專利名稱：用于無(wú)損檢測(cè)儀器的數(shù)字時(shí)變?cè)鲆骐娐返闹谱鞣椒?br> 用于無(wú)損檢測(cè)儀器的數(shù)字時(shí)變?cè)鲆骐娐?對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求享有于2005年10月14日提交的，名稱為ULTRASONIC FAULT DETECTION SYSTEM USING A HIGH DYNAMIC RANGE ANALOG TO DIGITAL CONVERSION SYSTEM的序列號(hào)為60/726， 798的美國(guó)臨時(shí)專利申 請(qǐng)，和于2005年10月14日提交的，名稱為ULTRASONIC DETECTION MEASUREMENT SYSTEM USING A TUNABLE DIGITAL FILTER WITH 4X INTERPOLATOR的序列號(hào)為60/726,776的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)，以及于 2005年10月14日提交的，名稱為DIGITAL TIME VARIABLE AMPLIFIER FOR誦-DETRUCTIVE TEST INSTRUMENT的序列號(hào)為60/726,575的美國(guó) 臨時(shí)專利申請(qǐng)的利益和優(yōu)先權(quán)，在這里將它們的全部公開在此引用作為 參考。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于通過(guò)向目標(biāo)物體發(fā)射超聲波脈沖，并分析探測(cè)到的來(lái) 自該目標(biāo)物體的回波信號(hào)，來(lái)探測(cè)物體或材料中，例如在如航班機(jī)翼的 這種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的超聲波探測(cè)和測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明的系 統(tǒng)和方法還通常涉及用于諸如腐蝕測(cè)量、厚度測(cè)量等應(yīng)用的系統(tǒng)。更特 殊地，本發(fā)明涉及這種系統(tǒng)所采用的時(shí)變?cè)鲆?TVG)放大器?，F(xiàn)有技術(shù)中的超聲波探傷儀以諸如本直接受讓人的(instant assignee' s) Epoch 4 Plus產(chǎn)品的產(chǎn)品作為示例?？?人通用電氣獲得 的竟?fàn)幮援a(chǎn)品稱為USM 35X、 USN 58L和USN 60探傷系統(tǒng)。總得來(lái)說(shuō)， 現(xiàn)有技術(shù)的超聲波探傷儀利用高度復(fù)雜的模擬前端，所述模擬前端包括 很多部分，該部分在校準(zhǔn)、可靠性、準(zhǔn)備時(shí)間、結(jié)果的一致性和對(duì)特殊 應(yīng)用和設(shè)置的優(yōu)化等方面存在特別難以解決的問(wèn)題。通常的現(xiàn)有技術(shù)的超聲波探傷儀包括換能器，其相對(duì)于要被檢測(cè)的物 體放置并且與大量模擬電路協(xié)同工作，所述模擬電路諸如增益校準(zhǔn)器、 前置放大器和衰減器、可變?cè)鲆娣糯笃?，以及在^f艮多不同頻帶上操作并 需要仔細(xì)校準(zhǔn)和維護(hù)的高通和低通模擬濾波器。結(jié)果，當(dāng)前的探傷儀給這種設(shè)備的設(shè)計(jì)者和用戶帶來(lái)一大堆問(wèn)題，由
于它們復(fù)雜，這些問(wèn)題影響了它們的故障查找和維修。這些問(wèn)題包括諸 如，將由變化的換能器看到的輸入阻抗與被切換到以及切換出信號(hào)路徑 的不同增益放大器進(jìn)行匹配的問(wèn)題。這就對(duì)頻率響應(yīng)造成不期望的影 響，并引起各種增益非線性。這就造成當(dāng)模擬電路被切換到和切換出信 號(hào)路徑時(shí)的校準(zhǔn)問(wèn)題?，F(xiàn)有#傷儀的另 一個(gè)問(wèn)題可歸因于它們的后壁衰減性能，所述性能影 響到對(duì)非常靠近于正在檢測(cè)的物體后壁的缺陷進(jìn)行探測(cè)的能力。這一 問(wèn) 題對(duì)時(shí)變?cè)鲆婧瘮?shù)來(lái)說(shuō)造成特別的問(wèn)題，所述時(shí)變?cè)鲆婧瘮?shù)在現(xiàn)有技術(shù) 的裝置中具有有限的增益范圍和增益變化率。另 一現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)由模擬電路被耦合的方式引起，這導(dǎo)致為了將信號(hào)電平提供給與這種轉(zhuǎn)換器的滿幅標(biāo)度(full amplitude scale)匹配 的轉(zhuǎn)換器，信號(hào)路徑中的每個(gè)放大器具有不同的DC偏移誤差，其中為 了保持在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中點(diǎn)的輸入信號(hào)被使用，所述DC偏移誤差必須歸 零(nulled)。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的誤差歸零(error nulling)過(guò)程 是不可靠的，特別是在高增益時(shí)，由于噪聲導(dǎo)致DC基線測(cè)量不精確， 使得該過(guò)程不可靠。由于需要利用所用儀器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，現(xiàn)有探傷儀前端的密集模擬 實(shí)現(xiàn)造成進(jìn)一步的問(wèn)題，其產(chǎn)生各種增益線性校準(zhǔn)的問(wèn)題?