精密声速仪及其逻辑仿真

    1 引言

    超声波在媒质中传播时,媒质的声速、衰减和声阻抗等超声量都和媒质的特性及状态有关。通过测量这些声学量,就能了解被测媒质的特性和状态的变化。声速是描述超声波在媒质中传播特性的一个基本物理量,因而声速精密测量技术的发展,对于声学基础理论研究,声学技术应用开发都是很有意义的。超声测量技术的应用与发展是和测量方法与仪器的研究直接相关的。在电子技术,计算机和自动控制技术快速发展的今天,工业生产和科学研究迫切需要一种现代化的超声声速测量设备,这种设备应该具有下述功能: 1)能够高精度的测量精密声速; 2)能够用微机操作进行自动测量于是本实验室研制出了精密超声声速自动跟踪测试仪,它采用了改进的回鸣法来测量精密声速,其自动化程度和精度在国内具有领先水平。

    2 精密声速仪的系统介绍

    精密声速测量系统是由一台微机、测量主机和示波器组成,具体连接见图1。其中,微机是用来控制声速仪的正常运作的,并且对声速仪测得数据进行处理、运算,最终给出结果;而测量主机则通过微机的控制,按部就班地执行测量程序;示波器是用来观察回波信号和定位光标信号的,我们可以通过观察示波器,使用相应控制软件对相应信号进行适当的调整,从而得到更好的测量结果。

    测量主机通过特制的扁平电缆与微机的标准并行接口连接,实现与微机的通信。同时测量主机的回波信号及光标信号输出分别接示波器的两个通道的输入端,主机的同步输出接示波器的外触发输入端。(注:示波器的工作方式:双踪显示;同步方式为外触发ext trig)

    测量主机主要由两大部分组成:即数字和模拟部分。数字部分包括:与微机通信接口模块、控制及声时测量模块;模拟部分包括:发射信号放大模块和接收模块。其相互之间的关系见图2。(注:图中CC是指ComputerControl)

    3 精密声速仪中的数字逻辑电路

    随着超大规模集成电路(Very Large Scale IC,VLSI)工艺的不断提高,单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管, FP-GA/CPLD芯片的规模也越来越大,其单片逻辑门数已达到数十万门,它所实现的功能越来越强,为了提高稳定性和集成性,我们将精密声速仪的数字逻辑电路部分用VHDL模块化实现,并且用ALTERA公司的flex10k芯片作为载体,采用了层次化设计的理念将其实现。这样做,不仅可以将复杂的模块分解为几个相对简单的子模块,还有助于将来故障的分隔与查找,同时极大的方便了对整个系统的统调。

    控制与声时测量模块是精密声速仪中数字逻辑电路的主要功能模块,这部分模块是整个测量主机的核心部分,除了完成声时的循环测量外,它还负责定位光标的形成和切换,示波器外同步信号的形成,高频发射脉冲信号的产生,测量时有效过零点的检出等等。具体到各功能模块的关系如图3所示。