摘要：現(xiàn)有前置放大器的帶寬為100～300 kHz,，在測量過程中將一些有用的低頻信號濾除了,。為此本文設(shè)計了一套低頻聲發(fā)射前置放大器，給出電路原理圖,，并對電路進行了分析與驗證,。結(jié)果表明設(shè)計的前置放大器低頻截止頻率可達到30 kHz，改善了聲發(fā)射檢測儀的探測性能,，滿足設(shè)計要求。

　　關(guān)鍵詞：聲發(fā)射,；前置放大器,；幻象電源

0引言

　　材料受變形和斷裂時所產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(Acoustic Emission, AE) ，有時也稱為應(yīng)力波發(fā)射,。由材料發(fā)射出的聲音信號包含著反映材料內(nèi)部缺陷,、性質(zhì)以及狀態(tài)變化的信息。聲發(fā)射檢測就是接收這些信號，對其進行分析處理,，從而推斷出材料內(nèi)部的變化,。聲發(fā)射檢測要在某一頻率范圍內(nèi)進行，這一范圍稱為聲發(fā)射檢測“頻率窗口”,。

　　飛機在服役過程中由于外界環(huán)境（如氣溫,、濕度、紫外線輻射,、酸雨等）作用,、表面處理和涂層缺陷、多余物堵塞排水孔等都可能引起局部腐蝕,，產(chǎn)生的腐蝕會影響材料的組織結(jié)構(gòu)性能,，并產(chǎn)生疲勞裂紋。在第一時間發(fā)現(xiàn)各類缺陷并對缺陷進行檢測和危害程度評估,，對于保障飛機的安全飛行具有十分重要的意義,。目前聲發(fā)射檢測儀的前置放大器帶寬為100～300 kHz，這會將一些有用的低頻特性濾除掉,，因此設(shè)計一種低頻特性的前置放大器顯得尤為重要,。本文設(shè)計了一款低頻聲發(fā)射前置放大器，其頻率在40 kHz～200 kHz,，增益為40 dB,。

1前置放大器設(shè)計方案

　　前置放大器主要由放大部分、電源部分和信號隔離部分組成,。放大部分負責(zé)小信號的放大,，其設(shè)計的好壞直接影響放大器的工作特性；電源部分負責(zé)前置放大器的供電,，電源的品質(zhì)也極大影響前置放大器的品質(zhì),；由于目前前置放大器的信號線與電源線共用一根同軸電纜，信號隔離部分負責(zé)將輸出的信號和電源隔離開來［12］,。

　　11放大部分設(shè)計

　　采用美國物理聲學(xué)公司的PCI-1型原聲發(fā)射檢測儀,，其附帶的前置放大器為28 V直流供電，供電電流為02 A,；頻率在100~300 kHz,，傳感器接口采用單端和差分兩種輸入模式，增益20 dB,、40 dB和60 dB可調(diào),。由于傳感器在差分模式下存在靈敏度低、反應(yīng)遲緩等問題,，因此在使用中采用單端模式,，即傳感器同相端輸入,，反相端接地。因使用過程中放大器增益采用40 dB,，所以本設(shè)計將前置放大器的增益設(shè)計為固定40 dB增益,。

　　由于傳感器信號為毫伏級，要將信號放大40 dB,，且頻率在30 kHz～200 kHz,，顯然采用單運放不能實現(xiàn)，為此采用二級運放,。首先選擇一款合適的電壓反饋型高速運放,，要求其采用正負電源供電，具有高的帶寬,，滿足在100 kHz放大100倍而不失真的要求,。通過比較篩選，采用TI的運放芯片NE5532,，其工作電壓為±5 V~±15 V,，在-3 dB時的帶寬達到10 MHz，壓擺率為240 V/μs,。為了提高放大器的增益帶寬積,，設(shè)計為一級和二級分別放大10倍，最終將信號放大100倍,。由于放大電路存在一定的損耗,，以及電阻阻值的不精確性，使得放大倍數(shù)不能精確到40 dB,，可以將后一級電阻R7換為可調(diào)電阻,，實現(xiàn)放大倍數(shù)的微調(diào)，放大電路原理圖如圖1所示,。［34］

