開(kāi)放式超聲成像模擬前端設(shè)計(jì)

宋蘭江，郭新華

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

超聲波具有指向性好、無(wú)電輻射、對(duì)人體無(wú)傷害等優(yōu)點(diǎn)，在檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。超聲波傳播時(shí)在聲阻抗不連續(xù)的地方會(huì)產(chǎn)生反射、折射和衰減等現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行接收和相關(guān)處理，可以檢測(cè)物體內(nèi)部特征，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體的損傷檢測(cè)[1-3]。

超聲相控陣?yán)孟嗫仃囂筋^產(chǎn)生超聲波，通過(guò)控制激勵(lì)時(shí)間實(shí)現(xiàn)超聲波束偏轉(zhuǎn)和聚焦，聚焦的超聲波提高了檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性。超聲相控陣成像技術(shù)可以通過(guò)控制聚焦方位擴(kuò)大檢測(cè)范圍，相比傳統(tǒng)超聲系統(tǒng)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，可靠性更高[4-5]。隨著集成電路不斷發(fā)展，數(shù)字化、小型化成為了超聲相控陣發(fā)展趨勢(shì)，但市面上的超聲相控陣成像設(shè)備僅通過(guò)圖像顯示試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不提供反射信號(hào)的原始數(shù)據(jù)[6-7]，筆者設(shè)計(jì)了一款采集回波信號(hào)原始數(shù)據(jù)的便攜超聲模擬前端，在一塊電路板上集成了超聲波發(fā)射電路和回波接收電路，配合后端控制板卡可為超聲相控陣檢測(cè)研究或其他相關(guān)開(kāi)發(fā)提供便攜式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 數(shù)字相控陣檢測(cè)原理

超聲相控陣換能器由多個(gè)具有壓電效應(yīng)的特殊晶體按照一定順序排列構(gòu)成，每個(gè)晶體被稱(chēng)作一個(gè)陣元，每個(gè)陣元都可看作一個(gè)傳感器，均可實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收。超聲相控陣系統(tǒng)通過(guò)控制每個(gè)陣元的發(fā)射時(shí)間實(shí)現(xiàn)波束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，使超聲無(wú)損檢測(cè)更加便利。

圖1為超聲相控陣實(shí)現(xiàn)超聲波波束偏轉(zhuǎn)原理，在發(fā)射過(guò)程中等間隔激發(fā)陣元，由于聲程不同，在超聲波的傳播過(guò)程中，相同相位的超聲波信號(hào)會(huì)疊加，組合波面會(huì)產(chǎn)生一定偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)。

圖1 相控陣偏轉(zhuǎn)原理

圖2為超聲相控陣實(shí)現(xiàn)發(fā)射過(guò)程波束聚焦原理，在發(fā)射過(guò)程中給各個(gè)陣元的激勵(lì)信號(hào)設(shè)置不同延時(shí)，使每個(gè)陣元發(fā)出的超聲波同時(shí)傳播至焦點(diǎn)處[8]，此時(shí)焦點(diǎn)處超聲波疊加增強(qiáng)，焦點(diǎn)區(qū)域外超聲波疊加減弱，缺陷檢測(cè)能力有很大提升。

圖2 發(fā)射聚焦原理

接受聚焦原理如圖3所示，當(dāng)發(fā)射的超聲波束聚焦在缺陷處，反射的超聲回波被所有陣元接收，由于缺陷位置與每個(gè)陣元的距離不同，回波信號(hào)達(dá)到時(shí)間不同，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行延時(shí)求和，使反射點(diǎn)處的回波信號(hào)相位一致，實(shí)現(xiàn)反射點(diǎn)處信號(hào)增強(qiáng)，其他區(qū)域上信號(hào)強(qiáng)度減弱。

圖3 接收聚焦原理

超聲相控陣無(wú)需移動(dòng)探頭便可對(duì)損傷部位進(jìn)行多處檢測(cè)，將回波數(shù)據(jù)組合，使用灰度值表征信號(hào)幅值即可成像，由發(fā)射、聚焦原理可知，模擬前端具有多通道發(fā)射和接收電路。為了實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)精準(zhǔn)延時(shí)，各通道要有一致性。

2 超聲前端總體方案設(shè)計(jì)

超聲相控陣模擬前端包括超聲發(fā)射電路和回波接收電路，將發(fā)射和接收電路集成在同一塊電路板上，具有集成度高、同步性好和便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。控制板和系統(tǒng)模擬前端分開(kāi)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的開(kāi)放性，可靈活使用不同主控模塊進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

