基于AD603的超聲探傷儀信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)方案

超聲探傷儀已經(jīng)在機(jī)械零件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。其原理是電壓激勵(lì)超聲換能器向零件中發(fā)射超聲波，被缺陷反射的超聲波回到換能器，轉(zhuǎn)化成電壓，該電壓經(jīng)信號(hào)放大電路放大后顯示出來(lái)，從而傳遞出零件內(nèi)部缺陷的信息。由于缺陷反射波電壓從幾毫伏至幾百毫伏不等，故信號(hào)放大電路必須有按需調(diào)整放大倍數(shù)的能力。根據(jù)《A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術(shù)條件（JB/T10061—1999）》，超聲探傷儀的增益調(diào)整范圍至少達(dá)到60dB。因此本文設(shè)計(jì)一種以集成運(yùn)算放大器AD603為核心，輔以高速運(yùn)算放大器AD8041的超聲探傷儀信號(hào)放大電路。

1.電路設(shè)計(jì)

1.1電路整體結(jié)構(gòu)

信號(hào)放大電路整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩片AD603級(jí)聯(lián)，每片之前采用AD8041構(gòu)成的反相比例放大器進(jìn)行阻抗匹配。

圖1 信號(hào)放大電路整體結(jié)構(gòu)

AD603采用并聯(lián)控制方式，即兩片的控制電壓始終保持一致，故總體增益是單片AD603增益的兩倍。圖中，“恒定參考電壓”由電壓基準(zhǔn)芯片產(chǎn)生，“DA模擬控制電壓”是由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的可控直流電壓。AD8041有一個(gè)芯片使能引腳，使用一個(gè)片選信號(hào)進(jìn)行控制，可以決定芯片是否工作。這一功能在多通道信號(hào)放大電路輪流工作時(shí)將發(fā)揮作用。

1.2增益控制原理

AD603是一種集成運(yùn)算放大器，圖2為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。3號(hào)引腳VINP為信號(hào)輸入端，7號(hào)引腳VOUT為信號(hào)輸出端。通過(guò)改變1號(hào)引腳GPOS和2號(hào)引腳GNEG之間的電壓差，可以控制接入電路的梯形網(wǎng)絡(luò)范圍，從而控制芯片增益。具體設(shè)計(jì)中，“恒定參考電壓”供給2號(hào)引腳GNEG，“DA模擬控制電壓”供給1號(hào)引腳GPOS。設(shè)計(jì)采用5、7號(hào)引腳直接短接的方式，獲得單片AD603增益調(diào)整范圍一1ldB至+31dB，共計(jì)42dB。因此，放大電路整體的增益調(diào)整范圍為84dB。

圖2 AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

增益計(jì)算公式是：

Gain（dB）=40VG（dB/V）+10（dB）

其中，VG為引腳GPOS和GNEG之間的電壓差（單位V）。由于GNEG等于“恒定參考電壓”，保持不變，故調(diào)整“DA模擬控制電壓”，就可以改變VG，從而控制增益。

1.3AD8041阻抗匹配

根據(jù)AD603數(shù)據(jù)手冊(cè)，必須在負(fù)載電阻大于500Ω時(shí)，AD603輸出電壓才能達(dá)到峰值±3V;其輸入電阻典型值為100Ω。因此，如果兩片AD603直接級(jí)聯(lián)，會(huì)由于后級(jí)的輸入阻抗過(guò)小而造成前級(jí)的增益低于預(yù)期。另外，如果反射波電壓信號(hào)直接輸入AD603，也會(huì)由于輸入阻抗過(guò)小而造成信號(hào)失真。

為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用高速運(yùn)算放大器AD8041搭建反相比例放大電路（如圖3所示）起到阻抗匹配的作用。

圖3 AD8041反比例放大電路

反相比例放大電路輸入電阻公式為：

其中，Ri為運(yùn)放的開(kāi)環(huán)輸入電阻，根據(jù)AD8041數(shù)據(jù)手冊(cè)，Ri=160kΩ;A0為其開(kāi)環(huán)放大系數(shù)，在超聲波頻率（2.5MHz）時(shí)A0=35dB，即56.23倍（根據(jù)AD8041開(kāi)環(huán)頻響曲線確定，如圖4所示）;F0為負(fù)反饋系數(shù)，數(shù)值上等于R1與R3，電阻值之比，實(shí)驗(yàn)中取0.05。帶入計(jì)算得，Rin=41.98kΩ》500Ω。因此，AD8041可以提供足夠的輸入電阻。

圖4 AD8041開(kāi)環(huán)頻響曲線

另外，根據(jù)AD8041數(shù)據(jù)手冊(cè)，負(fù)載電阻50Ω時(shí)，輸出電壓可以達(dá)到4.5V，接近飽和。因此，AD8041可以驅(qū)動(dòng)AD603。

