128通道超聲相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)的設(shè)計

祁小鳳，肖迎春，李閔行，陳以方，孫 霓

（1.中國飛機強度研究所，西安 710065；2.清華大學(xué)機械工程系，北京 100084）

作為五大常規(guī)無損檢測方法之一的超聲波無損檢測因具有靈敏度高、穿透性強、對人體無害等優(yōu)點，在航空航天、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。常規(guī)超聲波檢測技術(shù)一般采用單探頭來實現(xiàn)，在檢測應(yīng)用中顯露出很多不足之處，如檢測次數(shù)多、檢測效率低及分辨率較低等缺點［2－3］。

超聲相控陣技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型超聲無損檢測技術(shù)，具有快速、可靠、便捷等優(yōu)點［4－6］。在超聲相控陣檢測系統(tǒng)中，相控陣發(fā)射電路是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)［7］。因為波束控制的各項關(guān)鍵技術(shù)都在其中實現(xiàn)，它可以產(chǎn)生具有各種頻率、幅度、相位延時的激勵信號，使各單元進行超聲相控陣發(fā)射，從而在一定的空間范圍內(nèi)疊加形成各種相控效果［8］。

目前，相控陣發(fā)射電路的設(shè)計普遍采用如下方法［9］：可編程器件產(chǎn)生數(shù)字化波形數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器D／A 轉(zhuǎn)換成模擬波形，再采用模擬延遲線（諸如LC網(wǎng)絡(luò)）實現(xiàn)相位延遲，然后模擬波形經(jīng)可變增益放大器進行放大，最后再經(jīng)過功放模塊進行幅值、功率放大后產(chǎn)生超聲相控陣的激勵延時脈沖。此方法實現(xiàn)過程比較復(fù)雜、延時精度相對較低、電路比較龐大，而且很容易受噪聲干擾。

此外，目前超聲相控陣的通道一般為8通道、16通道、32通道或者64通道，而128通道的超聲相控陣檢測系統(tǒng)相對來講比較少。因此，有必要針對128通道相控陣系統(tǒng)研制出一種構(gòu)造簡單、成本低、使用可靠、延時精度高、缺陷分辨率高的激勵延時脈沖的產(chǎn)生方法。

1 超聲相控陣發(fā)射的基本原理

在超聲相控陣檢測系統(tǒng)中，針對超聲相控陣探頭中的各壓電晶片陣元施加具有不同延時的激勵脈沖，可使各陣元發(fā)出的聲波在空間某處疊加合成，形成設(shè)計者所需的聲束聚焦，如圖1（a）所示，或者聲束偏轉(zhuǎn)，如圖1（b）所示，這種技術(shù)就是所謂的相控陣發(fā)射技術(shù)［10－11］。

圖1 超聲相控陣發(fā)射的動態(tài)光彈照片

如圖2（a）所示，當(dāng)各陣元的激勵脈沖組成形如雙曲線的包絡(luò)（兩端陣元先激勵，逐漸向中間陣元加大延遲）時，各陣元發(fā)出的超聲波在傳播過程中合成的波陣面將會指向一個曲率中心，意味著各陣元發(fā)出的聲波將會同時到達此曲率中心，該現(xiàn)象即為聲束聚焦。

而對于聲束偏轉(zhuǎn)來講，各陣元的激勵脈沖會組成形如斜直線的包絡(luò)（即各相鄰陣元的激勵脈沖延時值相等），如圖2（b）所示，此時各陣元發(fā)出的超聲波在傳播過程中合成的波陣面將會是一個與晶片陣列面有一定夾角的平面。

圖2 相控陣發(fā)射技術(shù)的示意

2 相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)的設(shè)計方案

如圖3虛線框內(nèi)所示，128通道相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)由發(fā)射時序控制模塊及2個64通道的發(fā)射電路模塊組成，而64通道發(fā)射電路模塊又包含發(fā)射時序驅(qū)動模塊和高壓脈沖發(fā)射模塊兩部分。

圖3 相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)

（1）發(fā)射時序控制模塊的作用是：通過對發(fā)射模塊進行編程，產(chǎn)生最大128個用于控制時序的邏輯信號，該邏輯信號包含了晶片陣元激勵脈沖的延時及頻率信息。時序控制信號為低壓數(shù)字信號，而陣元激勵脈沖為高壓模擬信號，但是相應(yīng)通道的兩種信號具有相同的延時及頻率值。