，F(xiàn)有技術(shù)中的超聲波檢查設(shè)備在美國(guó)專利No. 5, 671， 154中有所描述， 其提供了用于本發(fā)明設(shè)備和方法的背景信息?？烧{(diào)數(shù)字濾波器配置在US 專利6， 141, 672中有所描述。發(fā)明內(nèi)容總的來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的目的是提供用于超聲波物體檢查和測(cè)量的設(shè)備和 方法，其避免或改善現(xiàn)有技術(shù)中的至少一些缺點(diǎn)。本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供用更簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)的超聲波檢查設(shè)備 和方法。本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供在使用前需要較短和較簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)和調(diào) 整過(guò)程的超聲波檢查設(shè)備和方法。本發(fā)明的前述和其它目的在一種設(shè)備和系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，所述設(shè)備和系統(tǒng) 包括用以生成檢測(cè)信號(hào)并接收響應(yīng)回波信號(hào)的發(fā)射和接收裝置，和將檢 測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)并為發(fā)射和接收裝置產(chǎn)生回波信號(hào)的換能器。信號(hào)處理電路處理回波信號(hào)并將定義回波信號(hào)的流信息存儲(chǔ)在數(shù)字存儲(chǔ)器中。對(duì)數(shù)TVG (時(shí)變?cè)鲆?裝置通過(guò)向其應(yīng)用時(shí)變?cè)鲆婧瘮?shù)來(lái)處理 信息，并且得到的數(shù)據(jù)被呈現(xiàn)給最終要輸出給用戶的 一 個(gè)或更多濾波 器。對(duì)數(shù)TVG裝置指定各種信號(hào)幅度范圍之間的增益斜率，以便用更簡(jiǎn) 單的算法對(duì)其進(jìn)行處理。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)根據(jù)下面參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的描 述而變得明顯。


圖1是超聲波檢查設(shè)備的基本配置的框圖。圖2是用于圖1所示裝置的基本波形圖。圖3是示出了超聲波脈沖下降沿特征的波形圖。圖4是提供波形顯示與目標(biāo)物體中故障位置并列比較的框圖。圖5是圖4的延續(xù)。圖6示出了現(xiàn)有技術(shù)中超聲波檢查設(shè)備實(shí)現(xiàn)方式的電路框圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明的超聲波檢查設(shè)備數(shù)字密集實(shí)現(xiàn)的電路圖。圖8示出了可以與本發(fā)明一起使用的可調(diào)數(shù)字濾波器。圖8a將對(duì)數(shù)TVG結(jié)合到圖8的電路中。圖9是圖8a所示對(duì)數(shù)TVG的框圖。圖IO是示出現(xiàn)有技術(shù)中TVG實(shí)現(xiàn)方式的圖。圖ll是示出本發(fā)明TVG算法的圖。圖12、 13、 14、 15和16是分別示出圖8a所示TVG的第二、第三、 第四、第五和第六實(shí)施例的框圖。
具體實(shí)施方式
開始先參照?qǐng)Dl和2，提供關(guān)于一般環(huán)境和本發(fā)明解決的各種問(wèn)題的背景信息。在圖1中，超聲波發(fā)射-接收單元10在預(yù)先確定的期間，直接地或 通過(guò)諸如水或石英的延遲材料，向被耦合到諸如鋼材料的目標(biāo)物體14 上的探針或換能器12發(fā)射電脈沖信號(hào)10a。如圖2所示，探針12將觸 發(fā)脈沖信號(hào)12a轉(zhuǎn)換為通過(guò)目標(biāo)物體l4發(fā)射的超聲波脈沖10a。被施加 到目標(biāo)物體14上的超聲波脈沖10a隨后被目標(biāo)物體14的底表面14a反
射，并被探針12接收。探針12將反射波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所述電信號(hào)被 作為電回波信號(hào)10b提供給超聲波發(fā)射-接收單元10。超聲波發(fā)射-接 收單元IO放大電信號(hào)10b,并將放大信號(hào)ll作為回波信號(hào)ll發(fā)射到信 號(hào)處理裝置16?；夭ㄐ盘?hào)11包括對(duì)應(yīng)于由底表面14a反射的波的底表面回波lla,和 由物體14中的缺陷14b造成的缺陷回波llb。另外，超聲波回波脈沖 11的頻率主要由結(jié)合在探針12中的超聲波振蕩器的厚度或其它特性確 定。用于檢查的超聲波脈沖10a的頻率被設(shè)置為幾十KHz到幾十MHz。 因此，包括在回波信號(hào)11中的底表面回波lla和缺陷回波lib的信號(hào) 波形頻率范圍覆蓋從大約50KHz到幾十MHz的寬范圍。信號(hào)處理裝置16對(duì)從超聲波發(fā)射-接收單元10接收的回波信號(hào)11 執(zhí)行各種信號(hào)處理，并且信號(hào)處理裝置16在顯示單元18上顯示表示缺 陷存在/不存在的輸出結(jié)果。