1. Постановка задачи

Оборудование NI, включая модули SCXI, и графическая среда LabVIEW являются хорошей основой для быстрой разработки уникального технологического и научного оборудования, а также для проверки перспективных идей (создания прототипов), на основе которых могут быть созданы серийные приборы. Существующая серийная номенклатура модулей Nl SCXI предназначена в основном для работы с относительно низкочастотными источниками сигналов - термопарами, тензодатчиками, пьезоакселерометрами в диапазоне частот единицы Гц - первые десятки КГц.

В данном сообщении описывается функционально завершенный набор SCXI модулей, разработанных фирмой ООО «ДСП-софт» для построения как типовых, так и специализированных ультразвуковых систем: многоканальных дефектоскопов и толщиномеров; доплеровских или времяпролетных измерителей скорости потока; перспективных дефектоскопических систем с фазированными антенными решетками и когерентной обработкой сигналов. Перекрываемый ими диапазон частот составляет первые сотни КГц - первый десяток МГц.

2. Описание решения

В состав набора входят следующие SCXI модули (см. рис.1а,б):

1) восьмиканальный формирователь импульсных последовательностей с цифровым управлением (далее - формирователь);

2) четырехканальный цифровой усилитель мощности импульсных последовательностей (далее - усилитель пачек импульсов);

3) шестиканальный усилитель мощности одиночных импульсов (далее - усилитель импульсов);

4) восьмиканальный широкополосный усилитель с плавной регулировкой усиления (далее - широкополосный усилитель);

5) четырехканальный усилитель - квадратурный преобразователь с цифровой регулировкой усиления (далее - усилитель - квадратурный преобразователь);

6) импульсный источник питания с цифровым управлением (далее - источник питания).

Как указывалось выше, основное назначение модулей - создание ультразвуковых контрольно-измерительных систем. Приемник - квадратурный преобразователь может быть также использован как синхронный детектор в системах модуляционного приема слабых сигналов: радиометрах, тепловизорах, оптических приемниках.

На основе этих модулей можно создавать испытательные стенды [1] и лабораторные работы для обучения физическим основам ультразвуковой дефектоскопии. Частотный диапазон, в котором работают модули формирователя и широкополосного усилителя, составляет от 0,2 до 20 МГц. Поэтому для оцифровки выходных сигналов широкополосного усилителя больше всего подходят скоростные дигитайзеры NI РС1/РХ1-51хх. Приемник - квадратурный преобразователь может иметь узкую базовую полосу. Поэтому его выходные сигналы можно подавать на универсальные платы NI PCI/PXI-625x.

Рис. 1 а. Комплект модулей - вид спереди

Рис.1 б. Комплект модулей - вид сзади

Управление модулями осуществляется через интерфейс USB (формирователь, широкополосный усилитель, источник питания) или по цифровым линиям (усилитель - квадратурный преобразователь) с помощью библиотеки программ - виртуальных подприборов, написанных в среде NI LabVIEW. Низковольтное питание модули получают через штатные разъемы шасси NI SCXI. Высоковольтное питание на модули усилителей мощности подается с импульсного источника питания.

Ниже приведено краткое описание технических характеристик этих модулей.

2.1. Формирователь

Формирователь предназначен для управления многоканальными усилителями одиночных импульсов или импульсных последовательностей. Имеет 8 каналов формирования пачек импульсов со скважностью 2. Период следования, частота заполнения, задержка импульсов и их число в пачке в каждом канале могут задаваться независимо. Возможен также режим одновременного запуска всех каналов, как от внутреннего генератора, так и по внешнему синхроимпульсу. 9-ый канал может быть использован для генерации непрерывного сигнала. Его можно использовать как сигнал гетеродина в когерентных приемниках. Фаза заполнения пачек жестко связана с его фазой. Все временные последовательности формируются из одного опорного сигнала. Поэтому шаг изменения всех временных характеристик равен его периоду. Возможна подача внешнего опорного сигнала, например - с усилителя пачек импульсов (см. ниже п.2.2) При понижении его частоты все временные интервалы будут пропорционально удлиняться. Устройство управляется от компьютера через интерфейс USB. При частоте опорного сигнала 200 МГц устройство имеет следующие технические характеристики:

■ Частота повторения пачек - от 1 Гц до 10 КГц ^:

■ Длительность импульса в пачке - от 30 не до 10,2 мке (шаг - 10 не)

■ Скважность - 2

■ Задержка - от 20 не до 2,6 мке (шаг - 5 не)

■ Частота опорного сигнала - до 200 МГц

■ Число импульсов в пачке - от 0 до 8191

■ Режимы запуска каналов

■ независимый

■ одновременный от внутреннего генератора

■ одновременный от внешнего генератора

■ Напряжение питания - 5 В

■ Уровень выходных сигналов - TTL .

