基于DS89C430的超聲導波激勵信號源的設計

王軍陣，王建斌，王 帥

（軍械工程學院 電氣工程系，河北 石家莊 050003）

在應用于管道缺陷檢測的眾多無損檢測技術當中，超聲導波檢測技術與常規無損檢測方法相比，具有檢測距離長，檢測速度快等突出優點[1]。超聲導波在管道中傳播時存在多模態與頻散特性，若超聲導波所用的激勵源仍采用常規超聲檢測時寬帶激勵的方法，則在管道中所激發出的超聲導波，將會發生頻散，即不同頻率的超聲導波其群速度也不一樣，這樣會使管道中接收到的超聲導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，某一模態的導波幾乎不發生頻散，縱向軸對稱導波模態L（0，2）就是其中的一種，L（0，2）模態在一定的頻率范圍（40～500 kHz）內其傳播速度幾乎保持不變，且傳播速度最快[2]。若采用相應頻段內的窄帶脈沖作為激勵信號，則可激勵出L（0，2）模態占主導的超聲導波，這樣可最大限度地避免超聲導波的頻散現象帶來的不利影響。利用高速單片機，數模轉換器等設計了專門用于激勵超聲導波的窄帶激勵信號源，該信號源可實現漢寧（Hanning）窗的寬度可調，單音頻信號頻率可調的功能，提供了一種用于激勵超聲導波的激勵信號源的設計方法。

1 系統總體結構

在進行超聲導波管道檢測時，一般選用漢寧窗調制單音頻的窄帶信號脈沖作為激勵信號源，即選的激勵函數為

其中，f為單音頻信號頻率，n為漢寧窗調制的單音頻的周期數。

根據超聲導波在管道中的傳播特性，對于不同材料及尺寸的管道，所需的超聲導波窄帶激勵信號的頻率及周期數不盡相同。利用高速單片機與數模轉換器構成信號發生器，實現漢寧窗調制下的單音頻信號的頻率可調及漢寧窗寬度可調的功能，由數模轉換器輸出的信號經過差動放大、低通濾波等處理后，可產生用于激勵超聲導波的窄帶激勵信號。總體結構如圖1所示，其中鍵盤與顯示屏分別用于設置與顯示漢寧窗信號調制單音頻信號的周期數、單音頻信號的頻率及漢寧窗脈沖的時間間隔。

圖1 激勵信號源的結構框圖Fig.1 Block diagram of excitation signal source

2 硬件電路設計

2.1 單片機與D/A轉換器的接口電路

針對管道超聲導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,根據采樣定理，激勵信號源信號發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，并降低后續濾波電路設計的難度，這里采樣頻率的取值在10倍的信號頻率以上。普通單片機由于受到工作頻率的限制，其能產生的單音頻信號的頻率最高也只能達到100 kHz左右，不能滿足設計需求。為了使信號發生器能輸出較高的頻率，選用超高速單片機DS89C430作為整個電路的控制部分，它是當前8051兼容微控制器中性能最高的單片機之一，在相同的晶振頻率下，執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。數模轉換器件選用美國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作為產生超聲導波激勵信號的信號發生器，圖2為單片機DS89C430與AD9708連接的電路圖，AD9708的數據線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。

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極性，采用把數模轉換器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

由于數模轉換器AD9708輸出的信號附加有大量的高頻噪聲，進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，截止頻率放大倍數為1.5倍，這里的Q值由濾波電路的放大倍數設定，其值為2/3。在電路的最后增加了一級電壓跟隨器。

3 系統軟件設計

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，按鍵掃描及相應處理程序和波形數據點的輸出等組成。系統的主程序流程如圖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的工作速度的影響，發送的波形數據點在滿足設計要求的條件下進行了相應的減少；在低頻處，由于受到濾波器的截止頻率已確定的影響，發送的波形數據點進行了相應的增加調節，這樣在低頻范圍內便可得到符合設計要求的平滑的波形。

4 實驗結果

圖6顯示了設計電路產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，漢寧窗調制10個周期的單音頻信號，即所產生的激勵信號脈沖的時程寬度為0.1 ms。實驗表明設計合理，波形的產生滿足設計要求，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用于管道缺陷檢測。

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

5 結 論

利用超高速單片機DS89C430數模轉換器AD9708等器件，提出了一種超聲導波管道檢測系統的激勵信號源設計的方法，此電路具有單音頻信號的頻率、漢寧窗寬度均可調的功能。電路產生的窄帶脈沖激勵信號經功率放大器激勵管道超聲導波專用探頭，激發出的管道超聲導波，可在一定程度上減小超聲導波在管道中傳播時的頻散現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發生器等作為超聲導波的激勵源相比，可節約大量的成本，減小檢測設備的體積，便于超聲導波檢測系統的集成化、小型化、產品化。

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