為了對(duì)回波信號(hào)11進(jìn)行信號(hào)處理并顯示該 回波信號(hào)，與脈沖信號(hào)10a同步的觸發(fā)信號(hào)S被從超聲波發(fā)射-接收單 元1Q提供到信號(hào)處理裝置16。在如上所述安排的缺陷檢查設(shè)備中，除了底表面回波lla和缺陷回波 llb之外，從超聲波發(fā)射-接收單元IO輸出的回波信號(hào)11還包括一定 數(shù)量的噪聲。當(dāng)包括在超聲波脈沖11中的噪聲數(shù)量很大時(shí)，檢查結(jié)果 的可靠性被大大降低。噪聲被粗略分為電噪聲和材料噪聲。電噪聲包括通過(guò)將電磁波混入探針12、超聲波發(fā)射-接收單元10、 例如電纜13的連接電纜等而造成的外部噪聲，以及由結(jié)合在超聲波發(fā) 射-接收單元10中的放大器等生成的內(nèi)部噪聲。減少包括在回波信號(hào)10b中的噪聲對(duì)于以高精確度執(zhí)行超聲檢查來(lái)說(shuō) 非常重要。通常，模擬濾波器用于減少包括在回波信號(hào)10b中的噪聲分 量。例如，BPF (帶通濾波器)用于通過(guò)相對(duì)于具有寬頻分量的電噪聲 的超聲回波的頻率分量。而且，LPF (低通濾波器)或BPF用于材料噪 聲，識(shí)別出缺陷回波lib (圖2)的頻率分布低于信號(hào)散射所產(chǎn)生的回 波的頻率分布。以這種方式，當(dāng)使用模擬濾波器時(shí)，包括在回波信號(hào)lib 中的噪聲分量可被減少到等于或低于預(yù)先確定水平的水平。通常已知的是，缺陷回波信號(hào)的頻率分布基于目標(biāo)物體l4的超聲波 衰減特征而變化。因此，當(dāng)BPF要被用于由散射回波等表示的材料噪聲 時(shí)，具有最優(yōu)特征的濾波器期望根據(jù)目標(biāo)物體14而被使用。然而，由
于模擬濾波器的頻率通過(guò)特征不能容易地改變，所以必須準(zhǔn)備具有不同 頻率通過(guò)特征的更多數(shù)目的濾波器，所述不同頻率通過(guò)特征對(duì)應(yīng)于與目標(biāo)物體14相關(guān)聯(lián)的各種材料的不同超聲波衰減特征。以這種方式，當(dāng) 不同濾波器根據(jù)目標(biāo)物體14的材料特征而祐 使用時(shí)，在相對(duì)于整個(gè)系 統(tǒng)的成本和復(fù)雜度而考慮可操作性或經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)實(shí)際困難。在某些情況下，缺陷回波lib可以非常接近于目標(biāo)物體l4的前表面 14c,所述目標(biāo)物體會(huì)將其放置在緊靠發(fā)射脈沖10a的下降沿上。為此， 為了不干擾返回的缺陷回波lib,期望發(fā)射脈沖10a下降沿(在圖3中 被放大為下降沿10at)末尾能夠盡可能快地下沉到零基線10ab。到達(dá) 零基線的建立時(shí)間7a是探傷儀近表面分辨率的決定性因素?？紤]到超聲波發(fā)射-接收單元10的增益可^皮調(diào)整高到110dB(如歐洲 標(biāo)準(zhǔn)EN 12668-1所要求的)，如果增益水平被設(shè)置太高的話，超聲波 發(fā)射-接收單元10中增益放大階段之前的少量基線誤差將會(huì)導(dǎo)致在增 益放大階段輸出處的大誤差。在到信號(hào)處理裝置16的輸入處得到的基線誤差將可以(a) 造成動(dòng)態(tài)范圍減小，因?yàn)樾盘?hào)在屏幕上的最大垂直位移將會(huì)減 少基線的偏移量，這將使儀器對(duì)于探測(cè)缺陷回波的靈敏度降低，或者(b) 如果在幅度中足夠高，造成一個(gè)或多個(gè)增益放大階段飽和，由 此完全阻止了回波信號(hào)被探測(cè)。通常，上述基線誤差問(wèn)題以兩種方式之一被解決。根據(jù)第一種方法， 為了濾除發(fā)射脈沖10a下降沿10at的低頻內(nèi)容，HPF被用在超聲波發(fā)射 -接收單元IO輸入的信號(hào)路徑中。發(fā)射脈沖10a的下降沿10at可以通 過(guò)如鄰近虛線7c所示的HPT改善。然而，HPF解決方案的有效性以幾種方式受到限制。首先，HPF截止 頻率(f HPF-3dB)必須盡可能地高，以便最小化發(fā)射脈沖10a下降沿 10at的低頻內(nèi)容。例如，如果探針12的激發(fā)頻率是10MHz且f HPF-3dB 是5MHz，則對(duì)接收機(jī)基線的不期望的影響將會(huì)大大減少。不幸的是，為探針l2使用低至500kHz的激發(fā)頻率不是非同尋常的， 這將要求f HPF-3dB在500kHz以下。HPF解決方案在該頻率范圍內(nèi)丟失 了其很多有效性，因?yàn)椴黄谕拇罅堪l(fā)射脈沖10a下降沿lOat低頻內(nèi) 容被允許通過(guò)HPF并帶來(lái)基線誤差。第二點(diǎn)，為了防止對(duì)放大器電路的損害，被施加到超聲波發(fā)射-接收
單元10第一放大器階段(未示出)的發(fā)射脈沖的最大幅度被限制(箝 位)在幾伏特。在脈沖發(fā)生器每一次被點(diǎn)燃時(shí)將會(huì)導(dǎo)致放大器飽和的水平上操作超聲波發(fā)射-接收單元10的增益是很普通的。如果濾波器未 到達(dá)臨界阻尼，則走出飽和之后的濾波器響應(yīng)將會(huì)使發(fā)射脈沖10a的下 降沿變得比沒(méi)有使用濾波時(shí)更差。對(duì)于每個(gè)制造的儀器來(lái)說(shuō)，具有大量 被調(diào)諧的濾波器以確保臨界阻尼是可能的；然而，當(dāng)考慮濾波器組件的 可制造性和長(zhǎng)期溫度漂移時(shí)，出現(xiàn)實(shí)際困難。還應(yīng)該注意到， 一旦放大器進(jìn)入飽和，將花費(fèi)大量時(shí)間使放大器返回 到線性操作區(qū)域。