（2）發(fā)射時序驅(qū)動模塊是對發(fā)射時序控制模塊輸出的128個邏輯信號進行驅(qū)動，具體指的是將一個邏輯信號變?yōu)閮蓚€邏輯信號，其中一個與原邏輯信號相同（稱為正邏輯），另一個與其相位完全相反（稱為負(fù)邏輯）。這樣可以滿足高壓脈沖發(fā)射模塊的正負(fù)邏輯輸入要求。

（3）根據(jù)發(fā)射時序驅(qū)動模塊輸出的一對相位相反的邏輯信號，高壓發(fā)射模塊可產(chǎn)生具有某種幅值及極性的高壓激勵脈沖（具體幅值、極性由接入高壓模塊的正負(fù)邏輯信號及電源Vpp、Vnn決定），此高壓脈沖的相位信息及頻率信息與輸入的邏輯信號的相應(yīng)特征參量相同。

以上介紹的相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)的工作原理可采用如圖4（a）、（b）所示的時序圖來形象地表述。時序圖以單個發(fā)射通道為例。當(dāng)時序驅(qū)動模塊輸出的正、負(fù)邏輯信號分別對應(yīng)地輸入到高壓模塊的正負(fù)端時，會產(chǎn)生如圖4（a）所示的正極性激勵脈沖；當(dāng)時序驅(qū)動模塊的正邏輯輸出接入高壓模塊的負(fù)邏輯端，而負(fù)邏輯輸出接入高壓模塊的正邏輯端時，高壓模塊便會產(chǎn)生如圖4（b）所示的負(fù)極性激勵脈沖。

圖4 相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)的示意時序

3 相控發(fā)射電路系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

3.1 時序控制模塊的設(shè)計

時序控制模塊既包含邏輯控制，也包含時序控制，一般選用FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）或者CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）來實現(xiàn)?？紤]到CPLD 內(nèi)部采用連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)，相對于FPGA 來講，其延遲均勻且具有可測性，因而更容易實現(xiàn)較高的相位精度。此外，下載到CPLD 內(nèi)部的程序具有非易失性，斷電之后重新上電無需再次進行配置，這樣使用比較方便，所以設(shè)計采用CPLD 來實現(xiàn)時序控制模塊的功能。

設(shè)計中，發(fā)射時序控制模塊采用Altera 公司MAXⅡ系列的CPLD 芯片EPM2210F256來實現(xiàn)。該芯片具有非揮發(fā)性的8kbit存儲器，2210個LE（邏輯單元）及256個引腳。其中，最大用戶I／O 管腳為204個，分布于4個BANK 中。每個Bank都可以有不同的接口電平標(biāo)準(zhǔn)，每個Bank都有其專用的VCCIO 管腳，它加載的電壓數(shù)值決定了該Bank所支持的電壓標(biāo)準(zhǔn)。單一器件上可以支持1.5，1.8，2.5，3.3V 這些接口電平標(biāo)準(zhǔn)。

EPM2210時序控制功能的設(shè)計是在Altera公司的可編程器件開發(fā)平臺QUARTUS Ⅱ軟件上完成的。在開發(fā)平臺上，采用硬件描述語言設(shè)計出如圖5 所示的時序控制功能模塊，然后下載到EPM2210中，可令其產(chǎn)生128個延時，脈寬可由用戶任意指定時序控制信號。

圖5 時序控制模塊的I／O 管腳

圖6為時序控制模塊在QUARTUS Ⅱ軟件中的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，該模塊根據(jù)指定的延時、脈寬信息，在同步觸發(fā)信號有效后成功產(chǎn)生了一組所需的時序控制信號。系統(tǒng)設(shè)計中，時序控制模塊的最高工作頻率可達250 MHz，因而理論上能達到4ns的延時精度。

3.2 64通道發(fā)射電路模塊的設(shè)計

如圖3所示，64通道發(fā)射電路模塊包括時序驅(qū)動模塊和高壓發(fā)射模塊。

3.2.1 時序驅(qū)動模塊的設(shè)計

圖6 時序控制模塊的仿真結(jié)果

時序驅(qū)動模塊同樣選用Altera公司MAXⅡ系列的CPLD 芯片來實現(xiàn)。由于驅(qū)動模塊實現(xiàn)的僅僅是“一變二”的驅(qū)動功能，而不涉及到任何邏輯算法，因而在選擇芯片時應(yīng)選LE 最少的，以避免資源浪費。EPM240是MAXⅡ系列邏輯單元數(shù)最小的一款芯片，該芯片具有240個LE，提供8Kbit的非揮發(fā)性存儲空間，最大用戶I／O 管腳為80 個。EPM240支持2個Bank，每一個Bank也同樣都支持所有的LVTTL和LVCMOS標(biāo)準(zhǔn)。

