7的负电源端口4接程控开关电路2中第1路可控负电源VCC24；
具有窄带滤波及钳位输出电路2、3和具有窄带滤波及钳位输出电路1采用相同的电路结构及接线方式，只是电容值和电阻值不同；窄带滤波及钳位输出电路2、3的输入端口与窄带滤波及钳位输出电路1的输入端AGC_OUT连接；窄带滤波及钳位输出电路2、3的输出端口与窄带滤波及钳位输出电路1的输出端OUT连接。另外，窄带滤波及钳位输出电路2中正电源、负电源分别接程控开关电路2中第2路可控正电源VCC15、程控开关电路2中第2路可控负电源VCC25；窄带滤波及钳位输出电路3中正电源、负电源分别接程控开关电路2中第3路可控正电源VCC16、程控开关电路2中第3路可控负电源VCC26。
程控开关电路2都包括三组开关电路，每组开关电路都包括正电源电路和负电源电路，正电源电路包括P沟道增强型场效应管，P沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，源极连接正电源VCCH+，负电源电路包括N沟道增强型场效应管，N沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，漏极连接负电源VCCH-。第一组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF1, 第一组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M7的漏极输出可控正电源VCC14, 第一组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M8的源极输出可控负电源VCC24， 第二组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF2，第二组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M9的漏极输出可控正电源VCC15, 第二组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M10的源极输出可控负电源VCC25，第三组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF3，第三组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M11的漏极输出可控正电源VCC16, 第三组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M12的源极输出可控负电源VCC26。程控开关电路2中的第一组开关电路为窄带滤波及钳位输出电路1提供可控正电源VCC14（即第1路可控正电源）、可控负电源VCC24（即第1路可控负电源），程控开关电路2中的第二组开关电路为窄带滤波及钳位输出电路2提供可控正电源VCC15（即第2路可控正电源）、可控负电源VCC25（即第2路可控负电源），程控开关电路2中的第三组开关电路为窄带滤波及钳位输出电路3提供可控正电源VCC16（即第3路可控正电源）、可控负电源VCC26（即第3路可控负电源）。
为克服现有技术难以对程控放大电路进行钳位的难题，本发明采用钳位运放电路对各程控放大电路的输入、输出信号均进行钳位，以保证程控放大电路在大过冲的前提下，能快速恢复至有效工作状态，保障大过冲情况下程控放大电路的正常运行。所述的钳位电路+程控放大+钳位电路方式，可将电压钳位在程控运放输入端的安全范围内，极大地缩短其恢复时间，在保证宽带、低噪声放大的同时，快速恢复至安全模式。
为减小空气耦合扫查装置电机、驱动器、控制器等强电部分对微弱信号接收电路的干扰，最有效的方式是包含多个窄带滤波电路，否则，在扫查信号很容易被强电系统干扰。采用控制电源通断的方式实现不同带宽窄带滤波电路的选择，以减小外界噪声的干扰，提高检测信号的信噪比。
同时，采用控制电源通断的方式实现不同带宽窄带滤波电路的选择，相较于常规采用电子开关切换通道的方式，在选择某个通道时，其它通道掉电，这样可以减少器件工作带来的电子噪声，提高整个电路的信噪比，同时能更能省电，适用于空气耦合超声的长时间扫查检测。
附图说明
图1为空气耦合超声接收信号处理电路整体框图。
图2为限幅及具有窄带前放功能的输出钳位电路1的前置放大器电路图。
图3为具有窄带放大滤波功能的输出钳位电路1的放大和滤波与输出钳位电路图。
图4为第1级宽带程控放大电路及具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路与第2级宽带程控放大电路图。
图5为窄带滤波及钳位输出电路1的电路图。
图6为程控开关电路1的电路图。
图7为程控开关电路2的电路图。
图8为复合材料检测空气耦合超声换能器接收信号处理结果图。
图9为千伏级高压冲击下电磁超声的自激自收测试结果图。
具体实施方式
本发明所述的具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，包括：限幅电路，具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3，第1级宽带程控放大电路，具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路，第2级宽带程控放大电路，窄带滤波及钳位输出电路1、2、3，单端/差分转换电路，A/D转换电路，FPGA，通讯接口电路，程控开关电路1，电源V1，程控开关电路2，电源V2，程控增益电路，程控增益电路包括双路DA转换电路和直流放大电路1、2。