可實現單音頻信號頻率可調功能的信號源設計方案

在應用于管道缺陷檢測的眾多無損檢測技術當中，超聲導波檢測技術與常規無損檢測方法相比，具有檢測距離長，檢測速度快等突出優點。超聲導波在管道中傳播時存在多模態與頻散特性，若超聲導波所用的激勵源仍采用常規超聲檢測時寬帶激勵的方法，則在管道中所激發出的超聲導波，將會發生頻散，即不同頻率的超聲導波其群速度也不一樣，這樣會使管道中接收到的超聲導波回波信號的幅值微弱，不利于缺陷檢測的分析與處理，頻散嚴重時可能無法得到缺陷回波信號。通過分析頻散曲線可知，在某一頻率范圍內，某一模態的導波幾乎不發生頻散，縱向軸對稱導波模態L(O，2)就是其中的一種，L(0，2)模態在一定的頻率范圍(40～500 kHz)內其傳播速度幾乎保持不變，且傳播速度最快。若采用相應頻段內的窄帶脈沖作為激勵信號，則可激勵出L(O，2)模態占主導的超聲導波，這樣可最大限度地避免超聲導波的頻散現象帶來的不利影響。利用高速單片機，數模轉換器等設計了專門用于激勵超聲導波的窄帶激勵信號源，該信號源可實現漢寧 (Hanning)窗的寬度可調，單音頻信號頻率可調的功能，提供了一種用于激勵超聲導波的激勵信號源的設計方法。

1 系統總體結構

在進行超聲導波管道檢測時，一般選用漢寧窗調制單音頻的窄帶信號脈沖作為激勵信號源，即選的激勵函數為

其中，f為單音頻信號頻率，n為漢寧窗調制的單音頻的周期數。

根據超聲導波在管道中的傳播特性，對于不同材料及尺寸的管道，所需的超聲導波窄帶激勵信號的頻率及周期數不盡相同。利用高速單片機與數模轉換器構成信號發生器，實現漢寧窗調制下的單音頻信號的頻率可調及漢寧窗寬度可調的功能，由數模轉換器輸出的信號經過差動放大、低通濾波等處理后，可產生用于激勵超聲導波的窄帶激勵信號。總體結構如圖1所示，其中鍵盤與顯示屏分別用于設置與顯示漢寧窗信號調制單音頻信號的周期數、單音頻信號的頻率及漢寧窗脈沖的時間間隔。

2 硬件電路設計

2.1 單片機與D/A轉換器的接口電路

針對管道超聲導波檢測對激勵信號需求的特點，激勵信號源的單音頻的頻率范圍選定在40～500 kHz之間，根據采樣定理，激勵信號源信號發生器的采樣頻率至少要為信號頻率的2倍，為了得到較為平滑的信號波形，并降低后續濾波電路設計的難度，這里采樣頻率的取值在10倍的信號頻率以上。普通單片機由于受到工作頻率的限制，其能產生的單音頻信號的頻率最高也只能達到100 kHz左右，不能滿足設計需求。為了使信號發生器能輸出較高的頻率，選用超高速單片機DS89C430作為整個電路的控制部分，它是當前8051兼容微控制器中性能最高的單片機之一，在相同的晶振頻率下，執行指令的速度是普通的8051微處理器的12倍，工作在33 MHz的最高頻率下，其單指周期僅為30 ns。數模轉換器件選用美國ADI公司推出的AD9708器件，它具有125百萬次/秒的更新速率，8位分辨率，且有較高的信噪比，非常適用于超聲導波激勵信號的生成。采用時鐘頻率為30 MHz的DS89C430控制AD9708作為產生超聲導波激勵信號的信號發生器，圖2為單片機DS89C430與AD9708連接的電路圖，AD9708的數據線DO～D7均與P1口相連，其時鐘輸入CLOCK與P2.O相連，時序通過軟件實現。