明顯地，由于用戶I／O 管腳的限制，一個EPM240顯然不夠驅(qū)動64個時序控制信號，因而時序驅(qū)動模塊是由多個EPM240 芯片組成的。設(shè)計中，64通道發(fā)射電路模塊中采用了4片EPM240芯片來構(gòu)成時序驅(qū)動模塊。

時序驅(qū)動功能在QUARTUSⅡ軟件中設(shè)計完后，可生成如圖7所示的符號表示。將設(shè)計結(jié)果下載到4片EPM240芯片中即可完成64個時序脈沖的驅(qū)動。

圖7 發(fā)射時序驅(qū)動模塊的符號表示

3.2.2 高壓發(fā)射模塊的設(shè)計

高壓發(fā)射模塊采用MAXIM 公司的MAX4940芯片，該芯片為4通道高壓數(shù)字脈沖發(fā)生器，可從低壓邏輯輸入產(chǎn)生高壓、高頻脈沖輸出。MAX4940具有4個邏輯輸入通道，每個通道具有3個輸入端，其中兩個為一對相位互反的邏輯輸入INP（正邏輯）、INN（負(fù)邏輯），決定了該通道的高壓脈沖輸出，如表1所示。其中，Vpp、Vnn為MAX4940的高壓電源。MAX4940 支持下 列應(yīng)用：［Vpp，Vnn］＝［＋100V，－100 V］雙極性脈沖；［Vpp，Vnn］＝［0，－200V］單極性負(fù)脈沖；［Vpp，Vnn］＝［＋200V，0］單極性正脈沖。

表1 MAX4940真值表

由于一個芯片只支持4個通道，因而設(shè)計中采用了16片MAX4940芯片來實現(xiàn)64通道的高壓激勵脈沖。

3.2.3 64通道發(fā)射電路板

由以上表述可知，64通道發(fā)射電路板是由4片CPLD 芯片EPM240 和16 片MAX4940 芯片以 及它們的外圍電路組成的。電路板設(shè)計中，16 片MAX4940芯片均勻分布在電路板頂層和底層，4片驅(qū)動CPLD 芯片EPM240布局在電路板的頂層，每兩個EPM240芯片采用JTAG 菊花鏈的形式共享一個JTAG 下載接口。

至此，相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)的具體實現(xiàn)工作完成。

4 試驗結(jié)果

為了驗證超聲相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)的設(shè)計正確與否，需要對其進行實際測試，以通過試驗結(jié)果來證明其可行性。

圖8為實際制作的64 通道發(fā)射電路板，產(chǎn)生128通道的發(fā)射脈沖需要兩塊這樣的電路板。

圖8 64通道發(fā)射電路板實物

對于時序控制模塊，實際制作時將其放置在了接收電路板上，如圖9所示，這樣設(shè)計基于兩方面的考慮：一是便于發(fā)射電路板的PCB 設(shè)計；二是時序控制模塊所需的各種控制信號來源于接收板上的專用控制芯片，直接將時序控制模塊放置于接收板上，有利于接收板的PCB設(shè)計。通過將接收電路板上的排母（如圖9所示）與發(fā)射電路板上的排針（如圖8所示）相連，時序控制模塊產(chǎn)生的128個時序脈沖控制信號可傳送到兩塊64通道發(fā)射電路板上，從而借助發(fā)射電路板可產(chǎn)生128通道的高壓時序脈沖信號。

圖9 時序控制模塊在接收電路板上的位置實物

測試時，將發(fā)射電路與接收電路板通過排針、排母連接起來，并給發(fā)射電路板和接收電路板連接上電源。

在QuartusⅡ軟件中完成編程并下載到時序CPLD芯片中，讓發(fā)射時序控制模塊EPM2210F256產(chǎn)生如圖10所示的128通道時序控制信號。各控制信號的脈沖寬度為250ns（對應(yīng)主頻為2MHz的探頭）。假定第一個時序脈沖out［0］的延時為0ns，那么第二、三、四個時序脈沖out［1］、out［2］、out［3］的延時分別為130，260，390ns，以使得各時序控制信號間的延時為130ns（用戶可根據(jù)自己的需求設(shè)定延時值，此處以130ns延時值為例來說明問題）。該128通道時序控制信號經(jīng)過時序驅(qū)動模塊的驅(qū)動后，可產(chǎn)生128組正、負(fù)邏輯輸出，將每組信號分別對應(yīng)接入MAX4940芯片每個通道的負(fù)、正邏輯輸入端，其目的是讓高壓發(fā)射模塊產(chǎn)生負(fù)極性脈沖。MAX4940的高壓電源為：Vpp＝0V、Vnn＝－80V。