這就造成為了使發(fā)射脈沖10a下降沿返回到零基線， 比如果放大器輸入信號(hào)被保持在飽和水平以下(即在線性操作范圍之 內(nèi))的情況要花費(fèi)更多時(shí)間。用于解決基線誤差問(wèn)題的可選方法是將箝位的發(fā)射脈沖10a直接耦合 到超聲波發(fā)射-接收單元10的輸入。該方法避免了其中一個(gè)上述問(wèn)題， 因?yàn)闆](méi)有使用HPF或BPF濾波器。直接耦合解決方案的有效性受到兩方面的限制。首先，其對(duì)于減少發(fā) 射脈沖10a下降沿10at的低頻內(nèi)容沒(méi)有用。其次，基線誤差的DC分量 和超聲波發(fā)射-接收單元10的放大器偏移誤差通過(guò)信號(hào)路徑并被放大。 這會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步描述的各種動(dòng)態(tài)范圍和飽和問(wèn)題。通常,探傷儀提供允許用戶為了為缺陷測(cè)量情況選擇最優(yōu)的設(shè)置，利 用濾波器或通過(guò)直接耦合來(lái)操作儀器?，F(xiàn)在參照?qǐng)D4描述對(duì)靠近物體14背部表面的缺陷的探測(cè)。在某些情 況下，缺陷14d可以非常接近目標(biāo)物體14的遠(yuǎn)表面14a,這樣將會(huì)使缺 陷回波lib緊密靠近后壁回波lla。為了實(shí)現(xiàn)正確的檢查(根據(jù)^[艮多正 規(guī)的檢查過(guò)程)，后壁回波lla的峰值必須保持在波形顯示器18上一 直可見(jiàn)。這樣的原因是1)目標(biāo)物體14中由多孔性或材料污染造成的 小缺陷會(huì)產(chǎn)生缺陷回波，所述缺陷回波沒(méi)有足夠大到能從波形顯示器18 上看到，但是會(huì)減小到達(dá)后壁14a的回波幅度，由此使得缺陷回波llb 和后壁回波lla的幅度減小，和2 )探針12將會(huì)被間斷地不正確地耦合 到目標(biāo)物體14的表面14c,由此減小后壁回波lla的幅度。這兩種情況 將使得缺陷14d的回波不能在波形顯示器18上可見(jiàn)。然而，后壁回波 lla的減少將會(huì)指示目標(biāo)物體14材料或探針12耦合的問(wèn)題。如果后壁 回波lla的峰值;故允許超過(guò)波形顯示器18頂部可見(jiàn)部分，則峰值幅度 的減少將不能在波形顯示器18上可見(jiàn)。實(shí)施檢查的人通過(guò)調(diào)整后壁回 波門6d (參見(jiàn)圖4)來(lái)設(shè)置后壁回波lla可#^允許的水平時(shí)間軸上的區(qū) 域，建立后壁回波lla探測(cè)參數(shù)。垂直幅度軸上的閾值也為最小可接受 的回波幅度設(shè)置。通常，當(dāng)后壁回波lla落到這些參數(shù)以外時(shí)，將會(huì)發(fā) 生報(bào)警。這種測(cè)量方法帶來(lái)了一些問(wèn)題。缺陷回波1 lb與后壁回波1 la之間的回波幅度差可能巨大(大到幾個(gè) 幅度數(shù)量級(jí))。但是下面描述的幾種方法(a、 b、 c和d)可用于確保 缺陷回波lib和后壁回波lla的峰值都保持在波形顯示器18上可見(jiàn)。 (注意到，盡管這些方法與本發(fā)明相比有局限性，但是存在很多應(yīng)用， 對(duì)此它們能夠提供令人滿意的性能。)(a )將探針12連接到兩個(gè)平行的接收機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器通道(A和B)。 通道A的增益由實(shí)施檢查的人調(diào)整，以便最優(yōu)化缺陷14d的回波幅度， 使其能夠清楚地在波形顯示器18上可見(jiàn)。出于前面所述的原因，通道B 的增益被調(diào)整，以確保后壁lla回波的峰值保持在波形顯示器18上可 見(jiàn)。通道A和B A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出以這樣一種方式被結(jié)合，即除了后 壁回波門6d的區(qū)域之外，波形顯示器18的整個(gè)水平時(shí)間尺度顯示通道 A的全部輸出。后壁回波門6d的最左側(cè)指示發(fā)生從通道A到通道B的切 換的時(shí)間點(diǎn)。不幸的是，這種兩通道方法存在缺點(diǎn)。通常，通過(guò)將探針12在掃描 運(yùn)動(dòng)中沿目標(biāo)物體14表面移動(dòng)實(shí)現(xiàn)檢查，因?yàn)槟繕?biāo)物體內(nèi)缺陷的存在 或位置在其被探測(cè)出來(lái)之前都是未知的。如果目標(biāo)物體在掃描區(qū)域中的 前表面14c和后表面14a之間沒(méi)有恒定的厚度，則為了不漏掉對(duì)后壁回 波lla的探測(cè)，后壁回波門6d將需要被調(diào)整足夠?qū)?，以便包括該厚?上的變化。如果兩個(gè)通道都凈皮存々者，并且在后處理中抽j亍通道變化的話，則可以 解決近后壁探測(cè)的問(wèn)題。這將會(huì)是"跟蹤后壁衰減器"解決方案。還應(yīng) 當(dāng)使用雙或分屏顯示窗口， 一個(gè)用于顯示缺陷而另一個(gè)顯示后壁。這樣 將會(huì)消除對(duì)跟蹤后壁和調(diào)整顯示器的需要。 一小部分的接收信號(hào)將會(huì)被顯示兩次---次在缺陷部分中的高增益，再一次在后壁部分中的低增益。如果門的位置是在后處理中被計(jì)算的話，則該方法只能支持探測(cè)非
