自动化毕业论文便携式数字超声波探伤仪信号处理电路的设计.docx
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自动化毕业论文便携式数字超声波探伤仪信号处理电路的设计
毕业论文
便携式数字超声波探伤仪信号处理电路的设计
TheDesignofSignalProcessingCircuit
BasedonPortableDigitalUltrasonicFlawDetector
论文作者姓名：
作者学号：
所在学院：
计算机与信息工程学院
所学专业：
自动化
导师姓名职称：
论文完成时间：
2011年5月20日
毕业设计（论文、创作）开题报告
（学生本人填写）
学号
姓名
导师姓
名职称
开题时间
2011年4月3日
课题题目
便携式数字超声波探伤仪信号处理电路的设计
课题来源
□导师指定□自定■其他来源
课题的目的、意义以及和本课题有关的国内外现状分析：
1．目的：
本课题的目的在于设计一款工作频率在2.5MHz左右的超声波接收模块电路。
2．意义：
集成化的设计，通用的接口电路，以期提高设计者在设计便携式超声波探伤仪时的效率。
3．现状：
现今的设计者们在设计便携式超声波探伤仪时遇到的最大问题就是接收电路的设计，而且都是各自设计，这样对整个工程来说，工作量大，比较繁琐。
研究目标、研究内容和准备解决的问题：
1．目标：
通过设计一款工作频率在2.5MHz左右的通用超声波接收模块电路，满足大部分的设计要求，简化设计任务，提高效率。
2．内容：
便携式数字超声波探伤仪的接收电路主要包括限幅电路、AGC电路、线性放大电路、A/D转换电路以及与其他模块的接口部分。
3．准备解决的问题：
本设计者现有一款便携式数字超声波探伤仪，但其工作频率在2KHz以下。
现在需要解决的问题是把其工作频率提高到2.5MHz左右，改进的地方有AGC电路、线性放大电路及A/D转换电路。
拟采取的方法、技术或设计（开发）工具：
设计方法：
通过原理电路的设计，并且进行可行性的分析，在确认无误后，制作PCB板，焊接芯片，之后与探伤仪连调，进行性能测试，最后完成课题设计。
开发工具：
AltiumDesignerwinter09
预期成果：
1．模块式接收电路
2．毕业论文
进度计划与阶段要求：
（1）2011-2-1至2011-3-15：
查找资料、阅读文献及相关论文，整理设计内容，并进行初步原理图设计。
（2）2011-04-01：
将开题报告和整理的设计内容发送到导师邮箱。
（3）2011-04-02至2011-04-09：
根据导师的建议和指导，继续设计，初步定型之后绘制PCB图，交付厂商制版，进行焊接与初步测试。
2011-04-10：
将中期检查表和修改后的设计内容发送到导师邮箱。
（4）2011-04-11至2011.04.20：
根据导师的建议和指导，完成设计。
2011-04-21：
将完成的毕业设计内容发送到导师邮箱。
（5）2011-04-22至2011-05-05：
根据导师建议和已经完成的设计，完成论文初稿。
2011-05-06：
将毕业论文初稿发送到导师邮箱。
（6）2011-05-07至2011-05-13：
根据导师对论文的修改建议和指导，完成论文。
2011-05-14：
将论文终稿发送到导师邮箱。
开题前收集的资料和参考文献（5-8种）
[1]蒋危平．超声波探伤仪及数字化超声波探伤仪．无损检测,1997年2月第2期．
[2]奥林巴斯超声波探伤理论技术指导.
http:
//www.olympus-
[3]郭成彬，蒋危平．认识数字超声探伤仪．无损检测,2004年3月第3期．
[4]宋建萍.超声波探伤仪收发电路研究.电子工程师,2004年6月第6期.
[5]丛培田,韩辉,刘玉梅．高速模数转换器AD9057在数字化超声波探伤仪中的应用．仪表技术与传感器，2008年第4期．
[6]韩辉．数字化超声波探伤仪关键技术的研究．沈阳理工大学工学硕士学位论文，2008年3月．
[7]孙岳中一.基于ARM和DSP的便携式超声波无损探伤仪的设计.兰州理工大学硕士学位论文,2007年10月.
