數字式超聲波探傷儀中高速數據采集模塊設計
加入技術(shù)交流群
超聲無(wú)損檢測技術(shù)是根據材料缺陷所顯示的聲學(xué)性質(zhì)對超聲波傳播的影響來(lái)探測其缺陷的方法。利用該技術(shù)可以測量各種金屬、非金屬、復合材料等介質(zhì)內的裂縫、氣孔、夾雜等缺陷信息。由于超聲波檢測具有穿透力強，檢測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空航天、冶金造船、石油化工、鐵路等領(lǐng)域起著(zhù)廣泛的作用。一般采用超聲無(wú)損檢測技術(shù)的超聲探傷儀有模擬式和數字式之分，隨著(zhù)計算機技術(shù)、微電子技術(shù)及數字信號處理技術(shù)的發(fā)展，傳統的模擬式超聲探傷儀正逐漸被功能先進(jìn)的數字式超聲探傷儀所取代。
超聲波的回波信號是高頻信號，其中心頻率最高達到20 MHz以上，常用的超聲波探頭中回波信號的頻率一般為2．5～10 MHz，要使這樣的高頻信號數字化，系統就對模／數轉換電路提出了很高的要求。根據Shannon采樣定理和Nyquist采樣準則，在理想的數據采集系統中，為了使采樣信號不失真地復現輸入信號，采樣頻率至少是輸入信號最高頻率的兩倍。在實(shí)際使用中，為保證數據采集的準確度，應增加在每個(gè)輸入信號周期內的采樣次數，一般每周期采樣7～lO次。有些系統對采樣信號頻率的要求更高?，F有的模／數轉換電路方案在可靠性、功耗、采樣速度和精度上都存在諸多不足，不能滿(mǎn)足某些實(shí)際情況的需要，而大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展為設計高速、高精度、高可靠性、低功耗的超聲信號采集方案提供了可能性。本文設計了一種采樣速率達100 MHz的超聲波采集模塊，并通過(guò)FPGA對采樣數據進(jìn)行壓縮后進(jìn)行數據緩存。
l 數字式超聲探傷儀原理
數字式超聲探傷儀結構框圖如圖1所示。
數字化超聲探傷儀一般包括超聲發(fā)射單元、超聲接收單元、信號調理單元(包括放大、檢波、濾波等模擬信號處理環(huán)節)、模數(A／D)轉換單元、數據緩沖單元、數據處理單元、波形顯示單元以及系統控制與輸入／輸出單元(包括通信、鍵盤(pán)操作、報警等)。本文主要討論數字式超聲探傷儀中高速采集的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現方法，涉及到A／D轉換單元和數據緩沖單元。
2 高速度、高精度采樣硬件結構
2．1 數據采集模塊的結構框圖
圖2給出本文數據采集模塊的硬件結構框圖，它由高速A／D數據轉換器、FPGA、時(shí)鐘電路、復位電路及電源電路組成。其中，A／D數據轉換器負責對模擬信號進(jìn)行采集轉換；FPGA負責采集控制、數據壓縮及數據緩沖。下面對A／D數據轉換器及FPGA進(jìn)行介紹。
2．2 AD9446簡(jiǎn)介
AD9446是一種16 b ADC，具有高達100 MSPS的采樣率，同時(shí)集成有高性能采樣保持器和參考電壓源。同大多數高速大動(dòng)態(tài)范圍的ADC芯片一樣，AD9446也是差分輸入，這種輸入方式能夠很好地抑制偶次諧波和共模信號的干擾。AD9446可以工作在CMOS模式和低電壓差分信號(LVD-S)模式，通過(guò)輸出邏輯控制引腳進(jìn)行模式設置。另外，AD9446的數字輸出也是可選擇的?？梢詾橹苯佣M(jìn)制源碼或二進(jìn)制補碼方式。在實(shí)際電路的PCB設計中，由于A(yíng)D9446是對噪聲敏感的模擬器件，所以在具體PCB設計時(shí)需做到以下幾個(gè)方面：A／D模擬電源單獨供電，模擬地與數字地單點(diǎn)接地，差分輸入線(xiàn)等長(cháng)，采用精確的參考電壓源等。
2．3 采集控制、數據壓縮及數據緩沖的FPGA實(shí)現
FPGA主要實(shí)現整個(gè)模塊的數據采集控制、數據壓縮及數據緩沖等功能。文中FPGA采用Xilinx公司的Spartan3E系列(XC3S500E)。這款FPGA芯片功能強大，I／O資源豐富，能夠滿(mǎn)足很多實(shí)際場(chǎng)合的需要。下面對其中數據采集控制、數據壓縮及數據緩沖FIFO的設計做出介紹。
2．3．1 數據采集控制
AD9446芯片的控制時(shí)序與傳統的低速A／D有所不同，它完全依靠時(shí)鐘來(lái)控制其采樣、轉換和數據輸出。AD9446通常在CLK第一個(gè)時(shí)鐘的上升沿開(kāi)始采樣轉換，并在經(jīng)過(guò)延遲tpd后，開(kāi)始輸出數據。而數據則在第13個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)才出現在D15～D0端口上。圖3是AD9446工作在CMOS模式下的時(shí)序圖。
評論