超聲模擬前端主要由發(fā)射信號(hào)鏈和接收信號(hào)鏈兩部分組成。發(fā)射信號(hào)鏈主要包括高壓脈沖發(fā)射電路、多路復(fù)用電路和隔離電路；接收信號(hào)鏈主要包含回波信號(hào)放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等。

高壓脈沖電路在接收到控制信號(hào)后，產(chǎn)生高壓激勵(lì)信號(hào)。常見(jiàn)探頭中心頻率為0.5～15 MHz，激勵(lì)信號(hào)頻率與超聲探頭中心頻率相同時(shí)發(fā)射效率最高，根據(jù)不同需求，激勵(lì)信號(hào)可以為單極性或雙極性信號(hào)。隔離電路主要作用是防止發(fā)射電路損壞回波接收電路。使用多路復(fù)用開(kāi)關(guān)使得一個(gè)發(fā)射電路對(duì)應(yīng)多個(gè)陣元，可以減少發(fā)射電路的數(shù)量，提高便攜性。

超聲波在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生衰減，故回波信號(hào)一般比較微弱，需要進(jìn)行放大，為了減少引入的噪聲，使用低噪聲放大電路進(jìn)行放大?；夭ㄐ盘?hào)幅值會(huì)隨著路程增加而不斷衰減，探傷結(jié)果通過(guò)顏色對(duì)回波幅值進(jìn)行表征，當(dāng)深度不同時(shí)，結(jié)果將不夠精確，由于回波信號(hào)聲程長(zhǎng)短可以用時(shí)間衡量，故設(shè)計(jì)了時(shí)間增益電路，依據(jù)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)衰減信號(hào)進(jìn)行放大補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)儲(chǔ)存和處理操作，需要將回波信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣頻率滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理。晶振電路和單端轉(zhuǎn)差分電路，可以由電路板內(nèi)部或外部為ADC提供單端時(shí)鐘或差分時(shí)鐘，高壓電源由外部提供避免高壓電源的電磁干擾。

后端主控模塊可選擇FPGA(field programmable gate array)/DSP(digital singnal processor)/ARM(advanced RISC machines)等來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)射控制和回波數(shù)據(jù)接收[9]，最后使用一塊Artix-7系列FPGA開(kāi)發(fā)板來(lái)對(duì)模擬前端進(jìn)行測(cè)試。

2.1 開(kāi)關(guān)陣列電路設(shè)計(jì)

由于一個(gè)發(fā)射電路對(duì)應(yīng)一個(gè)超聲探頭時(shí)系統(tǒng)體積較大，不利于設(shè)備小型化，使用4片1∶8的高壓多路復(fù)用開(kāi)關(guān)ECN3297TF設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)陣列電路，將8個(gè)開(kāi)關(guān)管腳連接到同一個(gè)脈沖發(fā)射通道，另一端連接超聲探頭不同陣元，使發(fā)射電路擴(kuò)展至64通道，減少了發(fā)射電路數(shù)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)便攜性。設(shè)計(jì)時(shí)將8個(gè)通道分為一組，每次控制一個(gè)陣元發(fā)射和接收，芯片具有數(shù)據(jù)輸入腳DIN和數(shù)據(jù)輸出腳DOUT，可以將兩片芯片采用菊花鏈連接，如圖5所示。

圖5 高壓復(fù)用開(kāi)關(guān)級(jí)聯(lián)

主控模塊FPGA每次發(fā)送32 bit數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)32個(gè)周期完成數(shù)據(jù)輸入，可以實(shí)現(xiàn)陣元的選通控制，兩片芯片級(jí)聯(lián)保持實(shí)時(shí)性的同時(shí)節(jié)約了系統(tǒng)資源。

2.2 激勵(lì)電路設(shè)計(jì)