指导教师对开题报告的意见：
指导教师签名：
2011年4月5日
河南大学2010届毕业论文（设计、创作）任务书
（导师根据学生的开题报告填写）
题目名称便携式数字超声波探伤仪信号处理电路的设计
学院
计算机与信息工程学院
学生姓名
吴军宁
所学专业
自动化
学号
070275073
毕业论文（设计、创作）要求
1．设计内容
设计一款工作频率在2.5MHz左右的超声波接收模块电路,主要包括限幅电路、AGC电路、线性放大电路、A/D转换电路以及与其他模块的接口部分。
2．基本要求
设计电路尽可能简单，所用芯片皆为常用芯片，设计符合便携式设备所要求的规范。
本设计产品属高频设备，应满足高频器件的标准。
3．要解决的问题
现有一款便携式数字超声波探伤仪，工作频率在2KHz以下。
现在需要将其工作频率提高到2.5MHz左右，需要改进的地方有AGC电路、线性放大电路及A/D转换电路。
4．要求提交的成果
论文
模块式接收电路
指导教师签名：
2011年4月5日
摘要
随着超声检测理论逐渐成熟，以及现代集成电路的快速发展，超声检测技术以其快速、准确、无污染、低成本等特点，成为国内外应用广泛、发展迅速、使用频率最高的一种无损检测技术。
超声仪器的发展水平直接影响着超声检测技术的发展。
数字化、图像化、小型化和实时化等是超声检测仪器的发展趋势。
本文在FDP204PL一体化超声浮点测振仪的基础上，研究数字化超声波探伤仪的关键技术，即超声波的接收技术、自动增益控制技术、模拟信号的线性放大技术和高速A／D采样技术，实现了超声信号的接收、放大、滤波和数据转换。
在数字化超声波探伤仪关键技术的研究中，采用了模块化的设计方案，提高了系统的易维护性；选用了低噪声、低漂移、高精度、高可靠性的集成电路芯片，提高了系统的可靠性。
数字化超声波探伤仪关键技术的突破，为实现数字化超声波探伤仪的生产以及性能的优化与提高打下了良好的基础。
关键词：
数字化，超声探伤仪，AGC电路，A/D转换
ABSTRACT
WiththematurityofUltrasonicdetectiontheory，andtherapiddevelopmentofmodernintegratedcircuits，UltrasonicTestingtechnologyisbeingwidelyusedathomeandabroad，owingtoitsfast，accurateandnon-pollutingfeatureandhasbecomethehighestfrequencyofuseofanon-destructivetesting（NDT）technology。
Thedevelopmentofultrasoundmachinesaffectsthelevelofultrasonictestingtechnologydirectly。
Digital，images，miniaturization，andreal-timeultrasoundequipmentisthetrend。
Thispaper，onthebasisofFDP204PL，integratedfloating-pointvibrometer，includesadetailedstudyofthekeytechnologiesofdigitalultrasonicflawdetector，thatis，thereceptionofultrasonictechnology，automaticgaincontrol（AGC），analogsignalamplificationtechnologyandhigh-speedlinearAnalog-to-Digitalsamplingtechnology。
Inthestudyofthekeytechnologiesofdigitalultrasonicflawdetector，weplaceemphasisontwomainpoints.Thefirstis,modulardesign,whichtoimprovetheeasinessofmaintainingthesystem。
Thesecondis，selectinglow-noise，lowdrift，highaccuracyandhighreliabiliableintegratedchip，whichtoimprovethesystem'sreliability。
Digitalultrasonicflawdetectorbreakthroughsinkeytechnologiesfortherealizationofdigitalultrasonicflawdetector。
KEYWORDS:
Digital,Ultrasonictesting（UT）,AGC,Analog-to-Digital.