常靠近后壁的缺陷的缺陷報(bào)警門。因此，如果后壁缺陷回波lib非常接近后表面14a,則其將不能被探 測(cè)，因?yàn)楹蟊谌毕莼夭╨ib將發(fā)生在后壁回波門6d區(qū)域內(nèi)。這使得遠(yuǎn) 表面14a對(duì)近表面分辨率產(chǎn)生不期望的影響。并且，接收機(jī)硬件的數(shù)量 是接近單個(gè)通道方案所需接收機(jī)硬件數(shù)量的兩倍。(b) '除了只需要一個(gè)通道之外，兩個(gè)連續(xù)脈沖接收測(cè)量循環(huán)的方法 與兩個(gè)并行接收機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器通道方法的概念相似。上面(a)部分 中的描述應(yīng)用到兩個(gè)連續(xù)脈沖接收測(cè)量循環(huán)的方法。并且，不是在兩個(gè) ^皮設(shè)置為不同增益的并行通道中處理缺陷回波lib和后壁回波lla，回 波是在同一通道中^L處理， 一個(gè)脈沖接收循環(huán)之后接著另一個(gè)脈沖接收 循環(huán),但是每個(gè)循環(huán)具有不同增益。連續(xù)脈沖接收測(cè)量循環(huán)方法獨(dú)有的缺點(diǎn)是，缺陷回波llb在時(shí)間上通 過(guò)附加的脈沖間隔To而與后壁回波lla分離(參見(jiàn)圖2)。因此，當(dāng)探 針12在掃描方向上被移動(dòng)時(shí)測(cè)量誤差更有可能發(fā)生，因?yàn)槠湮恢每赡?會(huì)在缺陷回波1 lb和后壁回波1 la凈皮測(cè)量的時(shí)間之間發(fā)生改變。(c) 時(shí)變?cè)鲆?TVG)是單通道方案，其中超聲波發(fā)射-接收單元10 的放大器增益:f皮動(dòng)態(tài)改變，以最優(yōu)化缺陷回波lib和后壁回波lla的幅 度(由于已經(jīng)描述的原因)。同兩個(gè)并行接收機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器通道方法一樣，TVG方法對(duì)于近表面 分辨率來(lái)說(shuō)，具有由遠(yuǎn)表面14a造成的同樣缺點(diǎn)。存在與TVG方法相關(guān)聯(lián)的其它缺點(diǎn)。因此，圖5示出了理想的TVG曲 線6e，所述TVG曲線從增益6f立即變化到增益6h,由此不從才莫擬TVG 放大器引入附加的近表面分辨率誤差。在上述方法中所述的誤差將仍然 保持。不幸的是，模擬TVG放大器不可能實(shí)現(xiàn)理想的曲線6e (特別是瞬時(shí)傾 斜(instantaneous slope) 6g )。才莫擬TVG放大器和控制它們的外部 信號(hào)具有限制增益變化率6g的響應(yīng)時(shí)間，由此造成由遠(yuǎn)表面14a帶來(lái) 的對(duì)近表面分辨率的不期望的影響。由于為了為增益變化提供時(shí)間間隔 6m，缺陷14d必須遠(yuǎn)離目標(biāo)物體14的背面14d，所以近表面分辨率下降。 根據(jù)有關(guān)回波說(shuō)來(lái)，缺陷回波lib必須在時(shí)間間隔6ra開始之前發(fā)生， 而后壁回波11 a —定不能在時(shí)間間隔6m結(jié)束之前發(fā)生。與TVG方法相關(guān)聯(lián)的其它問(wèn)題是由超聲波發(fā)射-接收單元IO接收機(jī)
部分中的各種DC偏移誤差源造成的。這些源包括放大器IC的輸入DC 偏移誤差和基線誤差的DC分量。本受讓人的某些現(xiàn)有探傷儀存在的DC偏移誤差在每一次增益被從一 個(gè)水平調(diào)整到下一個(gè)水平時(shí)，在每一個(gè)增益設(shè)置上被補(bǔ)償。DC偏移誤差 被以這種方式補(bǔ)償，以考慮溫度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、DC偏移誤差上的漂移等 的影響。補(bǔ)償方法利用沿著接收機(jī)信號(hào)路徑的幾個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)注入DC 零值(null )信號(hào)，所述DC零值信號(hào)將會(huì)確?；€保持在A/D轉(zhuǎn)換器 滿標(biāo)度量程的中心，并處在波形顯示器18上的最優(yōu)位置。每一次打開 儀器，或者增益設(shè)置被改變，算法在執(zhí)行基線誤差讀數(shù)的微處理器中運(yùn) 行，計(jì)算所需的DC誤差校正值，并將DAC設(shè)置為該值。以TVG需要運(yùn)行的速度，為每一個(gè)增益設(shè)置執(zhí)行上述DC偏移補(bǔ)償方 法是不實(shí)際的。反之，DC偏移校正為中點(diǎn)增益設(shè)置，由此將終點(diǎn)之間的 誤差分開。例如，如果TVG范圍被設(shè)置為在20到60dB之間運(yùn)行，則DC 偏移校正被設(shè)置為補(bǔ)償在40dB處的誤差。該項(xiàng)技術(shù)的問(wèn)題是，其將誤 差？I入到回波幅度中，這對(duì)精確探傷和尺寸測(cè)量來(lái)說(shuō)是不期望的。(d)對(duì)數(shù)放大器被用于覆蓋所需的巨大動(dòng)態(tài)范圍，并且回波以對(duì)數(shù) 標(biāo)度被顯示在波形顯示器18上。對(duì)數(shù)標(biāo)度提供非常高的動(dòng)態(tài)范圍，因 而使得低幅度缺陷回波和高得多的幅度后壁回波的峰值都能在波形顯 示器上可見(jiàn)。不幸的是，當(dāng)使用對(duì)數(shù)方法時(shí)發(fā)生某些不期望的后果。因此，對(duì)給定 的后壁回波幅度和幅度變化來(lái)說(shuō)，與對(duì)于使用線性放大器的接收機(jī)相 比，回波波形峰值的垂直變化在波形顯示器上更不容易被注意到。這就 使得如前面所述的通過(guò)觀察后壁回波的峰值幅度變化來(lái)探測(cè)缺陷變得 更力口困只,。并且，對(duì)數(shù)放大器的輸出提供修正后的波形。因此，負(fù)回波波瓣的位 置不能被識(shí)別，因?yàn)槠浠蛘咄ㄟ^(guò)半波修正被去除，或者通過(guò)全波修正而 :帔轉(zhuǎn)換為正波瓣。正負(fù)回波波瓣的精確位置對(duì)于精確測(cè)量目標(biāo)物體14 的厚度來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)橐粋€(gè)波瓣可能比其它波瓣更可見(jiàn)。還需要回 波波瓣的極性來(lái)確定何時(shí)發(fā)生回波倒相。超聲波回波的倒相發(fā)生在當(dāng)聲 波從低聲阻抗材料傳到高聲阻抗材料時(shí)。并且，所有濾波器必須被定位在對(duì)數(shù)放大器部分之前，因?yàn)闉V波器需 要線性信號(hào)來(lái)正確操作(對(duì)數(shù)放大器是非線性裝置)。如果濾波器電路