空气耦合超声接收换能器的输出和限幅电路的输入端连接，限幅电路的输出端同时和具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的输入端连接，具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的输出端都和第1级宽带程控放大电路的输入端连接，第1级宽带程控放大电路的输出端和具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路的输入端连接，具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路输出端和第2级宽带程控放大电路的输入端连接，第2级宽带程控放大电路的输出端和窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的输入端同时连接，窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的输出端同时和单端/差分转换电路的输入端连接，单端/差分转换电路的输出端和A/D转换电路连接，A/D转换电路的输出端和FPGA连接，FPGA还和通讯接口电路、程控开关电路1、程控开关电路2和程控增益电路连接。另外，程控增益电路的两个电压输出端口分别和第1级宽带程控放大电路、第2级宽带程控放大电路的增益控制端口连接；程控开关电路1的3个可控正电压、3个可控负电压输出端分别和具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的正电源端口、负电源端口连接，程控开关电路2的3个可控正电压、3个可控负电压输出端分别和窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的正电源端口、负电源端口连接。
空气耦合超声接收换能器接收经待检复合材料中透射出的微弱超声信号，及从空气耦合超声发射换能器发射经空气中直接传播至空气耦合超声接收换能器的直达波，或自激自收模式下激励电路发射的数十～数百伏高压驱动脉冲。从而空气耦合超声接收换能器接收的信号中既包含uV级～几百uV级的微弱信号，又包含幅值较大的冲击信号。
从而空气耦合超声接收换能器输出的信号需要先进行限幅，以免对后续电路造成过冲或甚至烧毁后续电路。限幅后的信号根据激励信号频率从具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3中选择一个通道对有用信号进行增益为20dB的固定前置放大和窄带滤波，并对冲击信号进行±100mV的输出钳位，以减小冲击信号对后续第1级宽带程控放大电路的影响。
具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的选择方法如下：当接收信号中心频率为20kHz～1MHz范围内时，通过程控开关电路1给具有窄带前放功能的输出钳位电路1供电，而给其它两路断电；当接收信号中心频率为1MHz～3MHz范围内时，通过程控开关电路1给具有窄带前放功能的输出钳位电路2供电，而给其它两路断电；当接收信号中心频率为3MHz～10MHz范围内时，通过程控开关电路1给具有窄带前放功能的输出钳位电路3供电，而给其它两路断电。这样即可保整对噪声信号的滤波效果，还能减小放大电路本身产生的噪声，同时还能节省功耗和发热，便于进行长时间扫查检测。
第1级宽带程控放大电路可对有用信号进行0-40dB的程控放大，但对前级将过冲钳位至±100mV的信号进行放大时，会产生±4.5V的截顶输出信号，该截顶信号直接输出至第2级宽带程控放大电路显然会超出其安全范围、且会导致其饱和。因此，在第1级宽带程控放大电路后级加上具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路，一方面对第1级宽带程控放大电路输出的有效信号进行4倍固定放大，并进行20kHz～10MHz之间的宽带滤波，另一方面对冲击产生的±4.5V截顶信号进行±200mV的输出钳位输出。第一级程控放大后，被具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路钳位至±200mV以下，优于二极管钳位电路的±600mV，可有效减小恢复时间，减小最小检测距离，即检测盲区。
由于前一级具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路将过冲钳位至±200mV，第2级宽带程控放大电路即使在过冲下也不会产生饱和，可及时对有用信号进行0-40dB程控放大。
第2级宽带程控放大电路输出的信号也是根据激励信号频率从窄带滤波及钳位输出电路1、2、3中选择一个通道进行窄带滤波，在滤除噪声的同时对过冲信号进行钳位至±1V（AD有效量程）以下，减小冲击对后续电路的影响。
窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的选择方法如下：当接收信号中心频率为20kHz～1MHz范围内时，通过程控开关电路2给窄带滤波及钳位输出电路1供电，而给其它两路断电；当接收信号中心频率为1MHz～3MHz范围内时，通过程控开关电路2给窄带滤波及钳位输出电路2供电，而给其它两路断电；当接收信号中心频率为3MHz～10MHz范围内时，通过程控开关电路2给窄带滤波及钳位输出电路3供电，而给其它两路断电。这样即可保整对噪声信号的滤波效果，还能检测电路本身产生的噪声，同时还能节省功耗和发热，便于长时间扫查检测。
单端/差分转换电路主要将前级放大、滤波及钳位处理后的单端信号转换为差分信号，以供A/D转换器进行模/数转换；
FPGA控制A/D转换电路对差分模拟信号进行采集，并将采集的数据点进行存储、传输至通讯接口，供上位机或嵌入式处理器等进行读取、显示。
限幅电路将空气耦合超声接收换能器的接收信号钳位在±600mV，该钳位电路可使得微弱接收信号不失真通过，但将高压冲击信号钳位至±600mV。由于运算放大器压摆率高、恢复速度快，即使在±600mV输入时，在固定增益放大后达到±2V输出时，也不会产生饱和，可立即对后续有用信号进行有效放大。其具体实现电路为：
图2和图3中，二极管D1、二极管D2反向并联在输入信号IN和地之间作为限幅电路，限幅后的信号传输至电容C1的一端，也即为具有窄带放大滤波功能的输出钳位电路1的输入端，具有窄带放大滤波功能的输出钳位电路1、2和3的电路结构相同，但电路中阻值和容值不同，三个电路的带通滤波带宽分别为20kHz～1MHz、1MHz～3MHz、3Hz～10MHz三个档位，每个档位的放大增益均为20dB。另外，为了防止对后续第1级宽带程控放大电路的冲击，对输出电压进行钳位，将高压信号都钳制在±100mV范围内，在第1级程控放大电路的安全输入范围内，不会产生较大过冲，导致难以快速恢复。具体实现电路如下：
