基于DS89C430的超聲導(dǎo)波激勵信號源的設(shè)計

王軍陣，王建斌，王 帥

（軍械工程學(xué)院 電氣工程系，河北 石家莊 050003）

在應(yīng)用于管道缺陷檢測的眾多無損檢測技術(shù)當(dāng)中，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)與常規(guī)無損檢測方法相比，具有檢測距離長，檢測速度快等突出優(yōu)點[1]。超聲導(dǎo)波在管道中傳播時存在多模態(tài)與頻散特性，若超聲導(dǎo)波所用的激勵源仍采用常規(guī)超聲檢測時寬帶激勵的方法，則在管道中所激發(fā)出的超聲導(dǎo)波，將會發(fā)生頻散，即不同頻率的超聲導(dǎo)波其群速度也不一樣，這樣會使管道中接收到的超聲導(dǎo)波回波信號的幅值微弱，不利于缺陷檢測的分析與處理，頻散嚴(yán)重時可能無法得到缺陷回波信號。通過分析頻散曲線可知，在某一頻率范圍內(nèi)，某一模態(tài)的導(dǎo)波幾乎不發(fā)生頻散，縱向軸對稱導(dǎo)波模態(tài)L（0，2）就是其中的一種，L（0，2）模態(tài)在一定的頻率范圍（40～500 kHz）內(nèi)其傳播速度幾乎保持不變，且傳播速度最快[2]。若采用相應(yīng)頻段內(nèi)的窄帶脈沖作為激勵信號，則可激勵出L（0，2）模態(tài)占主導(dǎo)的超聲導(dǎo)波，這樣可最大限度地避免超聲導(dǎo)波的頻散現(xiàn)象帶來的不利影響。利用高速單片機(jī)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器等設(shè)計了專門用于激勵超聲導(dǎo)波的窄帶激勵信號源，該信號源可實現(xiàn)漢寧（Hanning）窗的寬度可調(diào)，單音頻信號頻率可調(diào)的功能，提供了一種用于激勵超聲導(dǎo)波的激勵信號源的設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行超聲導(dǎo)波管道檢測時，一般選用漢寧窗調(diào)制單音頻的窄帶信號脈沖作為激勵信號源，即選的激勵函數(shù)為

其中，f為單音頻信號頻率，n為漢寧窗調(diào)制的單音頻的周期數(shù)。

根據(jù)超聲導(dǎo)波在管道中的傳播特性，對于不同材料及尺寸的管道，所需的超聲導(dǎo)波窄帶激勵信號的頻率及周期數(shù)不盡相同。利用高速單片機(jī)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成信號發(fā)生器，實現(xiàn)漢寧窗調(diào)制下的單音頻信號的頻率可調(diào)及漢寧窗寬度可調(diào)的功能，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的信號經(jīng)過差動放大、低通濾波等處理后，可產(chǎn)生用于激勵超聲導(dǎo)波的窄帶激勵信號?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中鍵盤與顯示屏分別用于設(shè)置與顯示漢寧窗信號調(diào)制單音頻信號的周期數(shù)、單音頻信號的頻率及漢寧窗脈沖的時間間隔。

圖1 激勵信號源的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of excitation signal source

2 硬件電路設(shè)計

2.1 單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器的接口電路

針對管道超聲導(dǎo)波檢測對激勵信號需求的特點，激勵信號源的單音頻的頻率范圍選定在40～500 kHz之間,根據(jù)采樣定理，激勵信號源信號發(fā)生器的采樣頻率至少要為信號頻率的2倍，為了得到較為平滑的信號波形，并降低后續(xù)濾波電路設(shè)計的難度，這里采樣頻率的取值在10倍的信號頻率以上。普通單片機(jī)由于受到工作頻率的限制，其能產(chǎn)生的單音頻信號的頻率最高也只能達(dá)到100 kHz左右，不能滿足設(shè)計需求。為了使信號發(fā)生器能輸出較高的頻率，選用超高速單片機(jī)DS89C430作為整個電路的控制部分，它是當(dāng)前8051兼容微控制器中性能最高的單片機(jī)之一，在相同的晶振頻率下，執(zhí)行指令的速度是普通的8051微處理器的12倍，工作在33 MHz的最高頻率下，其單指周期僅為30 ns。數(shù)模轉(zhuǎn)換器件選用美國ADI公司推出的AD9708器件，它具有125百萬次/秒的更新速率，8位分辨率，且有較高的信噪比，非常適用于超聲導(dǎo)波激勵信號的生成。采用時鐘頻率為30 MHz的DS89C430控制AD9708作為產(chǎn)生超聲導(dǎo)波激勵信號的信號發(fā)生器，圖2為單片機(jī)DS89C430與AD9708連接的電路圖，AD9708的數(shù)據(jù)線D0～D7均與P1口相連，其時鐘輸入CLOCK與P2.0相連，時序通過軟件實現(xiàn)。

