凌华多通道数字化仪PCI-9846在超声波检测系统中的应用(2)

具有较大的缓存。A/D变换后的数据要送到计算机进行处理，两者利用PCI总线交换数据，本系统是4路同时采集的系统，采样后的数据量很大，大容量的存储可以降低计算机实时处理的要求。

易于开发使用。作为与计算机通信的设备，应该在软件上有相应的驱动和多种软件的支持。

综合上述因素，从价格、性能等考虑，采用了凌华科技公司的PCI-9846数字化仪，主要原因在于自行设计电路开发周期长、驱动开发困难、成本高等。PCI-9846数字化仪[5]具有四路输入，满足输入端子数的要求;每路都可以达到40MS/s的采样速率，可以满足数字化处理的要求;板载了512MB的内存，可以有效缓解设备间接口的异步问题，此外凌华科技公司还提供了Matlab、VC++、.net的开发驱动和开发包，可以让用户直接关注应用。

三、关键电路及实现

3.1 超声波发射电路

在超声波检测系统中，发射电路是系统中的关键部分，它决定了超声波检测系统能达到的最终指标。合理设计的发射电路直接影响到换能后的发射功率和波形的重复性，超声波换能器需要的是瞬时高功率尖脉冲波形，一般要求其激励脉冲幅度大于100V以上，脉冲宽度应该在us级别，具体的值取决于发射头的指标。传统的发生电路有瞬时放电法、脉冲激励法和谐振法，其中后两者的应用比较广泛，这些电路都存在需要高压电源、变压器等缺点。鉴于此，采用电感式脉冲发生器产生激励脉冲，其电路如图2所示[1]。

图2 高压脉冲发生电路

脉冲由U1的12脚输入，特别注意IR2110的选择，如果直接使用脉冲驱动IRF7450，由于隔离、驱动的原因，得不到理想的高压脉冲驱动。IRF7450是Vds=500V的MOSFET，其电流可以达到20A左右，可以满足理想开关快速切换的要求，储能线圈L1在开关的控制下产生高压，其中二极管D1与D2分别起保护作用，超声波换能器V1可以采用美国GE公司的014LJM，也可以根据应用换装其它型号。

图3所示为产生的高压脉冲，测量时在示波器加一个纯阻性25倍衰减头，图中纵轴为2V/格，横轴为100ns/格，使用瞬态电平激发同步，可见产生的脉冲幅度在近200V左右，脉冲宽度为300ns左右。

图3 产生的高压脉冲信号

3.2 程控接收电路

经过超声波接收探头接收换能后的电信号幅度很小，基本上都是数微伏左右，满足不了数字化的需要，必须进行放大处理。此外为了适应各种场景的探伤要求以及自动测试的需求，该电路放大倍数应该由计算机控制。

目前各种集成运算放大器很多，但是针对本应用，其主要处理中心频率5MHz的信号，因此，选择放大器的带宽应该大于5MHz，这里选择了TI公司的OPA2300，该芯片包含两个运算放大器，并且每一路都有禁止端，其增益带宽积达到150M，完全满足此时信号放大的需要，噪声系数为3nV/Hz，能够满足低噪声放大的需求，其供电采用单+5V供电，不必使用双路电源供电。

增益放大的调整可以通过选择其增益环路的电阻进行，由于控制信号是计算机给出的数字信号，因此需要一片DAC完成数字模拟信号的转换，DAC选择8位D/A转换芯片AD7524，由单片机给AD7524输入8位数据，经过变换后，选通相应的二极管，控制增益电阻实现增益调整。

3.3 系统控制的选择

整个系统由计算机发起测试，但是要同时控制四个探头，特别是要保证四个探头发出的探测信号保持特定的时序关系，此时必须有一个外部控制设备连接计算机和探头设备，这里采用单片机完成这一工作。

目前计算机和单片机的连接常用的有RS-232接口。但是随着技术的发展，USB接口逐渐成为了主流，它速率高，可扩展性好，采用总线供电方式，支持即插即用等功能。因此，这里使用Silicon公司的C8051F340单片机作为外部控制设备，与计算机使用USB进行通信。

C8051F340单片机是与8051兼容的新型单片机，具有低功耗、高性能、高速流水线结构等优点，内部包括了64K的flash，4352字节RAM，对本应用来说不需要再外接存储设备。该单片机包含四个16位计数器，能够满足同时控制四个探头采集时序的要求，支持16位中断，可以满足本应用中的采集控制的需要。具有40个I/O线，可直接与+5V进行连接，不需要接口电平转换。特别是该型号单片机集成了USB控制器并提供相应的开发软件，具有开发简单的特点。