　　圖3MC34063負電源產(chǎn)生電路對其采用Multisim進行仿真,，其在37 dB的截止頻率達到578 kHz，完全滿足設(shè)計要求,。圖2為放大器的波特曲線圖,，由圖可以看出其效果相當(dāng)完美。

　　12電源部分設(shè)計

　　由于放大器NE5532［5］采用±15 V電源供電,，所以需要提供一個負電源,。負電源可以通過變壓器得到，也可以通過DCDC電路得到,。通過變壓器簡單,，但是體積巨大，不適合小型化,，所以通常采用DC芯片得到,，本設(shè)計選擇常用的DC芯片MC34063［6］。MC34063具有溫度自動補償功能的基準電壓發(fā)生器,、比較器,、占空比可控的振蕩器，可用于升壓變換器,、降壓變換器,、反向器，僅需要少量的外部元器件,。

　　圖3為采用MC34063芯片構(gòu)成的開關(guān)反壓電路,。電阻R5控制系統(tǒng)的電流，C5用來設(shè)置DC芯片的開關(guān)頻率,，電容越小開關(guān)頻率越高,。當(dāng)芯片內(nèi)部開關(guān)管T1導(dǎo)通時，電流經(jīng)MC34063的1腳,、2腳和電感L2流到地,，電感L2存儲能量。當(dāng)T1斷開時,，由于流經(jīng)電感的電流不能突變,，因此，續(xù)流二極管D1導(dǎo)通,。此時,，L2經(jīng)D1向負載輸出負電壓。這樣,，只要芯片的工作頻率相對負載的時間常數(shù)足夠高,，負載上便可獲得連續(xù)直流電壓。比較器的反相輸入端（引腳5）通過外接分壓電阻R6,、R7監(jiān)視輸出電壓,，其輸出電壓Uo=125(1+R7/R6)，由公式可知輸出電壓僅與R6,、R7數(shù)值有關(guān),，因125 V為基準電壓恒定不變，若R6,、R7阻值穩(wěn)定則Uo亦穩(wěn)定,。

　　13信號隔離部分設(shè)計

　　前置放大器的供電可以采用外接電源形式供電，還可以通過幻象電源供電,。外接電源供電具有信號低頻特性好的優(yōu)點,，也是早期前置放大器的供電方案。但是,，此類供電也有不足,，就是每個前置放大器上需要單獨的外接電源供電,，在通道較多、測量距離較長情況下接線移動非常不便,。而幻象電源供電原理如圖4所示,，信號與電源共用一根同軸電纜，C7和C8隔離直流信號,，而L1和L6隔離交流信號,。C7和C8除了采用極性電容外，也可以采用無極性電容,，例如102或者104等［7］,。

　　電感L1和L6用來隔除系統(tǒng)的信號，在L1和L6的末端需要分別接入一個100 μF左右的電容,，與電感構(gòu)成濾波電路,，濾掉系統(tǒng)交流分量。其中L1端所加的電容C9如圖3所示,，而與L6相連的電容由于在數(shù)據(jù)采集板上,，所以沒有標出。L1和L6的取值直接影響著放大器的工作特性,，當(dāng)其取值1 mH時信號的低頻截止頻率大約20 kHz,，增大L1和L6的電感可以降低信號的低頻截至頻率，本設(shè)計取L1和L6為1 mH,，滿足系統(tǒng)要求,。

2系統(tǒng)性能測試及結(jié)論

　　設(shè)計的前置放大器實物如圖5所示，左端為信號的輸入端,，右端為經(jīng)過放大的信號輸出端,。對整個前置放大器進行測試，為了保證測量的準確性,，信號輸入端通過信號發(fā)生器代替聲發(fā)射傳感器,，測試右端設(shè)計如圖4右端所示的電路，其中L6末端接+28 V直流電源,，示波器輸入端接C8的負端,，構(gòu)成一個完整的測量通路。

　　圖6示波器輸出波形通過電感L6和同軸電纜給系統(tǒng)提供28 V直流電源,，當(dāng)信號發(fā)生器輸入幅值為20 mVpp的正弦信號時,，分別在40 kHz、100 kHz,、200 kHz,、300 kHz的頻率下測試該前置放大器輸出端，示波器的輸出波形如圖6（a)~(d）,。實驗證明了硬件設(shè)計的正確性,，完全滿足當(dāng)初的設(shè)計要求,。

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