被定位在高增益對(duì)數(shù)放大器部分之前，則接收機(jī)將會(huì)具有高得多的對(duì)噪聲的靈敏度，因?yàn)樾枰糜趯V波器組件連接在一起的PCB走線 (traces )對(duì)電磁噪聲敏感，并且由濾波放大器生成的內(nèi)部噪聲將會(huì)尋皮 最大地放大。對(duì)數(shù)放大器的這些問(wèn)題在本發(fā)明中得到改善，因?yàn)獒姌訑?shù) 據(jù)的全動(dòng)態(tài)范圍被提供在每個(gè)采樣時(shí)鐘周期上，由此使得其可以作為線 性標(biāo)度或?qū)?shù)標(biāo)度而被呈現(xiàn)。因此，本發(fā)明使操作者能夠命令系統(tǒng)，例 如前面描述的FPGA,為了在顯示器18上顯示而選擇并發(fā)展線性或?qū)?shù) 系統(tǒng)輸出，或者存儲(chǔ)這些輸出以用于后面的分析。本發(fā)明旨在改善或避免現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，實(shí)際上，其基本等同于 100MHz 24位的A/D轉(zhuǎn)換器，所述A/D轉(zhuǎn)換器利用大輸入電壓工作，沒(méi) 有DC偏移、基線誤差和現(xiàn)有技術(shù)的其它缺點(diǎn)。注意如下事實(shí)是重要的， 即盡管未發(fā)明是利用基本等同于lOOMHz 24位的A/D轉(zhuǎn)換器的性能來(lái)實(shí) 現(xiàn)，如上所述，其還可以分別用除lOOMHz和24位之外的其它釆樣頻率 和分辨率來(lái)實(shí)現(xiàn)。其利用運(yùn)行在相應(yīng)數(shù)目通道中的三個(gè)(或更多)A/D 轉(zhuǎn)換器。本直接發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，多功能操作A/D轉(zhuǎn)換器的最終發(fā)展將會(huì) 允許使用更少數(shù)目的A/D轉(zhuǎn)換器。圖6中的框圖示出了現(xiàn)有技術(shù)的電路中已經(jīng)被用于實(shí)現(xiàn)超聲波檢查系 統(tǒng)的更詳細(xì)形式。這種密集模擬電路利用來(lái)自換能器12的信號(hào)，將其 通過(guò)作為 一個(gè)可選擇輸入的開關(guān)24饋送給一 系列并行提供的放大器和/ 或衰減器28、 30、 32、 34和36,所述放大器/衰減器分別具有14dB、 OdB、 -8tdB、 -14dB和-20dB的各自增益。開關(guān)24還接收增益+之準(zhǔn)器20 的輸入，并將其信號(hào)直接提供給衰減器32、 34和36，并經(jīng)由開關(guān)26提 供給放大器28和30?？勺?cè)鲆娣糯笃?VGA) 40、 42和44分別從放大器28、 30和開關(guān)29 接收它們的輸入，開關(guān)29提供構(gòu)成衰減器32、 34和36輸出的所選其 中一個(gè)的輸出31。 VGA的輸出被提供給開關(guān)46，所述開關(guān)還接收來(lái)自增 益校準(zhǔn)器22的信號(hào)作為其輸入之一，并有選擇地將這些信號(hào)通過(guò)總線 48提供給一系列高通濾波器50、 52、 54、 56、 58、 60、 62和64,它們 的輸出通過(guò)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)66而被切換到低通濾波器70、 72、 74、 76、 78、 80、 82和84。這樣，通過(guò)控制對(duì)通過(guò)開關(guān)66和67的期望的信號(hào)的選 擇，來(lái)自VGA 40、 42和44或來(lái)自增益校準(zhǔn)器22的信號(hào)能夠被饋送， 以將其提供到進(jìn)一步的下游VGA 86， VGA 86的輸出通過(guò)開關(guān)92-陂進(jìn)一
步提供到放大器90。這個(gè)放大器90的輸出或增益校準(zhǔn)器94的輸出然后最終被饋送到 lOOMS/s IO位的才莫數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器100?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA) 106將結(jié)合實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)控制和存儲(chǔ)電路 102與測(cè)量增益探測(cè)和壓縮電路104，以提供到數(shù)字信號(hào)處理器和控制 110的輸出，其還控制FPGA 106的設(shè)置以獲得恰當(dāng)處理的內(nèi)插模數(shù)轉(zhuǎn)換 器100的輸出，提供時(shí)變?cè)鲆婵刂?，并用于產(chǎn)生能夠在顯示器18上顯 示的信號(hào)。