第一章绪论
无损检测技术在对工程材料，零部件，结构件的设计、制造工艺、质量鉴定以及提高经济效益和工作效率等方面都显示了极其重要的作用。
无损检测方法包括有射线检测法、超声检测法、磁粉探伤法、电磁感应探伤法和浸透探伤法等。
在这些无损检测方法中工业上占相当重要的地位的是超声检测法。
超声检测法是利用材料本身或内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响，非破坏性地探测材料内部和表面的缺陷（如裂纹、气泡、夹渣等）的大小、形状和分布状况及测定材料性质。
超声检测与其他方法相比，具有灵敏度高、穿透力强、指向性好、检测速度快、成本低、对人体无害等一系列优点，因此在众多工业领域中得到了广泛的应用[6]。
1.1课题来源
该课题为自选课题。
在毕业实习期间，我接触到了超声探伤仪，对这个新的领域产生了浓厚的兴趣，恰巧我的实习老师谢老师手头有个相关的项目，因此我打算专研下去。
查阅了很多相关资料，发现在这方面，国内的研究起步较晚。
尽管一些科研院所和高校实验室，做的比较好，但是数字超声探伤仪在国内还未能普及。
究其原因，一是价格居高不下，而是在高频或者超高频领域做的不太理想，三是新兴的相控阵超声探伤仪在国内基本处于理论阶段。
笔者在相关网站（OLYMPUS、MAXIM、TI等）上查阅资料，进行分析后，发现不论是现今应用广泛的单探头探伤仪还是属于实验阶段的相控阵式探伤仪，均有一个不可或缺的部件——接收端的信号处理电路。
而且，频率越高，对接收电路的要求就越苛刻。
因此，笔者以为，此课题大有研究价值。
1.2课题背景
近年来以微电子学和计算机技术为基础的信息技术飞速发展，与IT技术紧密相关的超声无损检测仪器也得到了前所未有的发展动力，主要表现在以下几个方面[7]：
1）随着半导体工艺的进步，大规模数字集成电路有了长足发展，一些功能复杂的电路都集成在一小片芯片上。
RAM，FLASH等存储芯片的密度和容量越来越大，计算机运算速度、单片机和DSP的控制运算能力越来越高，A／D转换速度越来越快，精确度越来越高，这些都大大促进了超声模拟信号处理的数字化进程。
2）ASIC技术和以CPLD、FPGA为代表的可编程器件的发展，使得集成电路的设计发生了巨大的变化。
电子产品的研发过程中，不再是单纯的使用集成电路，而是可以将系统的某些功能或整个系统设计成用户定制的专用集成电路或者直接由CPLD、FPGA来实现。
3）计算机以其开放的总线结构为工业控制和测试仪器提供了硬件和软件平台。
特别是计算机外围接口的扩展，如传统的串口、并口和现在流行的USB接口，方便地为计算机与外围设备进行通信，将大量的数据高速传送到计算机内部，依靠其强大的处理能力对数据进行各种复杂的运算。
1.3国内外的研究现状及分析
1.3.1国外发展现状
由于各种新技术的应用，世界各主要工业国家数字化超声波探伤仪得到迅速发展，生产类似产品和研究的公司有美国的泛美公司、METEC公司、加拿大的R/DTECH公司、德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述这些公司生产的超声波检测、采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。
而且，国外已把100MHz以上采样频率的高速A／D技术用于超声波信号的采集，大容量缓冲技术也达到一定的水平，信号的分析和成像已实现A，B，C扫描[7]。
美国PAC公司的UltraPAC为先进的计算机一体化、数字化超声C扫描成像系统，它的数据处理采用DSP芯片。
根据不同的用户要求，U1traPAC可做成柜式、台式和便携式几种形式。
从超声频率范围上分，UltraPAC有低、高两种频率选择：
普通频率系统：
频率范围：
O.5—30MHzA.D采样率：
100MHz
高频率系统：
频率范围：
0.8—100MHzA/D采样率：
500MHz
它实现了A、B、C扫描同步一体，超声探伤与C扫描成像，现代超声信号处理同步一体[7]。
日本的OLYMPUS公司，长期致力于超声无损探伤方面的研究，该公司生产的一系列便携式超声设备，均领先于世界水平。
EPOCH600是其中一款（见图1-1EPOCH600超声探伤仪），该款探伤仪使用高效的菜单功能和快捷键访问参数，为检测人员提供了操作极为简便的高质量的缺陷检测平台。
宽屏、全VGA透反显示及正等待专利通过的数字式高动态范围接收器使得仪器屏幕在任何光线条件下都可显示稳定、清晰的A扫描图像。
图1-1EPOCH600超声探伤仪
1.3.2国内现状
国内在探伤仪器方面也已开展这方面的研究和开发，但在技术应用上还存在一定的差距。
