分離式超聲波發射接收系統設計

黃曉鵬，付純鶴

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

分離式超聲波發射接收系統設計

黃曉鵬，付純鶴

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

基于超聲掃描顯微鏡的特殊應用需求，設計了一種分離式超聲波發射接收系統，并介紹了其主要的硬件電路設計和軟件設計，通過該系統在超聲掃描顯微鏡上的應用驗證了其性能。系統可有效減少線纜反射，將信號衰減降至最低，同時減少噪聲和干擾信號拾取，從而得到一個低畸變、更強、更干凈的超聲波信號。

超聲掃描顯微鏡；分離式超聲波發射接收；高壓源；回聲放大

超聲波發射接收系統主要用于產生激勵超聲換能器發射超聲波的激勵信號，同時接收超聲波換能器接收到的超聲波轉換的電信號，對信號進行限幅、放大后送至示波器進行顯示或者通過計算機接收進行數據處理分析，如圖1所示。超聲波發射接收系統主要應用于超聲波檢測領域，可以在各種金屬、塑料、陶瓷和復合材料中用于探傷和厚度測量，還可進行材料特性鑒定工作，例如聲速、彈性模量和衰減測量，配合頻譜分析儀，也被用來研究頻率變化的材料特性或表征超聲波換能器的性能。

作為超聲信號的激勵源和接收裝置，超聲波發射接收系統屬于超聲掃描顯微鏡的關鍵核心部件。傳統的超聲波發射接收系統將發射單元、接收了增加激勵裝置就需要整套全部添加，必將增加成本且將系統設計變得非常復雜。

圖1 超聲波發射接收系統工作示意圖

針對超聲掃描顯微鏡應用的特殊需求，本文提出了一種新的分離式超聲波發射接收系統設計方案，并介紹了其主要的硬件電路設計和軟件設計，最后進行了試驗驗證。單元、甚至數據處理單元集成于一體，以整臺儀器或者是計算機板卡的形式出現，這在一般通用的情況下應用沒有問題，例如探傷儀或者是醫用B超，但如果應用在超聲掃描顯微鏡領域，就具有很明顯的缺陷：

（1）在超聲掃描顯微鏡正常工作時，超聲換能器需要隨著掃描機構在X-Y-Z三個方向移動以完成器件檢測，如果采用傳統的設計方案，會導致超聲波發射接收系統與換能器之間信號傳輸線的長度很大，而超聲掃描顯微鏡使用的超聲換能器頻率往往很高（多數情況大于30 MHz），因此其信號容易衰減；另外過長的信號傳輸線使得超聲信號在傳輸過程中容易受到噪聲和干擾信號的影響，以致影響超聲掃描顯微鏡最終的成像質量。

（2）不同于一般應用，由于超聲掃描顯微鏡的應用范圍很廣，分辨率要求從幾個微米到幾百微米，而分辨率和換能器的頻率對應，因此超聲掃描顯微鏡能適配的超聲換能器頻率范圍很廣，而每種超聲換能器具有不同的參數特性，加之高頻換能器的晶片很薄，容易被擊穿，很難用一種激勵裝置去適配所有的換能器。如果采用傳統設計方案，由于激勵裝置和接收處理單元集成在一起，為

1 分離式超聲波發射接收系統電路設計

1.1 系統構成

分離式超聲波發射接收系統的設計包括兩個單獨的單元，如圖2所示，其中前置脈沖發射接收單元主要功能為產生能量受控的短、大振幅的電脈沖，激勵超聲換能器轉換成短超聲脈沖，同時對接收到的超聲回波信號進行放大處理，根據超聲掃描顯微鏡的特點，可工作在透射模式和反射模式。主要包括脈沖發生器電路，模式選擇電路，回聲放大電路。主單元為前置單元提供高壓源，同時接收前置單元傳回的超聲回波信號并進行處理，主要包括數字控制邏輯電路，RS232接口電路，高壓源電路，PRF振蕩器，增益調節電路，低通濾波電路和高通濾波電路。整個系統由安裝于遠程電腦中的控制軟件進行控制。