■ Интерфейс с ПК - USB 1.1

2.2.Усилитель пачек импульсов

Модуль цифрового усилителя мощности импульсной последовательности имеет четыре независимых канала усиления. Его особенностью является автоматическое формирование из входного TTL-меандра двух сдвинутых на половину периода управляющих последовательностей с защитными интервалами для управления двухтактным выходным каскадом. Данная функция реализуется с помощью микроконтроллера. Для обеспечения его тактирования в состав устройства входит опорный генератор, работающий на частотах до 200 МГц. Выходной сигнал этого генератора может быть использован в качестве опорного для работы формирователя (п.2.1). Выходной каскад - ключевой, что повышает его КПД. Возможно динамическое изменение длительности периода управляющей последовательности, поэтому устройство может использоваться для усиления сигналов с частотной модуляцией. Каждый канал обладает следующими характеристиками:

■ размах выходного сигнала на нагрузке 50 Ом - до ± 180 В (зависит от напряжения питания, которое не должно быть менее ± 50 В);

■ ток потребления в режиме покоя не более - 1мА;

■ форма выходного сигнала - двухполярная последовательность импульсов;

■ форма входного сигнала - последовательность импульсов положительной полярности;

■ амплитуда входного сигнала - TTL уровень 3,3 - 5 В;

■ минимальная длительность одного импульса - не более 100 не;

■ максимальная длительность одного импульса - не менее 5 мке;

■ максимальная длительность пачки - не менее 2 мс;

■ напряжение питания от ±60В до ± 200 В;

■ максимальная частота повторения пачек не более 5 кГц (зависит от длительности пачки).

2.3.Усилитель импульсов

Модуль усилителя мощности одиночных импульсов имеет шесть независимых каналов усиления и предназначен для формирования однополярных импульсов большой амплитуды. Его основное назначение - возбуждение дефектоскопических ультразвуковых преобразователей (УП). Подбирая длительность управляющего импульса, можно добиваться максимальной амплитуды сигнала, излучаемого в исследуемый образец. Возможно подключение внешнего оконечного ключевого каскада, располагаемого в непосредственной близости от УП. В этом случае амплитуда выходного сигнала составляет не менее 300 Вольт на нагрузке 5 Ом. Такой режим обеспечивает наилучшее согласование выходного сигнала усилителя с УП в широком диапазоне частот. Уровень выходного сигнала можно изменять, меняя напряжение питания от 90 до 400 вольт. Каждый канал обладает следующими техническими характеристиками:

■ амплитуда выходного импульса на нагрузке 50 Ом - не менее 350 В;

■ полярность выходного импульса - отрицательная;

■ минимальная длительность импульса по уровню 0.5 - не более 30 пс;

■ максимальная длительность импульса - не менее 500 пс;

■ частота следования импульсов - не более 1 кГц.;

■ амплитуда входного сигнала - логический уровень 3,3 В;

■ внешнее напряжение питания - 90 - 400 В

■ напряжение питания от шасси SCXI-24 В

2.4. Широкополосный усилитель

Восьмиканальный широкополосный усилитель предназначен для усиления слабых сигналов, принятых ультразвуковыми преобразователями. Усилитель снабжен компьютерным интерфейсом USB, обеспечивающим управление усилением (ступенчатое и плавное) и выходным коммутатором. Для увеличения отношения сигнал/шум на входе усилителя предусмотрено включение полосовых фильтров, согласованных по полосе пропускания и импедансу с используемыми датчиками. Плавная регулировка усиления по заданному закону (ВАРУ) может быть использована в эхолотах и дефектоскопах для сжатия динамического диапазона выходного сигнала. Наличие выходного коммутатора 8x2 позволяет подключать усилитель непосредственно к 2-х канальным модульным цифровым осциллографам серии Nl PCI/PXI 51XX. Усилитель имеет следующие технические характеристики:

■ Количество входных каналов 8

■ Количество выходных каналов 2

■ Максимальная амплитуда входного сигнала (в пределах линейного диапазона) 55 мВ

■ Максимальная амплитуда выходного сигнала (на нагрузке 50 Ом) 0,5 В

■ Полоса рабочих частот, по уровню -3 дБ без учета входного согласующего фильтра: - 0,5...14 МГц

■ Межканальное затухание, типовое -50 дБ

■ Максимальное усиление (V_ynp =1,7В) 50,5 дБ

■ Минимальное усиление (V_ynp =0,2B) 5дБ

■ Погрешность установки усиления (V_ynp =0,2..1,7В), не более 2дБ

■ Крутизна характеристики управления усилением (V_ynp=0,2..1,7B) 20 дБ/В

■ Шаг изменения усиления 2,5 дБ

■ Время реакции (изменение усиления на 40 дБ 0,25 мс

■ Напряжение питания 24В

■ Ток потребления, не более 250 мА ■ Интерфейс с ПК USB1.1

2.5. Усилитель-квадратурный преобразователь

Усилитель-квадратурный преобразователь предназначен для усиления и преобразования слабых узкополосных входных сигналов в синфазную и квадратурную составляющие. Он выполнен на аналоговых ИС. Каждый из его 4-х каналов имеет дифференциальный вход, защищенный от перегрузки диодным ограничителем. Усиление каждого канала может устанавливаться независимо. Управление усилением осуществляется через цифровой регистр. Полоса выходного ФНЧ определяется набором навесных элементов и может составлять от единиц до сотен КГц. ФНЧ имеет связь с перемножителем по постоянному току. Это делает возможным использование преобразователя в качестве синхронного детектора в системах модуляционного приема. С помощью адаптера SCXI-1349 квадратурный преобразователь может быть подключен непосредственно к универсальной DAQ -карте "Е" или "М" - серии. При этом выходные сигналы поступают на аналоговые входы платы, а выходы цифровых линий платы подключаются к входам управления усилением. Для работы модуля необходимо напряжение удвоенной опорной (несущей) частоты. Оно может быть подано, в частности, с 9-ого канала формирователя последовательности импульсов (см. п.2.1). Устройство имеет следующие технические характеристики:

■ несущая частота to входного сигнала - от 0,5 МГц до 50 МГц;

■ ширина полосы входного сигнала Af (по уровню -ЗдБ) - от 10 кГц до 300 кГц;

■ затухание вне полосы - не менее 30 дБ (при отстройке на ∆f от f₀);

■ коэффициент усиления - от 0 дБ до +90 дБ (регулируется независимо в каждом канале с шагом 3 дБ);

■ динамический диапазон -110 дБ;

■ максимальная амплитуда выходного напряжения - 2,4 В;

■ чувствительность - 3 мкВ (при отношении С/Ш=10 дБ и полосе 50 кГц);

■ максимально допустимая амплитуда входного сигнала - не менее 100 В при длительности не более 1 мс

■ напряжение питания - 24 В

2.6.Источник питания

Источник предназначен для выработки высоких напряжений, необходимых для импульсных усилителей (п.2.2, п.2.3). Он получает питание от шасси SCXI. Управление - от компьютера через интерфейс USB. Выходные цепи источника имеют гальваническую развязку. Поэтому он может работать в двух режимах: двухполярном - два независимых источника с независимым управлением плеч и однополярном - два источника, соединенных последовательно. В него можно ввести цифровую обратную связь по напряжению. Источник позволяет измерять как собственные выходные напряжения, так и внешние, которые находятся в допустимых пределах (см. ниже). Источник имеет следующие технические характеристики:

■ напряжения питания источника - +24 В;

■ выходные напряжения - от ±45 В до ±200 В; двухполярный режим;

■ выходные напряжения - от 90 В до 400 В; однополярный режим;

■ шаг регулировки -1 В;

■ выходная мощность - не менее 40 Вт.

■ Интерфейс с ПК USB1.1

3. Используемое оборудование и ПО

Частотный диапазон, в котором работают модули формирователя и широкополосного усилителя, составляет от 0,2 до 20 МГц. Поэтому для оцифровки выходных сигналов широкополосного усилителя необходим скоростной дигитайзер Nl PXI-5122. Усилитель - квадратурный преобразователь имеет узкую базовую полосу (несколько десятков КГц). Поэтому для оцифровки его выходных сигналов (8 каналов) достаточно универсальной DAQ-карты типа Nl PXI-6070E или PXI-6251. Библиотека виртуальных подприборов управления модулями создавалась в среде LabVIEW8.2.

4. Внедрение и развитие решения

С использованием данного набора модулей реализован стенд для измерения диаграмм направленности ультразвуковых преобразователей, описанный в [1]. В настоящее время модули применяются для разработки прототипа ультразвукового доплеровского расходомера для двухфазных потоков.

На рис.2 показана структурная схема двухканального дефектоскопа на базе описанного комплекта модулей. Такое решение обладает большей гибкостью по сравнению с общепринятыми, поскольку: 1) благодаря использованию LabVIEW позволяет быстро адаптировать ПО к свойствам исследуемого объекта; 2) позволяет увеличить число каналов не загружая ресурсы системы обработки формированием временных диаграмм работы оборудования.

Рис.2. - Блок-схема двухканального дефектоскопа. USB-линии управления модулями не показаны.

Его можно использовать, например, при массовом контроле ответственных деталей в машиностроении; при текущем контроле колесных пар и осей на железной дороге и т.д.

На рис.3 показана блок-схема доплеровского измерителя скорости течения, выполненного на описанных модулях. Такой прибор можно использовать для мониторинга расхода воды в крупных и средних реках. Упрощенный вариант с двумя лучами может применяться для измерения расхода в открытых каналах водоочистных и гидротехнических сооружений.

Наконец, на основе этого комплекта модулей могут быть разработаны лабораторные работы для обучения студентов профтехучилищ, техникумов и вузов физическим основам ультразвукового неразрушающего контроля, а также подготовки операторов дефектоскопов в различных отраслях промышленности.

Рис.3. Блок-схема доплеровского измерителя скорости течения. USB-линии управления модулями не показаны

Список литературы

1. А.И.Зверев, С.И.Муякшин, А.Г.Огурцов, А.В.Тихомиров, В.Ю.Сердцев, А.А.Штернов. Автоматизированный стенд для измерения параметров ультразвуковых преобразователей диапазона частот 1-10 МГц // Труды XVI сессии Российского акустического общества. / Москва, 14-18 ноября 2005 года. Том 2, с.26-30

..............................................................................................................................