考慮到介紹性的討論，顯而易見(jiàn)的是，校準(zhǔn)各種模擬電路以防止歸因 于大量高通和低通濾波器的不同頻譜響應(yīng)的不一致性和變化，并避免DC 偏移和漂移和模擬裝置溫度影響的任務(wù)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中電路的設(shè)計(jì)者和 使用者帶來(lái)大量挑戰(zhàn)。圖7所示的本發(fā)明框圖的粗略比較示出，本發(fā)明中很少使用容易出問(wèn) 題的模擬電路，其利用三個(gè)一組的A/D通道，這樣避免了現(xiàn)有技術(shù)中很 多缺點(diǎn)和復(fù)雜度。在圖7的框圖中，當(dāng)開關(guān)114a^皮關(guān)閉時(shí)，換能器12使其輸出13a直 接被只提供給兩個(gè)前置放大器110和112,后者放大器饋送第三放大器 122。這些放大器的信號(hào)分別被在頻率響應(yīng)微調(diào)和濾波器模塊116、 118 和120中處理，并接下來(lái)沿著三條通道A、 B、 C而被提供給差分放大器 驅(qū)動(dòng)器126、 128和130。沿這三條通道的模擬信號(hào)然后被直接分別提供 給A/D轉(zhuǎn)換器132、 134和136，它們的數(shù)字輸出然后依次被提供給現(xiàn)場(chǎng) 可編程門陣列140,所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列140結(jié)合了控制與存儲(chǔ)才莫塊 142、數(shù)字對(duì)數(shù)積分器時(shí)變?cè)鲆?46和測(cè)量門探測(cè)與合成A掃描壓縮電 路152。該FPGA 140與DSP 160協(xié)同工作，DSP 160將其信號(hào)提供給顯 示器18。圖7中的實(shí)施方式省去了大多數(shù)模擬電路，并克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)， 包括密集地使用模擬高通和低通濾波器、附加放大器和校準(zhǔn)器和各種 VGA電路，根據(jù)圖7的電路，所有這些都表現(xiàn)為不必要的。參照?qǐng)D7的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列140，現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)其一部分 的圖8,包括其實(shí)時(shí)釆樣數(shù)據(jù)控制和存儲(chǔ)、濾波功能和內(nèi)插功能。初步地，注意到，圖8的框圖有效提供了具有可適應(yīng)的采樣速率的可 調(diào)數(shù)字濾波器，所述采樣速率依賴于裝置的帶通設(shè)置。該裝置旨在被用
于超聲波和渦流工業(yè)檢測(cè)儀器。本發(fā)明的內(nèi)插器部分為低于耐奎斯特頻率(50MHz)的頻率生成 400MS/s的有效采樣速率，同時(shí)只使用lOOMS/s的A/D轉(zhuǎn)換器采樣數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的探傷產(chǎn)品，諸如本受讓人的Epoch 4系列，具有交織功能，所 述功能通過(guò)實(shí)施兩個(gè)連續(xù)的測(cè)量周期，有效增大A/D轉(zhuǎn)換器釆樣時(shí)鐘分辨率。由于交織造成的不期望的影響發(fā)生在當(dāng)換能器探針和被檢查物體在 相互運(yùn)動(dòng)的時(shí)候。為了在交織期間獲得精確的測(cè)量結(jié)果，超聲波測(cè)量事 件必須是可重復(fù)的。因此，換能器探針相對(duì)于正在#:檢測(cè)的物體的位置 在交織期間內(nèi)必須盡可能地不^l改變。以新穎的方式，對(duì)于下面所述的特別描述實(shí)施例的情況，本發(fā)明的優(yōu) 選方法實(shí)現(xiàn)在A/D轉(zhuǎn)換器采樣速率之上的采樣速率的4X增加，而無(wú)需用于多個(gè)測(cè)量周期的交織。進(jìn)一步參照?qǐng)D8, RAWRAM 205基本上對(duì)應(yīng)于圖7中的元件142,并構(gòu) 成存儲(chǔ)來(lái)自模數(shù)轉(zhuǎn)換器，諸如圖7的轉(zhuǎn)換器132、 134、 136的數(shù)據(jù)的裝 置。RAW RAM 205優(yōu)選地是能夠以100MS/s的數(shù)據(jù)速率存4諸并重放數(shù)據(jù) 的雙端口RAM。例如以25MS/s的時(shí)鐘速率操作，從RAW RAM 205讀出的 數(shù)據(jù)被饋送到均值抽取器206,其接收使能信號(hào)201并向IIR (無(wú)限脈 沖響應(yīng))濾波器207提供信息，所述IIR濾波器207基于由存儲(chǔ)在IIR 系數(shù)寄存器202中的操作者可設(shè)置值定義的濾波函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。 該無(wú)限脈沖響應(yīng)型濾波器以濾波器時(shí)鐘212確定的速率來(lái)操作，所述濾 波器時(shí)鐘212由濾波器時(shí)鐘使能211來(lái)激活，并將門控濾波器時(shí)鐘216 提供給IIR濾波器207,如圖所示。有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器208提供進(jìn)一步的濾波函數(shù)，所述函數(shù) 由存儲(chǔ)在FIR系數(shù)寄存器203中的數(shù)據(jù)來(lái)成形和定義。FIR濾波器208 與1IR濾波器207同步運(yùn)行。矩形窗濾波器209從FIR濾波器208接收 數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)215的形式提供其數(shù)據(jù)輸出。