限幅后的信号经电容C1交流耦合至电阻R1的一端，电阻R1的另一端接运算放大器U1(AD8055)的负极输入端2和电阻R3的一端，电阻R3的另一端接运算放大器U1的输出端6和电容C2的一端，电容C2的另一端作为前置放大输出端口PRE1。电阻R2跨接在运算放大器U1的正极输入端3和地之间。运算放大器U1的正电源端口7接程控开关电路1中第1路可控正电源输出端VCC11，运算放大器U1的负电源端口4接程控开关电路1中第1路可控负电源输出端VCC12。电阻R4一端接前置放大输出端口PRE1，电阻R4的另一端分别与电阻R5、电容C3和电阻R6的一端相连，电阻R5的另一端接地，电容C3的另一端接钳位运算放大器U2（CLC502）的输出端口6，钳位运算放大器U2的输出端口6同时作为具有窄带放大滤波功能的输出钳位电路1的输出端口PRE_OUT，电阻R6的另一端接电容C4的一端，电容C4的另一端接电容C5、电阻R8、电容C6的一端，电容C5的另一端接地，电阻R8的另一端接钳位运算放大器U2的输出端口6，电容C6的另一端接电阻R7的一端和钳位运算放大器U2的正输入端口3，电阻R7的另一端接地，电阻R9的一端接地，另一端接钳位运算放大器U2的负输入端口2和电阻R10的一端，电阻R10的另一端接钳位运算放大器U2的输出端口6。该部分主要实现对有用输入信号的固定增益放大、带通滤波及输出钳位的功能。
电阻R11和电阻R12构成串联分压方式，为钳位运算放大器U2的正钳位电压输入端口8提供+100mV的电压，用于将钳位运算放大器U2输出端正电压钳位在+100mV以内。具体连接方式为：电阻R11一端接程控开关电路1中第1路可控正电源VCC11，另一端接钳位运算放大器U2的正电压钳位端口8和电阻R12的一端，电阻R12的另一端接地。电阻R14和电阻R13构成串联分压方式，为钳位运算放大器U2的负钳位电压输入端口5提供-100mV的电压，用于将U2输出端负电压钳位在-100mV以内。具体连接方式为,电阻R13一端接程控开关电路1中第1路可控负电源VCC21，另一端接钳位运算放大器U2的负电压钳位端口5和电阻R14的一端，电阻R14的另一端接地。钳位运算放大器U2的正电源端口7接程控开关电路1中第1路可控正电源VCC11，钳位运算放大器U2的负电源端口4接程控开关电路1中第1路可控负电源VCC21。
具有窄带前放功能的输出钳位电路2、3的输入端口与具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输入端连接；具有窄带前放功能的输出钳位电路2、3的输出端口与具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输出端连接。另外，具有窄带前放功能的输出钳位电路2中正电源、负电源分别接程控开关电路1中第2路可控正电源VCC12、程控开关电路1中第2路可控负电源VCC22；具有窄带前放功能的输出钳位电路3中正电源、负电源分别接程控开关电路1中第3路可控正电源VCC13、程控开关电路1中第3路可控负电源VCC23。
图4中包括第1级宽带程控放大电路、具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路、第2级宽带程控放大电路。
图4中，电容C26的一端接PRE_OUT，另一端接程控放大芯片U3的前置放大电路输入端口PAI，程控放大芯片U3(AD604)的前置放大电路的反馈端口FBK接其输出端口PAO及隔离电容C7的一端，隔离电容C7的另一端接程控放大芯片U3的正输入端DSX+，程控放大芯片U3的负输入端DSX-经电容C8接地，程控放大芯片U3的输出端OUT经电容C10接具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路。
程控放大芯片U3的参考电压输入端口VREF接2.5V的参考电压，将其增益设置为20dB/V。程控放大芯片U3的增益控制端口VGN接增益控制电压AGC1，通过程控增益电路设置增益控制电压在0.5V-2.25V，通过AGC1端口输入的增益电压设置程控放大芯片U3的放大倍数为5-40dB。程控放大芯片U3的正电源端口V+接正电源VCC1，程控放大芯片U3的负电源端口V-接负电源VCC2。程控放大芯片U3的端口VOCM经电容C9接地。
电容C10的另一端作为第1级宽带程控放大电路的输出端，接具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路的输入端。电容C10隔离第1级宽带程控放大电路和具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路之间的直流偏置，避免直流偏置点的漂移。电阻R15的一端接第1级宽带程控放大电路的输出端，作为具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路的输入端，另一端分别与电阻R16、电容C11、和电阻R17的一端相连，电阻R16的另一端接地，电容C11的另一端接钳位运算放大器U4的输出端口6，钳位运算放大器U4（CLC502）的输出端口6作为具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路的输出端，电阻R17的另一端接电容C12的一端，电容C12的另一端接电容C13、电阻R19、电容C14的一端，电容C13的另一端接地，电阻R19的另一端接钳位运算放大器U4的输出端口6，电容C14的另一端接电阻R18的一端和钳位运算放大器U4的正输入端口3，电阻R18的另一端接地，电阻R20的一端接地,另一端接钳位运算放大器U4的负输入端口2和电阻R21的一端，电阻R21的另一端接钳位运算放大器U4的输出端口6。该部分主要实现对输入信号的10dB固定增益放大及20kHz～10MHz宽带带通滤波功能。
