数字化仪在超声领域的应用

数字化仪作为进行相关超声测量的理想工具,在开发、测试、操作超声产品中可以发挥关键作用。数字化仪和任意波形发生器提供宽范围的带宽、采样率和动态范围，能够完美匹配超声测量的的相关需求。
 

图1，M4i.4451-x8 14bit 500MS/s PCIe 接口数字化仪采集超声信号

超声测量：

超声波是一种频率超过人耳听觉范围的一种声波。超声波设备操作频率一般从20 kHz到几GHz不等。表1总结了一些超声应用的典型频率范围。

每个应用领域的的频率使用范围都反映出工程上的权衡。增加了操作频率来提高分辨率可实现对较小的工件精确检测，但另一方面，较高频率信号的渗透能力是有限的，超声波应用的常见问题是信号衰减、其与信号频率成反比。因此,非常高频率往往应用与物体表面研究应用中，相对的低频率往往应用在需要更大的渗透和能量的应用中。北京坤驰科技有限公司所提供的数字化仪具有较宽动态范围,可以在检测大信号的同时,检测到的小信号，可适应较多的应用场景。

应用举例： 

   表1：常用超声应用的推荐产品

采样率：

  通常数字化仪产品的选择是基于应用使用的频率的，数字化仪的采集速率通常要5到10倍于工程应用频率，也就是需要采集和检测的信号频率。但在多普勒频移应用中，因其经常需要测量信号的某些特定的小的片段，需要很高时间分辨率，数字化仪的采样率有时需要多达测量频率的10倍以上。

带宽：

  数字化仪的带宽应该超过工程应用的高频率。工作带宽较低将导致高频频率信号衰减，并可能限制测量的分辨率和准确性。

动态范围：

  增加数字转换器的动态范围(位数)可实现小信号的检测。高分辨率ADC通常提供更好的信噪比，可实现采集卡同时检测大信号和小信号。这就是为什么应用系统前端通常使用更高分辨率的ADC或信号处理(如平均和过滤)来提高他们的整体测量灵敏度。

其他方面：

  数字化仪的输入电路必须与超声传感器的输出阻抗和耦合元件相匹配。Spectrum的多款数字化仪提供输入路径选项，相关的配置和终端阻抗选择可实现佳匹配。

  针对相应超声信号的特点，数字化仪的采集模式也是要考虑的。应用中如果有信号突变或超声脉冲，可充分利用数字化仪具备多种采集模式的能力，实现不同突变时间之间小的空载时间。

  另外，数字化仪可提供如数据平均，峰值检测，滤波，快速傅里叶变换（FFT）的信号处理功能。其中，数据平均和峰值检测通过开发FPGA的内部处理功能实现。其他的信号处理可通过SBench 6专用软件或第三方软件实现。 

一种典型超声应用：

  下面的超声波测距仪的相关测量应用过程，说明了可选数字化仪的一些应用特性。设备传输一波40 kHz，含有5个声脉冲的信号。测量传感器是一个100Khz带宽的工用麦克风。麦克风配置一个兆欧姆输入终端,直流耦合。图2为这次测量应用的软件显示。

      图2, 使用数字化仪采集40Khz的超声信号.多个采集过程并实现滤波、平均、FFT处理。
 

  数字化仪被设置为多采集模式。作为单板工具采集5个超声脉冲。软件窗口顶端显示了这5个脉冲，每个脉冲的采集时间都被时间戳准确标记，并在软件上进行精确显示具体时间信息。时间戳的时间标记功能提供了测量脉冲重复周期的一种简单方式，同时，多采集模式也使得对比不同事件的持续脉冲时间、占空因数、空间脉冲长度，振幅和时间变得更为容易。

  软件的左上角放大显示了包括目标的衰减反应在内的个脉冲信号图像，观察到其后缘不是平的。右下的FFT处理图显示了采集信号的频谱，除了40kHz主频，还有一个80 kHz的二次谐波和显著的低频率杂散分量。杂散导致了采集信号的基线上升。基于这个频谱图，对信号进行了的20 – 50kHz的带通滤波，过滤了导致图像压扁的后缘信号(右上图)。5个采集脉冲的平均处理显示在左下角的图像中。每个视图的纵坐标会基于麦克风的灵敏度和读取单元的声音压力(Pascal)进行匹配缩放，这些视图提供采集信号的重要量化信息。此外,测量信号的频率、大和小信号振幅写在对应的“信息”窗口内。

  以上，是一个数字化仪在超声领域的简要应用举例。数字化仪及其配套软件提供大量的测量和分析工具，能够辅助超声应用开发。