2.自激振蕩及其消除

2.1自激振蕩機(jī)理分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)AD603增益較大時(shí)，電路極易產(chǎn)生高頻自激現(xiàn)象，現(xiàn)將其生成機(jī)理建模分析如下。首先介紹負(fù)反饋?zhàn)约ふ袷幍慕?jīng)典理論。一般的負(fù)反饋電路可以抽象成如圖5所示的模型。發(fā)生自激振蕩的條件是：

其中，A為開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，F(xiàn)為負(fù)反饋傳遞函數(shù)。就圖1信號(hào)放大電路而言，每一級(jí)運(yùn)放負(fù)反饋都是純電阻網(wǎng)絡(luò)反饋，而且運(yùn)放的開(kāi)環(huán)相位延遲恒小于180°，故單級(jí)運(yùn)放不滿足自激條件。然而，印刷電路板不可避免要引入寄生電容，在超聲波頻率及其高頻諧波的量級(jí)上（2.5MHz至25MHz），它會(huì)引起各級(jí)之間的反饋。這里只考慮最后一級(jí)輸出信號(hào)到第一級(jí)AD8041的輸入的反饋，建立圖6所示的模型。

圖5 一般負(fù)反饋電路

圖6 寄生負(fù)反饋模型

其中，C是上述兩端之間的寄生電容，假設(shè)其值僅有0.1pF;Rin為第一級(jí)AD8041的輸入電阻，前文已計(jì)算得，Rin=41.98kQ。它們實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)無(wú)源高通濾波器。由于負(fù)反饋電路模型（圖5）中F指的是負(fù)反饋的傳遞函數(shù)，故圖6的模型向整個(gè)電路中引入的負(fù)反饋傳遞函數(shù)為：

其頻率響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 寄生負(fù)反饋頻響曲線

可見(jiàn)，2.5MHz至25MHz頻率時(shí)的相位響應(yīng)為。﹣93.8°至﹣123°，對(duì)比自激振蕩的條件可知，只要四個(gè)級(jí)聯(lián)的運(yùn)放能在這一頻段上提供﹣86.2°至﹣57°的相位響應(yīng)和足夠大的放大系數(shù)就可以發(fā)生自激振蕩。根據(jù)AD603數(shù)據(jù)手冊(cè)，它在這一頻段閉環(huán)傳遞函數(shù)的相位延遲很小，故這里只考慮AD8041閉環(huán)傳遞函數(shù)引起的相位延遲。每個(gè)AD8041閉環(huán)傳遞函數(shù)只要提供﹣43.1°至﹣28.5°的相位響應(yīng)就滿足了自激振蕩的相位要求。

根據(jù)AD8041的開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)（如圖4所示），其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)包含兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)比例環(huán)節(jié)，極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率分別為：f1=0.1MHz和f2=90MHz，比例系數(shù)K=2000。故開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式：

則圖3所示的AD8041閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

其頻率響應(yīng)曲線如圖8所示?？梢?jiàn)，2.5MHz至25MHz頻率時(shí)的相位響應(yīng)為﹣14.1°至﹣82.8°，因此在這一頻段必有一點(diǎn)的相位響應(yīng)契合﹣43.1°至﹣28.5°的相位要求，滿足自激振蕩條件。

圖8 AD8041閉環(huán)頻響曲線

2.2超前補(bǔ)償消除自激振蕩的原理

通過(guò)在反相比例放大電路（如圖3所示）的電阻R，上并聯(lián)小值電容C。（經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定取值20pF）構(gòu)成超前補(bǔ)償，可以破壞自激振蕩的相位條件，從而消除這一現(xiàn)象。

超前補(bǔ)償后的負(fù)反饋傳遞函數(shù)為：

故新的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

其頻率響應(yīng)曲線如圖9所示。

圖9 引入超前補(bǔ)償前后頻晌曲線比較

可見(jiàn)，引入超前補(bǔ)償后，閉環(huán)傳遞函數(shù)從典型的振蕩環(huán)節(jié)變?yōu)閮蓚€(gè)慣性環(huán)節(jié)，幅頻響應(yīng)略有下降，但相頻響應(yīng)產(chǎn)生了巨大變化。在需要關(guān)注的2.5MHz到25MHz頻上，相頻響應(yīng)基本穩(wěn)定在﹣90°，那么兩級(jí)AD8041超前補(bǔ)償?shù)南囝l響應(yīng)為﹣180°，不可能提供﹣43.1°至﹣28.5°的相位條件。由此可見(jiàn)，超前補(bǔ)償可以從根本上消除自激振蕩。

結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了基于AD603的超聲探傷儀信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)采用兩片增益可控的集成運(yùn)算放大器AD603級(jí)聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)了增益調(diào)整范圍84dB的信號(hào)放大電路。通過(guò)建模分析了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中四級(jí)運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)產(chǎn)生自激振蕩的機(jī)理，采取超前補(bǔ)償可以破壞自激振蕩的相位條件，從而從根本上解決了該問(wèn)題。
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