超声相控阵声束接收电路的研究

论文总字数：23560字

摘 要

超声相控阵检测技术广泛应用于工业检测系统中，其硬件组成主要有发射电路、接收电路，基于超声相控阵检测仪器小型化的需求，本文设计了集成式32通道超声相控阵接收电路。

论文通过对超声相控阵回波信号的接收、放大、滤波等原理的研究，采用八通道集成脉冲发生器MAX14808及AFE5808A八通道超声模拟前端芯片完成了超声回波接收前端、回波信号放大、低通滤波、ADC模数转换等硬件电路设计。超声回波接收前端电路设计中，为避免高压脉冲对接收放大器的破坏，在回波信号接收前进行限幅隔离电路设计。回波信号放大电路包含低噪声放大电路、电压控制衰减电路及程控增益放大电路，低噪声放大及程控增益放大通过程序控制实现，电压控制衰减电路的增益补偿由DA输出电流转输出电压控制实现。为减小回波信号中的噪声干扰，采用了三阶低通滤波电路。

此外，本文还设计了接收电路供电系统。接收电路为多电源供电系统，需要1.8V、3.3V、±5V的供电电压。由于芯片工作需要，供电电压又分为模拟供电电压和数字供电电压，为减少数字电路给模拟电路的干扰，需要将模拟供电与数字供电隔离开。

本文设计的超声相控阵接收电路满足最大回波接收信号1VPP、接收频带宽度20MHz、最大增益90dB的设计要求。

关键词：超声相控阵，超声模拟前端，增益补偿，低通滤波

Abstract

Ultrasonic phased array detection technology is widely used in industrial inspection system，and the hardware mainly consists of transmitting circuit and receiving circuit, based on the requirement of miniaturization of ultrasonic phased array testing instrument, this paper designs an integrated 32 channel ultrasonic phased array receiving circuit.

Based on the echo signal of ultrasonic phased array receiving, amplifying and filtering principle research, using eight channel integrated pulse ultrasonic generator MAX14808 and AFE5808A eight channel analog front-end chip to complete the design of the ultrasonic echo receiver front-end circuit, echo signal amplifier circuit, low pass filter circuit and analog-to-digital conversion circuit. In order to avoid the damage of the high voltage pulse to the receiving amplifier, the limiting isolation circuit design is carried out before the return signal receiving. Echo signal amplifier circuit includes low noise amplifier circuit, voltage control attenuation circuit and programmable gain amplifier circuit, low noise amplification and programmable gain amplification realized through program control, and the gain compensation of voltage controlled attenuation circuit is realized by the control of DA current to voltage output. In order to reduce the noise interference in the echo signal, a three order low pass filter.

In addition, the receiving circuit power supply system is designed in this paper. The receiving circuit is multiple power supply system, needs 1.8V, 3.3V, 5V and -5V supply voltage. As a result of the work of the chip, the supply voltage is divided into analog power supply voltage and digital power supply voltage, and in order to reduce the interference of digital circuit to analog circuit, the analog power supply and digital power supply are needed.

The ultrasonic phased array receiving circuit designed in this paper meets the design requirements of the maximum echo receiving signal 1VPP, the receiving frequency band width 20MHz, and the maximum gain 90dB.

Keywords: Ultrasonic phased array, ultrasonic analog front-end, gain compensation, low pass filtering.

目录

摘要 I

Abstract Ⅱ

目录 Ⅲ

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.3 本课题研究内容 2

1.4 论文组织结构 3

第二章 超声相控阵系统理论基础 4

2.1 超声波探测原理 4

2.2 超声相控阵成像基本原理 4

2.3 超声相控阵发射、接收聚焦延时 7

2.4 超声相控阵回波信号处理关键技术 7

2.4.1低噪声放大电路(LNA) 7

2.4.2程控可变增益放大电路(PGA) 8

2.4.3电压控制衰减电路(VCAT) 8

2.4.4滤波电路 8

2.5 本章小结 8

第三章 超声相控阵接收电路设计 9

3.1超声相控阵总体方案设计 9

3.1.1超声相控阵系统框架 9

3.1.2接收电路设计参数指标 9

3.2超声相控阵接收电路设计 10

3.2.1超声相控阵回波接收前端电路设计 10

3.2.2回波选择电路设计 11

3.2.3回波信号处理模拟前端电路设计 12

3.3超声相控阵接收电路电源系统 18

3.3.1超声相控阵接收电路电源需求 18

3.3.2超声相控阵接收电路电源设计 18

3.4 本章小结 20

第四章 总结与展望 21

4.1课题工作总结 21

4.2课题工作展望 21

致谢 22

参考文献 23

绪论

课题背景与意义

超声检测仪器已经在工业应用中使用超过七十年。自二十世纪四十年代起，高频声波已经用于探测金属、复合材料、陶瓷裂缝及其他材料内部的不连续性，此外，还可以检测材料的厚度。完全无损的超声检测方法在各种工业系统如铁路运输、船舶工业等，都得到了广泛的应用^[1-3]。

伴随着电子技术的发展，超声检测有了很大的进步，后又得益于计算机技术的突飞猛进。早期的研究表明超声波能以可预见的方式将材料的缺陷及材料边界反射回来，并可以在屏幕上显示相应的回波图案。

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