上海大学与上海市电子物理研究所合作的国家“863”基金资助项目研制了输油管道超声波探伤机器人，由16个均匀分布的探头旋转扫描探伤，分辨力2mm，他们采用存储异常数据的方法对数据进行压缩，用高速数据缓存的方法提高数据处理速度[7]。
武汉中科创新技术公司的HSD多功能超声波自动探伤系统采用FPGA技术，通道数4—128通道可选，采样频率达100MHz，探伤频率0.5—15MHz，发射/接收重复频率5KHz（不受通道数影响）。
他们还推出了多通道超声波发射/接收卡，这是采用计算机标准PCI总线制作的一款工业超声检测装置，可适配在商用台式机或便携式工业控制计算机环境中，板卡装有四个完全独立的工作通道，亦可根据需要多卡级连，构成更多通道超声探测系统，工作方式单晶或双晶，重复频率2KHz，采样频率100MHz，采样深度：
32K字节，测试范围：
O一5000mm（钢纵波），工作频率：
0.5—15MHz，工作温度：
10℃—+45℃[7]。
北京美泰科仪生产的MUT系列超声探伤仪器（如图1-2MUT350B超声探伤仪），能够快速便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷（裂纹、夹杂、气孔等）的检测、定位、评估和诊断。
其特点是全中文操作键膜，简捷易懂，全数字真彩色液晶显示器（TFT），并且可根据环境选择背景色和波形颜色，液晶亮度可自由设定。
图1-2MUT350B超声探伤仪
综上所述，超声检测仪器借助信息技术的进步，正在向着数字化，轻便化，强大功能方向发展，除了保持传统检测仪器的基本功能外，在操作方式、波形显示、波形的记录、存储和分析，自动探伤和信号处理等方面都有着明显的优点。
1.3.3本课题研究的意义
本课题的研究主要着眼于便携式超声探伤仪的前端模拟信号调理电路的设计，即限幅电路、AGC电路、线性放大电路、A/D转换电路以及与其他模块的接口部分。
本课题的研究目的在于设计一款通用的信号采集模块，能够直接应用于探伤仪器的研制，以期缩短研制周期，简化设计流程。
1.4论文的主要内容和结构安排
本论文的主要研究内容是便携式超声探伤仪的信号接收电路的设计，也可以说是信号处理电路。
但与通常所说的处理不同，这里只包括信号的衰减与模数转换。
本文的结构安排如下：
第一章是绪论部分，主要介绍本课题的来源以及设计产品的相关工业背景，并简要介绍了以下超声探伤仪在国内和国外的研究现状。
第二章是系统概述部分，分为三节，从三个方面介绍本设计以及相关的理论知识。
第一节介绍了模拟超声探伤仪与数字探伤仪的基本组成和它们之间的区别。
第二节详细介绍了相关概念，主要包括模数转换、自动增益控制（AGC）、低通滤波器、探伤原理、波形显示及缺陷的判定评价。
第三节介绍了本设计的总体结构框图。
第三章是系统设计部分，是具体设计的简单介绍，分为四节（按功能部件划分）。
第一节是限幅电路的设计。
第二节是自动增益控制（AGC）电路的设计，这是本设计最为重要的部分，是重点。
第三节是滤波器和跟随器部分。
第四节是模数转换器部分。
论文只是简单的介绍设计过程，对于所使用的各个芯片，并未做太多的描述，只是叙述了与设计相关的关键点。
第四章是PCB制作，主要包括三节。
第一节简单介绍以下设计所用软件的特性和优点，希望能够引起同学们的注意。
第二节介绍了在设计高频板时应注意的细节和事项。
第三节是绘制PCB图。
第五章是设计总结，主要包括设计感想和进一步研究的方向。
第二章系统概述
2.1超声探伤仪的基本结构
现如今的超声波探伤仪有两种，一种是传统的模拟式超声探伤仪，另一种则是新兴的数字化超声探伤仪。
尽管，另种仪器有很大的不同，但关键部位的原理还是相通的。
2.1.1传统模拟探伤仪
超声探伤仪最基本的功能是①激发超声换能器（探头），产生超声脉冲。
②把超声换能器产生的微弱电信号放大。
③以适当的形式把超声脉冲显示给使用者观察。
在传统的超声探伤仪（如图2-1）中,同步电路产生等时间间隔的同步脉冲,使超声探伤仪所有各部分按规定的节拍工作（此即超声探伤仪的重要参数之一——脉冲重复频率）。
同步脉冲触发发射电路,产生高压电脉冲,后者加到超声换能器上,激发超声脉冲。
在单探头状态,这些高压电脉冲和超声脉冲转换回来的微弱电脉冲一起,加到限幅耦合电路上。
该电路放过小幅度脉冲,但不让高压脉冲通过,以保护放大器不被高压电脉冲烧毁。
经过放大器、检波器和视频放大器后,信号幅度可达数十伏,加到示波管的垂直偏转板上。
另一方面,同步电路发出的同步脉冲触发水平扫描电路,在示波管上形成大家熟知的时基线。
两者共同作用形成常见的A型显示[3]。
图2-1传统超声探伤仪的结构图
2.1.2数字超声探伤仪
数字超声探伤仪构成见图2-2。