圖2 DS89C430與AD9708的接口電路Fig.2 Interface circuit of DS89C430 with AD9708

2.2 差動放大電路

為了使輸出電壓具有正負(fù)極性，采用把數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9708的兩輸出端IOUTA和IOUTB接到運算放大器LM318組成的差動放大電路的兩輸入端，LM318具有較高的共模抑制比與轉(zhuǎn)換速率。它與AD9708組成的差動放大電路如圖3所示。

圖3 雙極性輸出的差分電路Fig.3 Differential circuit with bipolar output

2.3 濾波電路

由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9708輸出的信號附加有大量的高頻噪聲，進(jìn)行必要的平滑濾波處理后才能得到所需信號，選用由運算放大器LM318及必要的元件組成二階壓控電壓源低通濾波器，如圖4所示，其中，截止頻率放大倍數(shù)為1.5倍，這里的Q值由濾波電路的放大倍數(shù)設(shè)定，其值為2/3。在電路的最后增加了一級電壓跟隨器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖4 二階壓控電壓源濾波電路Fig.4 Second-order filter voltage-controlled voltage source circuit

主程序主要由初始化子程序，顯示子程序，按鍵掃描及相應(yīng)處理程序和波形數(shù)據(jù)點的輸出等組成。系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

在程序設(shè)計過程中，考慮了整個硬件電路的資源情況。如在高頻處由于受單片機(jī)的工作速度的影響，發(fā)送的波形數(shù)據(jù)點在滿足設(shè)計要求的條件下進(jìn)行了相應(yīng)的減少；在低頻處，由于受到濾波器的截止頻率已確定的影響，發(fā)送的波形數(shù)據(jù)點進(jìn)行了相應(yīng)的增加調(diào)節(jié)，這樣在低頻范圍內(nèi)便可得到符合設(shè)計要求的平滑的波形。

4 實驗結(jié)果

圖6顯示了設(shè)計電路產(chǎn)生的激勵信號的波形，從圖中可以看出，激勵信號的最高幅值約為1.5 V，單音頻信號頻率為100 kHz，漢寧窗調(diào)制10個周期的單音頻信號，即所產(chǎn)生的激勵信號脈沖的時程寬度為0.1 ms。實驗表明設(shè)計合理，波形的產(chǎn)生滿足設(shè)計要求，生成了正確的完整的所需信號，此窄帶脈沖激勵信號可方便地應(yīng)用于管道缺陷檢測。

圖6 激勵信號波形Fig.6 Excitation signal waveform

5 結(jié) 論

利用超高速單片機(jī)DS89C430數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9708等器件，提出了一種超聲導(dǎo)波管道檢測系統(tǒng)的激勵信號源設(shè)計的方法，此電路具有單音頻信號的頻率、漢寧窗寬度均可調(diào)的功能。電路產(chǎn)生的窄帶脈沖激勵信號經(jīng)功率放大器激勵管道超聲導(dǎo)波專用探頭，激發(fā)出的管道超聲導(dǎo)波，可在一定程度上減小超聲導(dǎo)波在管道中傳播時的頻散現(xiàn)象給管道缺陷檢測帶來的不利影響。與選用通用儀器任意函數(shù)發(fā)生器等作為超聲導(dǎo)波的激勵源相比，可節(jié)約大量的成本，減小檢測設(shè)備的體積，便于超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)的集成化、小型化、產(chǎn)品化。

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