电阻R22和电阻R23构成串联分压方式，为钳位运算放大器U4的正钳位电压输入端口8提供+200mV的电压，用于将钳位运算放大器U4输出端正电压钳位在+200mV以内。具体连接方式为, 电阻R22一端接正电源VCC1，另一端接钳位运算放大器U4的正电压钳位端口8和电阻R23的一端，电阻R23的另一端接地。电阻R24和电阻R25构成串联分压方式，为钳位运算放大器U4的负钳位电压输入端口5提供-200mV的电压，用于将钳位运算放大器U4输出端负电压钳位在-200mV以内。具体连接方式为，电阻R24一端接负电源VCC2，另一端接钳位运算放大器U4的负电压钳位端口5和电阻R25的一端，电阻R25的另一端接地。钳位运算放大器U4的正电源端口7接正电源VCC1，钳位运算放大器U4的负电源端口4接负电源VCC2。
图4中，电容C27的一端接具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路的输出端，作为第2级宽带程控放大电路的输入端，另一端接程控放大芯片U5(AD604)的前置放大电路输入端口PAI，程控放大芯片U5的前置放大电路的反馈端口FBK接其输出端口PAO及隔离电容C15的一端，隔离电容C15的另一端接程控放大芯片U5的正输入端DSX+，程控放大芯片U5的负输入端DSX-经电容C16接地，程控放大芯片U5的输出端OUT接电容C17的一端，电容C17的另一端作为第2级宽带程控放大电路的输出端AGC_OUT。
程控放大芯片U5的参考电压输入端口VREF接2.5V的参考电压，将其增益设置为20dB/V。程控放大芯片U5的增益控制端口VGN接增益控制电压AGC2，通过程控电路设置增益控制电压0.5V-2.25V，通过AGC2端口输入的增压电压设置程控放大芯片U5的放大倍数为5-40dB。程控放大芯片U5的正电源端口V+接正电源VCC1，程控放大芯片U5的负电源端口V-接负电源VCC2。程控放大芯片U5的端口VOCM经电容C18接地。
窄带滤波及钳位输出电路主要实现对前级放大后的有用信号进行窄带三阶带通滤波功能，窄带滤波及钳位输出电路1、2、3电路结构相同，但电路中阻值和容值不同,三个电路三阶带通滤波带宽分别为20kHz～1MHz、1MHz～3MHz、3Hz～10MHz三个档位，另外，为了防止对后续电路的冲击，对输出电压进行钳位，将高压信号都钳制在±1V范围内，即A/D转换器的有效量程范围内，不会产生过冲。
图5中，电阻R26的一端接AGC_OUT，作为具有窄带滤波功能的输出钳位电路1的输入端，电阻R26的另一端分别与电阻R27、电容C19和电阻R28的一端相连，电阻R27的另一端接地，电容C19的另一端接钳位运算放大器U6的输出端口6，电阻R28的另一端接电容C20的一端，电容C20的另一端接电容C21、电阻R30、电容C22的一端，电容C21的另一端接地，电阻R30的另一端接钳位运算放大器U6的输出端口6，电容C22的另一端接电阻R29的一端和钳位运算放大器U6的正输入端口3，电阻R29的另一端接地，电阻R31的一端接地，另一端接钳位运算放大器U6的负输入端口2和电阻R32的一端，电阻R32的另一端接钳位运算放大器U6的输出端口6。
电阻R37的一端接钳位运算放大器U6的输出端口，另一端接电容C23、电阻R41、电容C24的一端，电容C23的另一端接地，电阻R41的另一端接钳位运算放大器U7的输出端口6，电容C24的另一端接电阻R38的一端和钳位运算放大器U7的正输入端3，电阻R38的另一端接地。电阻R39的一端接地，另一端接钳位运算放大器U7的负输入端2和电阻R40的一端，电阻R40的另一端接钳位运算放大器U7的输出端口6，电容C25的一端接钳位运算放大器U7的输出端口，另一端作为窄带滤波及钳位输出电路1输出OUT。该部分主要实现对前级放大信号的固定增益放大与带通滤波，及对过冲信号的钳位功能。
电阻R33和电阻R34构成串联分压方式，为钳位运算放大器U6的正钳位电压输入端口8提供+1V的电压，用于将钳位运算放大器U6（CLC502）输出端正电压钳位在+1V以内。具体连接方式为, 电阻R33一端接程控开关电路2中第1路可控正电源VCC14，另一端接钳位运算放大器U6的正电压钳位端口8和电阻R34的一端，电阻R34的另一端接地。电阻R35和电阻R36构成串联分压方式，为钳位运算放大器U6的负钳位电压输入端口5提供-1V的电压，用于将钳位运算放大器U6输出端负电压钳位在-1V以内。具体连接方式为, 电阻R35一端接负接程控开关电路2中第1路可控负电源VCC24，另一端接钳位运算放大器U6的负电压钳位端口5和电阻R36的一端，电阻R36的另一端接地。钳位运算放大器U6的正电源端口7接程控开关电路2中第1路可控正电源VCC14，钳位运算放大器U6的负电源端口4接程控开关电路2中第1路可控负电源VCC24。
电阻R42和电阻R43构成串联分压方式，为钳位运算放大器U7（CLC502）的正钳位电压输入端口8提供+1V的电压，用于将钳位运算放大器U7输出端正电压钳位在+1V以内。具体连接方式为, 电阻R42一端接程控开关电路2中第1路可控正电源VCC14，另一端接钳位运算放大器U7的正电压钳位端口8和电阻R43的一端，电阻R43的另一端接地。电阻R44和电阻R45构成串联分压方式，为钳位运算放大器U7的负钳位电压输入端口5提供-1V的电压，用于将钳位运算放大器U7输出端负电压钳位在-1V以内。具体连接方式为, 电阻R44一端接程控开关电路2中第1路可控负电源VCC24，另一端接钳位运算放大器U7的负电压钳位端口5和电阻R45的一端，电阻R45的另一端接地。钳位运算放大器U7的正电源端口7接程控开关电路2中第1路可控正电源VCC14，钳位运算放大器U7的负电源端口4接程控开关电路2中第1路可控负电源VCC24。
窄带滤波及钳位输出电路2、3的输入端口与窄带滤波及钳位输出电路1的输入端AGC_OUT连接；窄带滤波及钳位输出电路2、3的输出端口与窄带滤波及钳位输出电路1的输出端OUT连接。另外，窄带滤波及钳位输出电路2中正电源、负电源分别接程控开关电路2中第2路可控正电源VCC15、程控开关电路2中第2路可控负电源VCC25；窄带滤波及钳位输出电路3中正电源、负电源分别接程控开关电路2中第3路可控正电源VCC16、程控开关电路2中第3路可控负电源VCC26。