采用芯片HDL6M05584進(jìn)行超聲探頭激勵(lì)電路設(shè)計(jì)，芯片具有8通道高壓脈沖發(fā)射電路，每個(gè)通道均可獨(dú)立控制，集成有T/R開(kāi)關(guān)，輸出0～±100 V的多極性脈沖，脈沖頻率可達(dá)20 MHz，激勵(lì)電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 激勵(lì)電路結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)腳Pinx和Ninx(x=1～8)的電平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高壓脈沖發(fā)射控制。當(dāng)腳Pinx和Ninx配置為發(fā)射狀態(tài)時(shí)，高壓管腳HVoutx輸出高壓激勵(lì)信號(hào)，T/R開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)，防止高壓信號(hào)對(duì)后續(xù)電路造成損壞，配置為接收狀態(tài)時(shí)，T/R開(kāi)關(guān)閉合，通過(guò)低壓輸出腳LVoutx將回波信號(hào)傳遞給后續(xù)電路，實(shí)現(xiàn)發(fā)射電路和回波電路隔離[10]。同時(shí)在PCB(printed circuit board)設(shè)計(jì)時(shí)采用蛇形線(xiàn)等方法使整個(gè)發(fā)射電路時(shí)延相同，避免因?yàn)樽呔€(xiàn)問(wèn)題對(duì)延時(shí)控制造成影響。

2.3 回波接收電路設(shè)計(jì)

AFE5808A包含低噪聲放大器LNA(low noise amplifier)、壓控放大器VCA(voltage-controlled amplifier)、低通濾波器等，集成ADC(analog-to-digital converter)采樣率可以達(dá)到65 MSPS，采樣精度為14 bit，單個(gè)芯片有8通道，使用LVDS(low-voltage differential signaling)接口進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，確保傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，接收部分采用AFE5808A設(shè)計(jì)回波接收電路，相對(duì)于使用分立器件電路體積更小，各通道一致性更好，原理圖如圖7所示。

圖7 AFE5808A原理圖

在回波信號(hào)的第一級(jí)使用低噪聲放大器LNA實(shí)現(xiàn)了回波信號(hào)的放大，減少了因電路引入的噪聲，通過(guò)控制VCA放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)回波信號(hào)補(bǔ)償，整個(gè)放大電路對(duì)回波信號(hào)最大增益為54 dB。ADC實(shí)現(xiàn)了信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過(guò)串行LVDS電平方式輸出，由主控板進(jìn)行接收。

2.4 時(shí)間增益補(bǔ)償控制電路設(shè)計(jì)

AFE5808A的VCA放大倍數(shù)(dB)與VCNTLP和VCNTLM兩腳之間電壓差(0～1.5 V范圍內(nèi))成線(xiàn)性關(guān)系，控制兩管腳之間的電壓差，即可實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的時(shí)間增益補(bǔ)償控制。

如圖8所示，使用DAC7821芯片設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)控制電壓的輸出，由于DAC7821輸出為電流信號(hào)，需要通過(guò)內(nèi)部電阻和運(yùn)放轉(zhuǎn)換為電壓輸出，再通過(guò)電壓基準(zhǔn)REF1930和運(yùn)放OPA277給DAC7821提供負(fù)參考電壓，使模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出為正電壓輸出，相比使用逆變放大器，該方法避免了電阻公差的影響。

圖8 VCA控制信號(hào)電路

由于AFE5808A采用一對(duì)差分管腳控制VCA，需要將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。如圖9所示，使用運(yùn)放OPA211設(shè)計(jì)一個(gè)電壓跟隨電路，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，R1為終端電阻進(jìn)行阻抗匹配，采用差分運(yùn)放THS4520將單端控制信號(hào)轉(zhuǎn)成差分信號(hào)。

圖9 單端轉(zhuǎn)差分電路

最終通過(guò)編程控制數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出時(shí)間增益控制曲線(xiàn)即電壓變化曲線(xiàn)，然后轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)連接到AFE5808A差分管腳上，控制壓控放大器實(shí)現(xiàn)時(shí)間增益補(bǔ)償[11]。

2.5 AFE5808A時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

電路板板載40 M有源晶振電路，為了靈活改變ADC采樣頻率，可由外部提供不同的時(shí)鐘信號(hào)，設(shè)計(jì)了外部接口和單端時(shí)鐘轉(zhuǎn)差分時(shí)鐘電路。

如圖10所示，采用隔離變壓器ADT4-1WT設(shè)計(jì)了一個(gè)單端時(shí)鐘轉(zhuǎn)差分時(shí)鐘電路，外部(如控制板)輸入單端時(shí)鐘可轉(zhuǎn)換為差分時(shí)鐘，增強(qiáng)時(shí)鐘抗干擾能力，同時(shí)降低時(shí)鐘EMI(electromag netic interference)輻射,為ADC提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。