圖10 128通道的時序控制信號波形

用示波器（Tektronix，TDS2004）對32 片MAX4940的128個輸出端一一進行測試，可觀察到發(fā)射電路系統(tǒng)正確地產(chǎn)生了128 個脈寬為250ns的負(fù)高壓（－80V）脈沖。由于實驗室儀器設(shè)備的限制（示波器只有4個輸入通道），所以每次測試時只能同時觀察到4 個通道的負(fù)高壓脈沖信號，圖11是其中某4個相鄰?fù)ǖ赖母邏好}沖信號?？梢钥闯?，各通道的高壓脈沖電壓均為－80V，脈寬均為250ns，相鄰?fù)ǖ篱g延時為130ns。圖12顯示的是61、65、87以及90四個不相鄰?fù)ǖ赖母邏好}沖信號，同樣可看出各通道的高壓脈沖電壓均為－80V，脈寬均為250ns，65 與61 通道間延時為720ns、87與65通道間延時為2 860ns、90 與87通道間延時為390ns。這與預(yù)期的理論結(jié)果相吻合，表明了采用該方法設(shè)計實現(xiàn)的相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)是正確的。

圖11 實測的相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)的相鄰四通道輸出

圖12 實測的相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)的不相鄰四通道輸出

測試中，電路板上提供的時鐘晶振為200 MHz，因而輸入到時序控制模塊的時鐘信號也為200 MHz，從而能達到的理論延時分辨率應(yīng)為5ns。圖13所示的試驗結(jié)果證明了發(fā)射電路系統(tǒng)能達到的延時分辨率為5ns。示波器的1，2通道間延時為130ns，2，3通道間延時為135ns，3，4通道間延時為140ns，表明延時的分辨率可達到5ns。

圖13 相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)某四個通道的負(fù)高壓輸出

5 結(jié)語

設(shè)計了一種產(chǎn)生128通道高壓激勵脈沖的超聲相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)，該系統(tǒng)由發(fā)射時序控制模塊、發(fā)射時序驅(qū)動模塊及高壓發(fā)射模塊組成，具有構(gòu)造方式簡單、制作成本低、使用可靠、延時精度高等特點，并且激勵脈沖的延時、脈寬及極性可方便調(diào)整。

為了驗證相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)設(shè)計的可行性，最后對設(shè)計結(jié)果進行了實測，結(jié)果表明該相控陣發(fā)射電路系統(tǒng)的設(shè)計是正確的。

［1］宋子強.超聲檢測技術(shù)研究與工程實現(xiàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008：2－3，6.

［2］POGUET J，MARGUET J，PICHONNAT F，et al.Phased array technology：concepts，probes and applications［J］.Journal of Nondestructive Testing ＆ Ultrasonics（Germany），2002，7（5）：1－6.

［3］楊斌，王召巴，陳友興.基于CPLD 的超聲相控陣高精度相控發(fā)射系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.中國測試技術(shù)，2007，33（2）：10－12.

［4］CASSEREAU D，F(xiàn)INK M.The phased array technology－application to time reversal in acoustics［C］／／Proceedings，［s.l］：［s.n］，2000：461－464.

［5］劉冬冬，師芳芳，張碧星.超聲相控陣技術(shù)在管材檢測中的應(yīng)用［J］.無損檢測，2013，35（5）：1－3，11.

［6］WANG L，LI X J，PENG J D，et al.Application of phased array ultrasonic technology for nondestructive testing of railway wheels［C］／／EMEIT，［s.l］：［s.n］，2011：1193－1196.

［7］鮑曉宇，施克仁，陳以方，等.超聲相控陣系統(tǒng)中相控發(fā)射與同步的實現(xiàn)［J］.無損檢 測，2003，25（10）：507－510.

［8］鮑曉宇，施克仁，陳以方，等.超聲相控陣系統(tǒng)中高精度相控發(fā)射的實現(xiàn)［J］.清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，44（2）：153－156.

［9］陳世利，靳世久，王秀平.超聲相控陣系統(tǒng)中高精度相控發(fā)射與接收的實現(xiàn)［J］.電子產(chǎn)品世界，2005（17）：128－130.

［10］許藥林，朱晛，徐大專.超聲相控陣成像系統(tǒng)軟件設(shè)計［J］.無損檢測，2013，35（4）：5－9，78.

［11］倪曉明，田雨聰.相控陣方式與普通方式并用的工業(yè)探傷系統(tǒng)設(shè)計［J］.無損檢 測，2010，32（3）：218－220，224.