程控开关电路可根据需要选择合适的通道，同时只为其中一路提供+、-5V的电源，而其它两路不供电，达到节省功耗、减小干扰的目的。
程控开关电路1包括三组开关电路，每组开关电路都包括正电源电路和负电源电路，正电源电路包括P沟道增强型场效应管，P沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，源极连接正电源VCCQ+，负电源电路包括N沟道增强型场效应管，N沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，漏极连接负电源VCCQ-；第一组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF1, 第一组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M1的漏极输出可控正电源VCC11, 第一组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M4的源极输出可控负电源VCC21， 第二组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF2，第二组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M2的漏极输出可控正电源VCC12, 第二组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M5的源极输出可控负电源VCC22，第三组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF3，第三组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M3的漏极输出可控正电源VCC13, 第三组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M6的源极输出可控负电源VCC23；程控开关电路1中的第一组开关电路为具有窄带前放功能的输出钳位电路1提供可控正电源VCC11（即第1路可控正电源）、可控负电源VCC21（即第1路可控负电源），程控开关电路1中的第二组开关电路为具有窄带前放功能的输出钳位电路2提供可控正电源VCC12（即第2路可控正电源）、可控负电源VCC22（即第2路可控负电源），程控开关电路1中的第三组开关电路为具有窄带前放功能的输出钳位电路3提供可控正电源VCC13（即第3路可控正电源）、可控负电源VCC23（即第3路可控负电源）。
程控开关电路2都包括三组开关电路，每组开关电路都包括正电源电路和负电源电路，正电源电路包括P沟道增强型场效应管，P沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，源极连接正电源VCCH+，负电源电路包括N沟道增强型场效应管，N沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，漏极连接负电源VCCH-；第一组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF1, 第一组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M7的漏极输出可控正电源VCC14, 第一组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M8的源极输出可控负电源VCC24， 第二组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF2，第二组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M9的漏极输出可控正电源VCC15, 第二组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M10的源极输出可控负电源VCC25，第三组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF3，第三组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M11的漏极输出可控正电源VCC16, 第三组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M12的源极输出可控负电源VCC26，程控开关电路2中的第一组开关电路为窄带滤波及钳位输出电路1提供可控正电源VCC14（即第1路可控正电源）、可控负电源VCC24（即第1路可控负电源），程控开关电路2中的第二组开关电路为窄带滤波及钳位输出电路2提供可控正电源VCC15（即第2路可控正电源）、可控负电源VCC25（即第2路可控负电源），程控开关电路2中的第三组开关电路为窄带滤波及钳位输出电路3提供可控正电源VCC16（即第3路可控正电源）、可控负电源VCC26（即第3路可控负电源）。
当REF1为高电平、REF2和REF3为低电平时，程控开关电路1的VCC11、VCC21分别提供+、-5V的电源，程控开关电路2的VCC14、VCC24分别提供+、-5V的电源，其它两路电源关闭；当REF2为高电平、REF1和REF3为低电平时，程控开关电路1的VCC12、VCC22分别提供+、-5V的电源，程控开关电路2的VCC15、VCC25分别提供+、-5V的电源，其它两路电源关闭；当REF3为高电平、REF1和REF2为低电平时，程控开关电路1的VCC13、VCC23分别提供+、-5V的电源，程控开关电路2的VCC16、VCC26分别提供+、-5V的电源，其它两路电源关闭。这样可为窄带滤波器选择三个不同的档位。
