虚拟超声波无损探伤系统前端电路设计实现

2．2 限幅与接收放大电路

当检测范围很大时，深度缺陷或底波的反射波信号很微弱，因此在处理之前需要进行高增益放大处理。而由于探头是收发一体的，发射信号很强，它同时作用于接收电路，而且在实现的测试过程中，有可能加进强干扰，因此为保护放大电路不致损坏，使放大电路能处于线性的动态范围，需要在放大之前接收信号进行限幅，限幅电路如图5所示。图中电阻R3相对于发射电路中的可调电阻R2要足够大，用以消除接收电路对发射电路产生负载效应。选用具有较大正向电流的二极管(如2K61701)D2和D3构成双向限幅电路，防止发射电路中的高压脉冲进入到后端接收电路中，这样限幅电路的输出在士0．7 V左右，达到了该电路的预期效果。限幅之后，便是放大电路，为了能够测量幅度的变化值，在回波信号进入放大器之前，先经过已校准的衰减器，以便于对信号幅度定量调节，以适应不同的信号范围。该设计选用AD(ANALOG DEVICES)公司推出的压控增益放大器AD603进行程控增益放大电路模块的设计。AD603具有线性分贝、低噪声、宽频带、高增益精度以及增益控制灵活等特点，其高达50 MΩ的阻抗能够保证信号充分加载到后级电路中。AD603程控增益原理图如图6所示，其管脚说明如表1所示。







AD603提供精确的、可由管脚选择的增益，且其增益线性可变，而且在温度和电源电压变化时有很高的稳定性，增益变化范围40 dB，增益控制转换比例25 mV／dB，相应速度为40 dB，变化范围所需时间小于1μs。如图6所示，AD603内部包含一个七级R一2R梯形网络组成的0～一42 dB的可变衰减器和一个固定增益放大器，此固定增益放大器的增益可以通过外接不同反馈网络的方式改变，以选择AD603不同的增益变化范围。AD603的这种可变增益功能是其他运算放大器所不能比拟的。

超声回波信号由VINP进入衰减器衰减后，再通过定增益放大器放大。衰减器的增益控制由控制电压VG完成，VG是差动输入的增益控制电压，即GPOS与GNEG之差，范围是一O．5～+O．5 V。定增益放大器的增益可以通过外接不同反馈网络的方式改变，以选择AD603不同的增益变化范围。

(1)当AD603输出端VOUT与反馈端FDBK短接时，Gain(dB)=40VG+10；此时增益范围为一10～+30 dB，带宽为90 MHz。

(2)当AD603输出端VOUT与反馈端FDBK接上反馈电阻时，Gain(dB)=40VG+20；此时增益范围为0～+40 dB，带宽为30 MHz。

(3)当反馈端FDBK接地时，Gain(dB)=40VG+30；此时增益范围为10～50 dB，带宽为9 MHz。

由此可见，AD603的增益控制是相当灵活的。在实际的使用过程中，可以将多片AD603串联来实现更大的放大和动态范围控制。本设计首先使用了单片AD603作为前置放大，之后使用了两片AD603串联使用作为AGC自动增益放大。前置放大器如图7所示。



如图7所示，在设计中将输出端VOUT和反馈端FDBK之间用电位器R3连接，可以灵活地选择增益范围。通过调节电位器R2，可以调整GPOS与GNEG间的电压在0～0．5 V之间，如果将电位器R3的阻值调至0，则使得放大器的增益变化范围是10～30 dB。AGC自动增益放大电路的设计原理类同，限于篇幅，这里不再赘述。电路的输出波波形如图8所示。



3 带通滤波电路

高频放大电路在对回波信号进行放大的过程中会引入噪声，为了对引入噪声进行控制，提高系统整体的信噪比，需要设计带通滤波器来对噪声进行滤除。该设计选用美信(MAXIM)公司生产的MAX4104设计了带通滤波电路，其中心频率为5 MHz，增益K=4，品质因数Q=5，带宽B=1 MHz。如图9所示为带通滤波电路及回波信号经过滤波后的结果。



4 结 语

介绍了虚拟式超声波无损探伤设备的前端电路的设计与实现。为验证所设计的电路功能，采用JB／T4730．3—2005标准规定的CSK—I A试块进行实验，结果表明这些电路能够很好地完成在进行A／D转换之前的信号调理任务，电路性能稳定可靠。