數字控制邏輯和RS232接口電路：用于和計算機通信，接收計算機的控制信號對超聲波發射接收系統進行控制和參數設置。

高壓源電路：為脈沖發生器提供精確調制的高壓，在不同脈沖重復頻率和其他任何情況下，脈沖發生電路均可保持恒定的脈沖幅值。脈沖觸發控制：允許選擇內部PRF振蕩器作為觸發源或者是同步觸發端口進入的外部同步信號作為觸發源提供給遠程脈沖發生器。

圖2 分離式超聲波發射接收系統原理圖

PRF振蕩電路：為遠程脈沖發生器提供重復觸發脈沖。

增益調節電路：用于控制超聲波接收器處理的信號的幅值大小。

低通濾波器：用于降低超聲波接收器的接收帶寬，在不需要全帶寬的應用中，通過帶寬限制可以改進信號的信噪比。

高通濾波器：用于消除超聲波接收器接收到的信號中的不需要的低頻信號能量，高通濾波可以讓接收器從強信號中更快速的恢復，例如接收到激勵信號或者是強反射面回波信號。

脈沖發生電路：可實現能量控制和阻尼設置，當從特定源接收到一個觸發事件后，脈沖發生器產生一個激勵脈沖傳輸給超聲換能器。

回聲放大電路：主要用于在前端對接收到的超聲信號進行濾波放大。

1.2 高壓源電路

為了激勵超聲波換能器產生高幅值的超聲波并取得良好信噪比的回聲信號，我們需要得到一個高電壓的脈沖串。脈沖發生器發射的雙極性脈沖串的幅值取決于高壓源的電壓值。如圖3所示為高壓源電路的原理圖，正負輸出電壓分別表示為+HV 和-HV，幅值范圍±60 V到±180 V。通過利用一個高匝數比的升壓變壓器（Tr1）來產生高電壓，電源轉換器被連接在一個反激式拓撲結構中，輸出電壓和功率由場效應管Q1的占空比控制，當Q1打開時，電流流向Tr1的初級繞組，二極管D1和D2處于反向偏置，因此次級繞組處于開路狀態，在這種狀態下，磁能被存儲于變壓器鐵心中，能量沒有傳輸給次級側。當Q1關斷時，次級繞組產生反電動勢（EMF），此時存儲在變壓器中的磁能被釋放到次級側，在這種狀態下，D1和D2正向偏置，由MOSFET控制器LM3478控制，電容器C1和C2朝向期望的電壓電平被充電。通過將測流電阻（RS）兩端的電壓反饋給電流感應引腳Isen，控制器使用電流模式控制方案限制MOSFET（Q1）和輸出電流。輸出電壓可通過由R1，R2和VR1組成的反饋電阻網絡檢測并反饋給控制其的FB引腳，通過對VR1位置的調節可使正輸出電壓的+HV在60 V和180 V之間調節，高低電壓限值有R1和R2的阻值決定。根據反饋電壓和電流，控制器發射出適當占空比的驅動信號控制Q1通斷。

圖3 高壓源電路原理圖

因為脈沖發生器要對稱的加載正負輸出，負電壓和正電壓幅值保持一致，因此同一個控制器即可完成兩個電壓的控制。出于安全考慮，在負電壓輸出端的并聯電阻R3，在電路關斷的情況下可對C2兩端的高電壓進行放電，它也可以平衡正負輸出端連接的負載，以此保持雙電壓幅值對稱。

高壓源工作于開關電源轉換模式，對高靈敏度和高增益的回聲放大電路來講是一個顯著的電磁干擾源。因此，在發射脈沖串和等待回聲信號的時間內，可向HEVN管腳發射一個邏輯“低”信號來關閉高壓源，此時，由C1和C2給脈沖發生器供電。當C1和C2的幅值為1μF，關斷時間為100μs時，測得的紋波電壓為輸出電壓的0.1%。

