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基于AD603的超声探伤仪信号放大电路设计资料下载
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2021-04-29
訾存贵
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超声探伤仪已经在机械零件内部缺陷的检测领域发挥巨大作用。其原理是电压激励超声换能器向零件中发射超声波，被缺陷反射的超声波回到换能器，转化成电压，该电压经信号放大电路放大后显示出来，从而传递出零件内部缺陷的信息。由于缺陷反射波电压从几毫伏至几百毫伏不等，故信号放大电路必须有按需调整放大倍数的能力。根据《A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件(JB/T10061—1999)》，超声探伤仪的增益调整范围至少达到60dB。因此本文设计一种以集成运算放大器AD603为核心，辅以高速运算放大器AD8041的超声探伤仪信号放大电路。
1.电路设计
1.1 电路整体结构
信号放大电路整体结构如图1所示，由两片AD603级联，每片之前采用AD8041构成的反相比例放大器进行阻抗匹配。
图1 信号放大电路整体结构
AD603采用并联控制方式，即两片的控制电压始终保持一致，故总体增益是单片AD603增益的两倍。图中，“恒定参考电压”由电压基准芯片产生，“DA模拟控制电压”是由数模转换芯片产生的可控直流电压。AD8041有一个芯片使能引脚，使用一个片选信号进行控制，可以决定芯片是否工作。这一功能在多通道信号放大电路轮流工作时将发挥作用。
1.2 增益控制原理
AD603是一种集成运算放大器，图2为其内部结构简图。3号引脚VINP为信号输入端，7号引脚VOUT为信号输出端。通过改变1号引脚GPOS和2号引脚GNEG之间的电压差，可以控制接入电路的梯形网络范围，从而控制芯片增益。具体设计中，“恒定参考电压”供给2号引脚GNEG，“DA模拟控制电压”供给1号引脚GPOS。设计采用5、7号引脚直接短接的方式，获得单片AD603增益调整范围一1ldB至 31dB，共计42dB。因此，放大电路整体的增益调整范围为84dB。
图2 AD603内部结构简图
增益计算公式是：
Gain(dB)=40VG(dB/V) 10(dB)
其中，VG为引脚GPOS和GNEG之间的电压差(单位V)。由于GNEG等于“恒定参考电压”，保持不变，故调整“DA模拟控制电压”，就可以改变VG，从而控制增益。
1.3 AD8041阻抗匹配
根据AD603数据手册，必须在负载电阻大于500Ω时，AD603输出电压才能达到峰值±3V;其输入电阻典型值为100Ω。因此，如果两片AD603直接级联，会由于后级的输入阻抗过小而造成前级的增益低于预期。另外，如果反射波电压信号直接输入AD603，也会由于输入阻抗过小而造成信号失真。
为解决这一问题，设计采用高速运算放大器AD8041搭建反相比例放大电路(如图3所示)起到阻抗匹配的作用。
图3 AD8041反比例放大电路
反相比例放大电路输入电阻公式为：
其中，Ri为运放的开环输入电阻，根据AD8041数据手册，Ri=160kΩ;A0为其开环放大系数，在超声波频率(2.5MHz)时A0=35dB，即56.23倍(根据AD8041开环频响曲线确定，如图4所示);F0为负反馈系数，数值上等于R1与R3，电阻值之比，实验中取0.05。带入计算得，Rin=41.98kΩ>500Ω。因此，AD8041可以提供足够的输入电阻。
图4 AD8041开环频响曲线
另外，根据AD8041数据手册，负载电阻50Ω时，输出电压可以达到4.5V，接近饱和。因此，AD8041可以驱动AD603。
2.自激振荡及其消除
2.1 自激振荡机理分析
实验发现，当AD603增益较大时，电路极易产生高频自激现象，现将其生成机理建模分析如下。首先介绍负反馈自激振荡的经典理论。一般的负反馈电路可以抽象成如图5所示的模型。发生自激振荡的条件是：
其中，A为开环传递函数，F为负反馈传递函数。就图1信号放大电路而言，每一级运放负反馈都是纯电阻网络反馈，而且运放的开环相位延迟恒小于180°，故单级运放不满足自激条件。然而，印刷电路板不可避免要引入寄生电容，在超声波频率及其高频谐波的量级上(2.5MHz至25MHz)，它会引起各级之间的反馈。这里只考虑最后一级输出信号到第一级AD8041的输入的反馈，建立图6所示的模型。
图5 一般负反馈电路
图6 寄生负反馈模型
其中，C是上述两端之间的寄生电容，假设其值仅有0.1pF;Rin为第一级AD8041的输入电阻，前文已计算得，Rin=41.98kQ。它们实际上构成了一个无源高通滤波器。由于负反馈电路模型(图5)中F指的是负反馈的传递函数，故图6的模型向整个电路中引入的负反馈传递函数为：
其频率响应曲线如图7所示。
图7 寄生负反馈频响曲线
可见，2.5MHz至25MHz频率时的相位响应为.﹣93.8°至﹣123°，对比自激振荡的条件可知，只要四个级联的运放能在这一频段上提供﹣86.2°至﹣57°的相位响应和足够大的放大系数就可以发生自激振荡。根据AD603数据手册，它在这一频段闭环传递函数的相位延迟很小，故这里只考虑AD8041闭环传递函数引起的相位延迟。每个AD8041闭环传递函数只要提供﹣43.1°至﹣28.5°的相位响应就满足了自激振荡的相位要求。
根据AD8041的开环频率响应(如图4所示)，其开环传递函数包含两个惯性环节和一个比例环节，极点对应的频率分别为：f1=0.1MHz和f2=90MHz，比例系数K=2000。故开环传递函数表达式：
则图3所示的AD8041闭环传递函数为：
其频率响应曲线如图8所示。可见，2.5MHz至25MHz频率时的相位响应为﹣14.1°至﹣82.8°，因此在这一频段必有一点的相位响应契合﹣43.1°至﹣28.5°的相位要求，满足自激振荡条件。
图8 AD8041闭环频响曲线
2.2 超前补偿消除自激振荡的原理
通过在反相比例放大电路(如图3所示)的电阻R，上并联小值电容C。(经实验确定取值20pF)构成超前补偿，可以破坏自激振荡的相位条件，从而消除这一现象。
超前补偿后的负反馈传递函数为：
故新的闭环传递函数为：
其频率响应曲线如图9所示。
图9 引入超前补偿前后频晌曲线比较
可见，引入超前补偿后，闭环传递函数从典型的振荡环节变为两个惯性环节，幅频响应略有下降，但相频响应产生了巨大变化。在需要关注的2.5MHz到25MHz频上，相频响应基本稳定在﹣90°，那么两级AD8041超前补偿的相频响应为﹣180°，不可能提供﹣43.1°至﹣28.5°的相位条件。由此可见，超前补偿可以从根本上消除自激振荡。
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