对3mm厚的碳纤维复合材料板进行透射检测实验，首先将空气耦合超声发射换能器与空气耦合超声接收换能器分别放置在复合材料板的两侧，使二者的轴线重合，调整二者间距到110mm距离。采用激励电压200V、频率为200kHz的5周期脉冲波激励空气耦合超声发射换能器，采用本发明的增益可调宽带接收处理电路进行100dB放大倍数的接收，检测结果如下图8。从图8中可以看出，本发明的增益可调宽带接收处理电路能对空气耦合超声接收换能器的接收信号进行有效处理。
在采用1200V高压激励电磁超声换能器，以自激自收模式进行接收，不带钳位功能的常规接收电路的恢复时间为24.5us，而采用本发明的增益可调宽带接收处理电路进行接收，即使在千伏级高压冲击下整个电路的恢复时间可减小至3us，极大地减小了整个仪器系统的近场盲区，使得采用常规接收电路无法检测的情况下，采用此电路可完成检测。
Claims (3)
1.具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，其特征在于，包括：限幅电路，具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3，第1级宽带程控放大电路，具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路，第2级宽带程控放大电路，窄带滤波及钳位输出电路1、2、3，单端/差分转换电路，A/D转换电路，FPGA，通讯接口电路，程控开关电路1、2和程控增益电路，限幅电路的输出端同时和具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的输入端连接，具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的输出端都和第1级宽带程控放大电路的输入端连接，第1级宽带程控放大电路的输出端和具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路的输入端连接，具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路输出端和第2级宽带程控放大电路的输入端连接，第2级宽带程控放大电路的输出端和窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的输入端同时连接，窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的输出端同时和单端/差分转换电路的输入端连接，单端/差分转换电路的输出端和A/D转换电路输入端连接，A/D转换电路的输出端和FPGA连接，FPGA还和通讯接口电路、程控开关电路1、程控开关电路2和程控增益电路连接，另外，程控增益电路的两个电压输出端口分别和第1级宽带程控放大电路、第2级宽带程控放大电路的增益控制端口连接；程控开关电路1的3个正电压、3个负电压输出端分别和具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的正电源端口、负电源端口连接，程控开关电路2的3个正电压、3个负电压输出端分别和窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的正电源端口、负电源端口连接；
程控增益电路包括双路DA转换电路和直流放大电路1、2，FPGA的输出连接双路DA转换电路，双路DA转换电路的输出分别连接直流放大电路1、2，直流放大电路1、2的输出分别连接第1级宽带程控放大电路、第2级宽带程控放大电路的增益控制端口；
限幅电路和具有窄带前放功能的输出钳位电路1的电路结构为：
二极管D1、二极管D2反向并联在输入信号IN和地之间作为限幅电路，限幅后的信号传输至电容C1的一端，也即为具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输入端，经电容C1交流耦合至电阻R1的一端，电阻R1的另一端接运算放大器U1的负极输入端2和电阻R3的一端，电阻R3的另一端接运算放大器U1的输出端6和电容C2的一端，电容C2的另一端作为前置放大输出端口PRE1；电阻R2跨接在运算放大器U1的正极输入端3和地之间，运算放大器U1的正电源端口7接程控开关电路1中第1路可控正电源VCC11，运算放大器U1的负电源端口4接程控开关电路1中第1路可控负电源VCC21；
电阻R4一端接前置放大输出端口PRE1，电阻R4的另一端与电阻R5、电容C3和电阻R6的一端同时相连，电阻R5的另一端接地，电容C3的另一端接钳位运算放大器U2的输出端口6，作为具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输出端口PRE_OUT，电阻R6的另一端接电容C4的一端，电容C4的另一端接电容C5、电阻R8、电容C6的一端，电容C5的另一端接地，电阻R8的另一端接钳位运算放大器U2的输出端口6，电容C6的另一端接电阻R7的一端和钳位运算放大器U2的正输入端口3，电阻R7的另一端接地，电阻R9的一端接地，另一端接钳位运算放大器U2的负输入端口2和电阻R10的一端，电阻R10的另一端接钳位运算放大器U2的输出端口6；电阻R11和电阻R12构成串联分压方式，电阻R11一端接程控开关电路1中第1路可控正电源VCC11，另一端接钳位运算放大器U2的正电压钳位端口8和电阻R12的一端，电阻R12的另一端接地；电阻R14和电阻R13构成串联分压方式，电阻R13一端接程控开关电路1中第1路可控负电源VCC21，另一端接钳位运算放大器U2的负电压钳位端口5和电阻R14的一端，电阻R14的另一端接地；钳位运算放大器U2的正电源端口7接程控开关电路1中第1路可控正电源VCC11，钳位运算放大器U2的负电源端口4接程控开关电路1中第1路可控负电源VCC21；