1.3 脈沖發生電路

與高壓源類似，脈沖發生電路的設計，配置在開關模式下運行，從而降低功耗和散熱，由于沒有冷卻的需求，脈沖發生器的成本、尺寸和質量顯著降低。而且，由于電路不產生過多的熱量，可靠性和準確性可顯著提高。如圖4所示，換能器的驅動電路由一個半橋開關轉換器構成，雙電壓電源± HV決定了雙極脈沖串的幅值，該脈沖串是通過互補的開關功率MOSFET Q3和Q4獲得。在正半周期，Q3導通和Q4斷開，發生器的輸出電壓等于+HV，與此相反，在負半周期間，Q3關斷，Q4導通，輸出電壓變為-HV。

圖4 脈沖發生電路

在實際應用時，必須考慮與MOSFET和連接換能器的同軸線纜相關聯的寄生電容，這些電容容易使脈沖發生器輸出在保持很長時間的高電平，從而導致高增益的回聲放大器飽和，同時增加泄露電流，可能會出現安全問題。因此，在發完每個脈沖串后，將寄生電容放電至零電位至關重要。固態開關S1的作用就是當Q3和Q4處于關閉狀態時釋放寄生電容中的電位。如圖5所示，固態開關通過MOSFET Q5和Q6對寄生電容進行放電。

雖然這里我們可以通過單獨的數字電路來實現Q3，Q4和S1的開關，但在實際應用中，是通過軟件在電腦的I/O接口生成它們的門控信號。由于Q3和Q4的源極端沒有連接大地，因此必須為MOSFET隔離的柵極驅動電路，在這里，我們通過一個具有兩個次級繞組的信號變壓器來實現隔離，該變壓器的匝數比為10∶15∶15。

1.4 回聲放大電路

圖5 固態開關S1原理圖

在實際情況中，所接收的回波信號的強度比從換能器發出的信號強度的1%還小，因此需要一個高增益放大器來放大從換能器接收到的回波信號。如圖6所示。回聲放大器由四級運算放大器OA1至OA4組成，每一級提供10倍，總共10 000倍的電壓增益放大。兩個一階高通濾波器（HPFS）被集成到所述放大電路，以消除可能會導致放大器飽和的重復頻率。電位器VR2和VR3分別完成放大器增益的粗調和微調。由于回聲放大器的輸入端與產生高壓脈沖串的脈沖發生電路直接相連，因此要設計一套保護方案以防止回聲放大電路被高電壓損壞。在放大器的輸入口，通過兩個小信號二極管（D4和D5）反向并聯電路，可以將OA1的非反向輸入端的電壓限制在1 V以內。

圖6 回聲放大器原理圖

2 分離式超聲波發射接收系統軟件設計

分離式超聲波發射接收系統接收由計算機串口發送來的指令控制，它的控制指令由5個以上的字節序列組成，該字節序列包括要控制的系統的地址，命令字節序列長度，一個或多個數據字節，該命令控制的通道和一個停止字節。命令字節序列如下：

字節1：被控制儀器的地址；

字節2：代表字節3和停止字節之間的的字節數減一；

字節3：表示被發送的特定命令的命令字節；

字節4：第一個數據字節（對于某些命令，這將是一個空字節）；

字節5：第二個數據字節，如果有的話；

字節N-1：通道指示燈當系統設計為多通道的情況下會起作用；

字節N：停止字節。

例如設置接收器的高、低通濾波值時其指令格式如下：

字節2=0×01

字節3=0×68或者0x6C ASCII值為‘h’或者‘l’

字節4=高、低通濾波設定值

字節5=0×41通道選擇

字節6=停止位

被發送給超聲波發射接收系統的命令包括3類：

（1）系統的配置命令，主要完成系統的地址配置。

（2）調整系統參數值的功能控制命令，包括脈沖發生器設置（阻尼，能量，回波/透射模式選擇，脈沖重復頻率，內、外部觸發選擇，脈沖電壓和使能控制等），接收器設置（增益值，高通濾波值和低通濾波值），當該命令被執行后，超聲波發射接收系統會發送一個確認響應給計算機。