从图2-2可以看到大家熟知的发射电路、限幅耦合电路和放大器,图2-1的同步电路、水平扫描电路、示波管、检波器和视频放大器等部分不见了,取而代之的是微处理器或数字信号处理器（DSP）、显示器和模数转换器。
在这里,微处理器或DSP控制整个探伤仪的协调工作。
发射电路、限幅耦合电路和放大器的功能与模拟探伤仪相同。
放大器输出的脉冲交给模数转换器,后者将其转换成数字信号,微处理器将这些数字信号处理（如数字检波、低通滤波等）后交显示器显示[3]。
图2-2数字超声探伤仪的结构图
2.2数字超声探伤仪的基本概念及参数
数字化超声探伤仪的主要流程是模数转换、数字滤波、数字整流、数据压缩或插值、波形显示以及附加功能。
2.2.1模数转换
超声信号是连续变化的脉冲,是一模拟量。
数字超声探伤仪不直接显示这种脉冲波形,而是先把它变成数字形式交由电脑处理后再用显示器显示。
图2-3采样示意图
波形数字化的方法是高速度、等间隔地采样。
图2-3a是一规则的脉冲（一个正弦周期）。
如果在该区间采16次样（图2-3b中小圆圈），然后把这些样本的高度按相同间隔显示出来（图2-3b），可见，图2-3b依稀有图2-3a模样，可以说是图2-3a的粗略再现。
如果想使图2-3b更逼真，就要提高采样密度。
如果把采样点增加到32点，64点以至更多，再现的波形将会越来越逼真。
相反，如果采样点减少到4点甚至更少，则波形将会越来越差。
根据采样定理，采样频率大于等于信号最高频谱成分的两倍即可保存信号所包涵的信息。
实践中，超声脉冲可看作一种窄带信号。
研究表明，对窄带信号，4倍于其中心频率即可很好地保存其信息，意思即可通过随后的信号处理（如低通滤波）恢复其原始波形。
当然,如果可以用8，16，甚至32倍采样频率会更好，以至高到最后可以不需随后的信号处理就可足够精确地直接显示原始波形[3]。
模数转换的第二个重要参数是字长，即一个模拟量可用多少个二进制数表达出来。
常用的有8、10、12位（bit）等。
8位（bit）相当于10进制的256。
字长8位的模数转换器涵义是可以把一个数值分为256等分。
如果把一个正弦波周期的从负最大值到正最大值恰好与模数转换器的输入范围一致，则它最多可分成0～255共256种不同的数值。
观察波形通常是检波后的波形。
经过全波检波后,负半周被取了绝对值,故检波后最多只能有128个数值。
由此可见8位字长时,其理论精度（不考虑其它误差）为1%左右。
实际上,由于数字化噪声等因素,8位字长的模数转换器的有效字长一般为6.5～7位,即不超过64个数字,实际精度约2%。
对超声探伤来说,这就够了。
如果提高到10位字长,相当于1024等分,其精度可提高几倍。
受仪器成本和功耗的限制,早期的数字超声探伤仪几乎都是8位的。
随着电子技术的提高,使用10,12位模数转换器的数字超声探伤仪也开始出现[3]。
模数转换器的第三个重要参数是存储深度,即能存储多长的波形。
这个参数与采样频率一起决定着探伤仪的探伤范围。
传统超声探伤仪的最大探伤范围通常是6m左右的钢。
可以算出,6m的钢中声时约为2000μs。
一台数字探伤仪的采样频率若是100MHz,即1μs采集100个点,2000μs就是200000个点；10MHz时，20000个点。
这些高速采集到的波形信息，都要先到高速缓冲存储器后再给微处理器（MPU）或数字信号处理器（DSP）处理。
缓存容量越大,速度越快,价格和功耗就会越高；同时也会导致处理量加大，需要更快速、功能更强的处理器。
但是，这又会导致价格和功耗的提高[3]。
2.2.2自动增益控制（AGC）
在通信、导航、超声探伤等无线电控制系统中，由于受发射功率大小、收发距离远近、电波传播衰减等各种因素的影响，接收机所接收的信号强弱变化范围（动态范围）很大（信号范围可从几微伏至几伏变换）。
一般的接收机都具有60-80dB的动态范围，现代接收机则对动态范围指标提出相当苛刻的要求，往往超过100dB，如图2-4所示。
如果接收机的增益恒定，则强输入信号会使接收机饱和或者阻塞（非线性失真），甚至使接收机损坏；而太弱的信号则可能使解调器检测不到它而被丢失[8]。
因此，为了提高接收机的动态范围，在接收弱信号时，希望接收机有很高的增益，而在接收强信号时，接收机的增益应减小一些。
这就需要自动增益控制电路（AGC,AutomaticGainControl，自动增益控制）。
图2-4某接收机动态范围的示例
2.2.3低通滤波电路
滤波电路是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置。
工程上常用它来作信号处理、数据传送和抑制干扰等。
滤波电路大多是模拟滤波器。
以往这种滤波电路主要采用无源元件
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