具有窄带前放功能的输出钳位电路2、3和具有窄带前放功能的输出钳位电路1采用相同电路结构及接线方式；具有窄带前放功能的输出钳位电路2、3的输入端口与具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输入端连接；具有窄带前放功能的输出钳位电路2、3的输出端口与具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输出端连接；另外，具有窄带前放功能的输出钳位电路2中正电源、负电源分别接程控开关电路1中第2路可控正电源VCC12、程控开关电路1中第2路可控负电源VCC22；具有窄带前放功能的输出钳位电路3中正电源、负电源分别接程控开关电路1中第3路可控正电源VCC13、程控开关电路1中第3路可控负电源VCC23；
程控开关电路1包括三组开关电路，每组开关电路都包括正电源电路和负电源电路，正电源电路包括P沟道增强型场效应管，P沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，源极连接正电源VCCQ+，负电源电路包括N沟道增强型场效应管，N沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，漏极连接负电源VCCQ-；第一组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF1, 第一组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M1的漏极输出可控正电源VCC11, 第一组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M4的源极输出可控负电源VCC21， 第二组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF2，第二组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M2的漏极输出可控正电源VCC12, 第二组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M5的源极输出可控负电源VCC22，第三组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF3，第三组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M3的漏极输出可控正电源VCC13, 第三组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M6的源极输出可控负电源VCC23；程控开关电路1中的第一组开关电路为具有窄带前放功能的输出钳位电路1提供可控正电源VCC11、可控负电源VCC21，程控开关电路1中的第二组开关电路为具有窄带前放功能的输出钳位电路2提供可控正电源VCC12、可控负电源VCC22，程控开关电路1中的第三组开关电路为具有窄带前放功能的输出钳位电路3提供可控正电源VCC13、可控负电源VCC23。
2.根据权利要求1所述的具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，其特征在于：第1级宽带程控放大电路、具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路和第2级宽带程控放大电路的电路结构为：
电容C26的一端接PRE_OUT，电容C26的另一端接程控放大芯片U3的前置放大电路输入端口PAI，程控放大芯片U3的前置放大电路的反馈端口FBK接其输出端口PAO及隔离电容C7的一端，隔离电容C7的另一端接程控放大芯片U3的正输入端DSX+，程控放大芯片U3的负输入端DSX-经电容C8接地，程控放大芯片U3的输出端OUT与电容C10的一端连接，电容C10的另一端作为第1级宽带程控放大电路的输出端；程控放大芯片U3的参考电压输入端口VREF接参考电压，程控放大芯片U3的增益控制端口VGN接增益控制电压AGC1，程控放大芯片U3的正电源端口V+接正电源VCC1，程控放大芯片U3的负电源端口V-接负电源VCC2，程控放大芯片U3的端口VOCM经电容C9接地；
电阻R15的一端接第1级宽带程控放大电路的输出端，另一端分别与电阻R16、电容C11、电阻R17的一端相连，电阻R16的另一端接地，电容C11的另一端接钳位运算放大器U4的输出端口6，钳位运算放大器U4的输出端口6作为具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路的输出端，电阻R17的另一端接电容C12的一端，电容C12的另一端接电容C13、电阻R19、电容C14的一端，电容C13的另一端接地，电阻R19的另一端接钳位运算放大器U4的输出端口6，电容C14的另一端接电阻R18的一端和钳位运算放大器U4的正输入端口3，电阻R18的另一端接地，电阻R20的一端接地,另一端接钳位运算放大器U4的负输入端口2和电阻R21的一端，电阻R21的另一端接钳位运算放大器U4的输出端口6；
电阻R22和电阻R23构成串联分压方式，电阻R22一端接正电源VCC1，另一端接钳位运算放大器U4的正电压钳位端口8和电阻R23的一端，电阻R23的另一端接地；电阻R24和电阻R25构成串联分压方式，电阻R24一端接负电源VCC2，另一端接钳位运算放大器U4的负电压钳位端口5和电阻R25的一端，电阻R25的另一端接地，钳位运算放大器U4的正电源端口7接正电源VCC1，钳位运算放大器U4的负电源端口4接负电源VCC2；
电容C27的一端接具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路的输出端，另一端接程控放大芯片U5的前置放大电路输入端口PAI，程控放大芯片U5的前置放大电路的反馈端口FBK接其输出端口PAO及隔离电容C15的一端，隔离电容C15的另一端接程控放大芯片U5的正输入端DSX+，程控放大芯片U5的负输入端DSX-经电容C16接地，程控放大芯片U5的输出端OUT经电容C17接后续窄带滤波及钳位输出电路；程控放大芯片U5的参考电压输入端口VREF接参考电压，程控放大芯片U5的增益控制端口VGN接增益控制电压AGC2，程控放大芯片U5的正电源端口V+接正电源VCC1，程控放大芯片U5的负电源端口V-接负电源VCC2，程控放大芯片U5的端口VOCM经电容C18接地。
