基于FPGA技术的新型相控阵驱动电路

　　0 引言

　　随着现代工业的高速发展，社会对各类机械结构的安全性和可靠性的要求越来越高，利用无损检测技术可以实现对机械结构损伤的早期识别，从而预防结构损伤的扩大，保障机械结构的安全运行[1 -2]。超声相控阵无损检测技术可以高速、全方位和多角度地对机械结构及零部件进行损伤检测，有效解决了结构损伤检测中信号可达性差和空间限制等问题[2 -3]。

　　目前的超声相控阵驱动电路的实现方法是通过在换能器两端产生高压脉冲，从而产生超声波信号[4 -5]，这种驱动方式简单可靠，但难以调控发射信号幅值等参数，缺陷处回波的有效信号不够突出，使得相控阵检测的分辨率较低。文中设计了一种基于 FPGA 技术的新型超声相控阵驱动电路，作为超声相控阵系统的基本模块，可实现任意波形信号的激励以及驱动信号的强度可控。

　　1 驱动电路结构设计

　　驱动电路的作用是产生具有一定功率、频率特性以及可控电压幅值的电信号去激励超声换能器产生超声波。如图 1 所示，驱动电路由波形信号生成模块( 由 FPGA 控制器和 D/A 模块组成) 、程控放大模块以及高频功放驱动模块组成。

　　1. 1 信号生成模块设计

　　信号生成模块采用基于现场可编程门阵列 FPGA 的数字化波形激励方式，产生系统所需的特殊的激励信号波形。信号生成模块主要由 FPGA 和 D/A 转换器组成，结构如图 2 所示。信号生成模块中，采用 FPGA 作为设计平台，因其具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，减少了硬件的复杂程度，降低了成本。FPGA 的片上结构包括频率合成器、地址计数器、以及波形存储器等。激励波形的产生方法是根据波形函数表达式，产生波形的量化数据并将数据导入存储器中，然后由地址计数器顺序读出存储器中的数据经 D/A 转化为模拟信号，信号的频率由频率合成器决定。

　　数模转换器( DAC) 将数字化波形信号转换成模拟波形信号。与 FPGA 内部波形存储器相对应，模块中选用的是 10 位高速 CMOS 电流输出型数模转换器。在其两输出端加上精密负载电阻 R，从而将输出电流信号转换为电压信号，并且采用差分输出的方式获得交流信号。

　　1. 2 程控放大模块设计

　　程控放大模块中，利用超声波在材料中的衰减规律，在 FP-GA 内部构建强度补偿的算法，从而对输入的波形信号进行程控增益的放大，将激励信号幅值放大至 ± 0. 5 ～ ± 1. 5 V，从而实现超声波发射强度的可控，以使得各通道到达缺陷处的超声信号强度相等。结构如图 3 所示，该模块包括 FPGA 算法控制模块、可变增益放大器以及数模转换器等。