圖10 單端時(shí)鐘轉(zhuǎn)差分時(shí)鐘電路

2.6 AFE5808A寄存器配置電路設(shè)計(jì)

AFE5808A放大倍數(shù)、濾波器截止頻率等參數(shù)均可通過(guò)SPI(serial peripheral interface)總線(xiàn)配置相應(yīng)寄存器參數(shù)的方式進(jìn)行控制，由于計(jì)算機(jī)和各種控制板卡廣泛使用USB(universal serial bus)接口，如圖11所示，使用FT245RL芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)SPI轉(zhuǎn)USB電路，并使用隔離芯片進(jìn)行隔離，降低了由AFE5808A數(shù)字邏輯輸入腳引入的噪聲。最終可以通過(guò)USB對(duì)AFE5808A寄存器參數(shù)進(jìn)行修改，提高模擬前端的靈活性。

圖11 SPI轉(zhuǎn)USB電路

2.7 電源電路設(shè)計(jì)

高壓電路一般使用開(kāi)關(guān)電源電路，為了降低開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾，高壓電源不集成在模擬前端電路板中，由外部電源提供。模擬前端需要的低壓信號(hào)有1.8 V、3.3 V和±5 V，其中±5 V由外部電源提供，設(shè)計(jì)了如圖12所示的超低噪聲LDO(low dropout regulator)電路進(jìn)行5 V到1.8 V和3.3 V的轉(zhuǎn)換，減少因電源波動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲[12]。由于LDO電路發(fā)熱嚴(yán)重，根據(jù)輸出功率采用了兩片TPS79633分別輸出數(shù)字3.3 V和模擬3.3 V，一片TPS79618輸出數(shù)字1.8 V和模擬1.8 V，通過(guò)磁珠進(jìn)行隔離。

圖12 電源電路

3 實(shí)物制作與功能測(cè)試

最終采用六層板制作13 cm×14 cm電路板實(shí)物，如圖13所示。信號(hào)具有完整參考層，提高了信號(hào)質(zhì)量。

圖13 實(shí)物圖

對(duì)發(fā)射電路進(jìn)行測(cè)試結(jié)果，如圖14所示。發(fā)射電路能產(chǎn)生多極性高壓脈沖信號(hào)，頻率可以到20 MHz，由于一般超聲換能器中心頻率為0.5～15 MHz，發(fā)射電路滿(mǎn)足大多數(shù)超聲探頭的要求。

圖14 20 MHz單極性和雙極性脈沖

當(dāng)高壓脈沖發(fā)射電路產(chǎn)生高壓激勵(lì)信號(hào)時(shí)，T/R開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，其輸出結(jié)果如圖15所示，回波電路接口處電壓小于1 V，不會(huì)損壞。

圖15 高壓脈沖和T/R開(kāi)關(guān)輸出

通過(guò)FPGA控制板輸出延時(shí)為10 ns的控制信號(hào)，發(fā)射脈沖如圖16所示。圖16可知，該模擬前端可配合主控板實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制。

圖16 發(fā)射脈沖10 ns延時(shí)

對(duì)模擬前端單通道進(jìn)行測(cè)試，使用中心頻率為5 MHz的超聲直探頭，對(duì)一塊面積為100 mm×100 mm，厚度為20 mm的鋼材試件進(jìn)行檢測(cè)。試件底部中心位置有一直徑5 mm、高度5 mm的圓形孔洞，可以模擬鋼材裂紋損傷等情況，采集測(cè)試數(shù)據(jù)如圖17所示，根據(jù)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出損傷距試件表面15.03 mm與實(shí)際距離15 mm相符，模擬前端的整個(gè)通道功能正常，可以正常使用。

圖17 無(wú)缺陷位置回波和有缺陷位置回波

4 結(jié)論

筆者基于超聲相控陣成像特點(diǎn)和超聲硬件平臺(tái)需求，研制了一款開(kāi)放式便攜型超聲成像模擬前端，具有64個(gè)發(fā)射通道和8個(gè)接收通道，每個(gè)通道能夠發(fā)射0～20 MHz的單極性和雙極性高壓脈沖，輸出電壓最高可達(dá)±100 V，滿(mǎn)足絕大部分超聲探頭的要求。通過(guò)合理布局布線(xiàn)，配合主控板可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射脈沖延時(shí)，可以對(duì)常見(jiàn)頻率(0.5～15 MHz)回波信號(hào)進(jìn)行采集，獲取原始數(shù)據(jù)。每個(gè)通道的發(fā)射和接收都可獨(dú)立控制，具有一定開(kāi)放性。