3.根据权利要求2所述的具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，其特征在于：窄带滤波及钳位输出电路1的电路结构为：电阻R26的一端接AGC_OUT，另一端分别与电阻R27、电容C19和电阻R28的一端相连，电阻R27的另一端接地，电容C19的另一端接钳位运算放大器U6的输出端口6，电阻R28的另一端接电容C20的一端，电容C20的另一端接电容C21、电阻R30、电容C22的一端，电容C21的另一端接地，电阻R30的另一端接钳位运算放大器U6的输出端口6，电容C22的另一端接电阻R29的一端和钳位运算放大器U6的正输入端口3，电阻R29的另一端接地，电阻R31的一端接地，另一端接钳位运算放大器U6的负输入端口2和电阻R32的一端，电阻R32的另一端接钳位运算放大器U6的输出端口6；
电阻R37的一端接钳位运算放大器U6的输出端口6，另一端接电容C23、电阻R41、电容C24的一端，电容C23的另一端接地，电阻R41的另一端接钳位运算放大器U7的输出端口6，电容C24的另一端接电阻R38的一端和钳位运算放大器U7的正输入端3，电阻R38的另一端接地；电阻R39的一端接地，另一端接钳位运算放大器U7的负输入端2和电阻R40的一端，电阻R40的另一端接钳位运算放大器U7的输出端口6，电容C25的一端接钳位运算放大器U7的输出端口，另一端作为窄带滤波及钳位输出电路1的输出OUT；
电阻R33和电阻R34构成串联分压方式，电阻R33一端接程控开关电路2中第1路可控正电源VCC14，另一端接钳位运算放大器U6的正电压钳位端口8和电阻R34的一端，电阻R34的另一端接地；电阻R35和电阻R36构成串联分压方式，电阻R35一端接程控开关电路2中第1路可控负电源VCC24，另一端接钳位运算放大器U6的负电压钳位端口5和电阻R36的一端，电阻R36的另一端接地；钳位运算放大器U6的正电源端口7接程控开关电路2中第1路可控正电源VCC14，钳位运算放大器U6的负电源端口4接程控开关电路2中第1路可控负电源VCC24；
电阻R42和电阻R43构成串联分压方式，电阻R42一端接程控开关电路2中第1路可控正电源VCC14，另一端接钳位运算放大器U7的正电压钳位端口8和电阻R43的一端，电阻R43的另一端接地；电阻R44和电阻R45构成串联分压方式，电阻R44一端接程控开关电路2中第1路可控负电源VCC24，另一端接钳位运算放大器U7的负电压钳位端口5和电阻R45的一端，电阻R45的另一端接地；钳位运算放大器U7的正电源端口7接程控开关电路2中第1路可控正电源VCC14，钳位运算放大器U7的负电源端口4接程控开关电路2中第1路可控负电源VCC24；
具有窄带滤波及钳位输出电路2、3和具有窄带滤波及钳位输出电路1采用相同的电路结构及接线方式；窄带滤波及钳位输出电路2、3的输入端口与窄带滤波及钳位输出电路1的输入端AGC_OUT连接；窄带滤波及钳位输出电路2、3的输出端口与窄带滤波及钳位输出电路1的输出端OUT连接；另外，窄带滤波及钳位输出电路2中正电源、负电源分别接程控开关电路2中第2路可控正电源VCC15、程控开关电路2中第2路可控负电源VCC25；窄带滤波及钳位输出电路3中正电源、负电源分别接程控开关电路2中第3路可控正电源VCC16、程控开关电路2中第3路可控负电源VCC26；
程控开关电路2都包括三组开关电路，每组开关电路都包括正电源电路和负电源电路，正电源电路包括P沟道增强型场效应管，P沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，源极连接正电源VCCH+，负电源电路包括N沟道增强型场效应管，N沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，漏极连接负电源VCCH-；第一组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF1, 第一组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M7的漏极输出可控正电源VCC14, 第一组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M8的源极输出可控负电源VCC24， 第二组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF2，第二组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M9的漏极输出可控正电源VCC15, 第二组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M10的源极输出可控负电源VCC25，第三组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF3，第三组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M11的漏极输出可控正电源VCC16, 第三组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M12的源极输出可控负电源VCC26，程控开关电路2中的第一组开关电路为窄带滤波及钳位输出电路1提供可控正电源VCC14、可控负电源VCC24，程控开关电路2中的第二组开关电路为窄带滤波及钳位输出电路2提供可控正电源VCC15、可控负电源VCC25，程控开关电路2中的第三组开关电路为窄带滤波及钳位输出电路3提供可控正电源VCC16、可控负电源VCC26。
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| CN116800212A (zh) | 2023-09-22 |
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