（3）確定當前系統功能設定值的查詢命令，不同于功能控制命令，查詢命令是了解有系統設置信息的請求，當發出一個查詢時，對應的設定值不改變。

典型的超聲波發射接收系統的工作流程如圖7所示。

圖7 分離式超聲波發射接收系統工作流程

3 系統在超聲掃描顯微鏡中的應用驗證

目前該套系統已經成功應用于超聲掃描顯微鏡，前置脈沖發射接收單元具備反射和透射兩種工作模式，由于其可就近安裝在超聲換能器附近，從而縮短了二者之間的信號線長度，使得信號干凈，掃描成像效果極佳；另外由于其可隨掃描機構移動，使得掃描范圍不受限制，增強了系統整機設計的靈活性。

反射模式由單個具備發射和接收功能的超聲波換能器實現，如圖8所示。由脈沖發生器產生激勵脈沖，換能器產生相應頻率的超聲波進入被測物體內部，遇到分界面或缺陷則返回由換能器接收并轉換成電信號，經過遠程脈沖發生器內部的信號放大電路將信號增強后傳回至超聲波接收器處理，最后由示波器顯示或經傳輸給計算機進行數據采集、分析、存儲并處理，形成掃描結果。

圖8 反射模式示意圖

透射模式與反射模式最大的區別在于其使用兩個超聲波換能器，如圖9所示。其中一個用于發射超聲波，另一個用于接收穿過整個物體內部的超聲波，脈沖發生器可通過上位機控制軟件進行設置，使其工作于透射模式下。

圖9 透射模式示意圖

根據超聲掃描顯微鏡適配的換能器頻率范圍，設計出三套前置脈沖發射接收單元，根據不同的應用可靈活選擇。

通過試驗驗證，該系統在超聲掃描顯微鏡上取得了滿意的效果，如圖10為采用了本系統的成像效果，圖像銳利，清晰，缺陷易于辨別，而圖11為采用傳統一體設計的超聲波發射接收系統的成像效果，圖像邊緣模糊，不清楚。

表1 前置脈沖發射接收單元參數表

圖10 C掃描圖像（分離）

圖11 C掃描圖像（一體）

4 總結

本文介紹的分離式超聲波發射接收系統設計，可將脈沖發射接收單元置于換能器附近，縮短其和超聲換能器的信號傳輸線，減少了線纜反射，將信號衰減降至最低，同時減少了噪聲拾取和干擾信號進入超聲波信號的機會，從而得到一個低畸變、更強、更干凈的超聲波信號。由于前置脈沖發射接收單元的可更換性，它提升了整個系統的靈活性。該分離式超聲波發射接收系統除了能應用于超聲掃描顯微鏡外，同樣非常適合換能器放置在離超聲波接收系統比較遠或者超聲換能器頻率比較大的場合。

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Separate Design of Ultrasonic Pulser-Receiver System

HUANG Xiaopeng，FU Chunhe

(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

Based on the needs of specific applications of Scanning Acoustic Microscope(SAM)，this paper describes a design of a separate ultrasonic pulser-receiver system and describes its main hardware circuit design and software design，and verify its performance by applying it on the SAM. The system can reduce the cable reflections，minimize the signal attenuation.There is also less opportunity for noise pickup and interference signals to be added to the ultrasonic signal.The net result is a lower distortion，stronger，clearer signal，with less noise and interference.

Scanning Acoustic Microscope；separate ultrasonic pulser-receiver；high-voltage DC supply；echo amplifier

TN16

B

1004-4507(2015)02-0031-07

黃曉鵬（1982-），男，山西運城人，工程師，本科，研究方向為超聲掃描檢測的工藝研究，電氣設計，運動控制研究等；

2015-01-27