矩形窗濾波器209以濾波 器時(shí)鐘212的速率操作，并進(jìn)一步由如圖所示的矩形窗深度信號(hào)213來(lái) 控制。因此，圖8的電路有效實(shí)現(xiàn)了數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)濾波，同時(shí)提供最優(yōu)的濾波器 響應(yīng)并同時(shí)需要最少的邏輯門、門陣列等等形式的數(shù)字硬件。數(shù)字硬件 的最小化減小了 FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)所需的大小和成本，并減少 了功率消耗。低功率消耗對(duì)在便攜式儀器中實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池壽命來(lái)說(shuō);f艮 重要。并且，本發(fā)明與模擬濾波器的實(shí)現(xiàn)方式相比，還大大減少了部件數(shù)。本發(fā)明提供對(duì)實(shí)現(xiàn)超聲波探傷儀中時(shí)變?cè)鲆?TVG)的常規(guī)方法做出了重大改進(jìn)，其使用了由預(yù)先載入的增益值表控制的可變?cè)鲆婺M放大器(VGA),所述增益值間隔一個(gè)"時(shí)間單元"。常規(guī)和新發(fā)明方法的簡(jiǎn)化示圖被分別示于圖lO和ll。在這兩種情況 下，TVG曲線342和343分別通過(guò)建立起始增益值、終止增益值和所述 值之間總的時(shí)間間隔來(lái)產(chǎn)生。因此，對(duì)第一TVG線I殳，OdB、 10dB和Tl 將會(huì)被分別使用。該過(guò)程對(duì)于從10dB到66dB的所有TVG線段重復(fù)進(jìn)行。常規(guī)的TVG方法和設(shè)備應(yīng)該需要數(shù)字存儲(chǔ)裝置來(lái)存儲(chǔ)貫穿從OdB到 66dB的整個(gè)TVG范圍的每個(gè)增益設(shè)置。因此，對(duì)于圖10， 30個(gè)增益值 需要被存儲(chǔ)并被以恒定的速率重放到控制VGA的DAC,以產(chǎn)生TVG曲線 342。常規(guī)實(shí)現(xiàn)方式實(shí)際上將會(huì)使用比30多得多的TVG點(diǎn)；然而，圖9 中只使用了 30個(gè)點(diǎn)來(lái)簡(jiǎn)化圖和說(shuō)明。本發(fā)明以如下方式改進(jìn)了常規(guī)的TVG方法a) 本發(fā)明需要少得多的TVG數(shù)字存儲(chǔ)器用于給定的TVG曲線，因?yàn)?只有起始增益值、終止增益值和變化斜率的增益率被需要用來(lái)生成TVG 曲線線段。常規(guī)的基于列表的TVG方法存儲(chǔ)起始增益值、終止增益值和 每個(gè)TVG線段的每個(gè)中間增益值。因此，與圖3相比，圖11的TVG曲 線343僅僅需要18個(gè)存儲(chǔ)器位置，而不是需要30個(gè)存儲(chǔ)器位置。存儲(chǔ) 器尺寸的減小比30到18重要得多，因?yàn)楫?dāng)使用常規(guī)的TVG方法時(shí)，；[艮 多更中間的增益點(diǎn)被需要用來(lái)實(shí)現(xiàn)典型的TVG功能。b) 與實(shí)現(xiàn)常規(guī)方法所需的模擬部件相關(guān)的前述問(wèn)題被消除。c) 因?yàn)楸景l(fā)明的方法和設(shè)備完全用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)，因此陡峭得多的 TVG線段可被實(shí)現(xiàn)；因此，用于增益的最大時(shí)間變換率可以如連續(xù)釆樣 數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔一樣快，所述時(shí)間間隔對(duì)于100MS/s的A/D轉(zhuǎn)換器 采樣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)為10ns。該項(xiàng)改進(jìn)至少將會(huì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)上最佳的后壁衰減性^!匕 fl匕。圖8a示出了圖8中所示優(yōu)選實(shí)施例的數(shù)字信號(hào)處理鏈中當(dāng)前對(duì)數(shù)TVG 317的位置。圖9示出了本發(fā)明TVG 317的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式。成批電路(附圖標(biāo)
記301到315)提供了在每個(gè)SYS-CLK 342周期(圖8a )上到下一波形 數(shù)據(jù)點(diǎn)317的特定縮放值309?？s放值309和來(lái)自RAW—RAM 205的采樣 數(shù)據(jù)輸出被一起相乘，以產(chǎn)生到均值抽取器206的輸入，并最終產(chǎn)生出 現(xiàn)在探傷儀波形顯示器18 (圖7)上的明顯的信號(hào)增益。注意到本發(fā)明改變了 TVG過(guò)程是很重要的。常規(guī)的模擬或數(shù)字TVG電 路使用預(yù)先確定的修改了固定時(shí)間間隔上增益的增益系數(shù)列表。本發(fā)明 使用新的TVG過(guò)程，其不使用固定的時(shí)間間隔，而是通過(guò)采用斜率產(chǎn)生 "不工作的(on-1he-f 1 y )"增益系數(shù)和用于要應(yīng)用的斜率的持續(xù)時(shí)間。 圖9中所述的電路不是實(shí)現(xiàn)基于斜率和持續(xù)時(shí)間的TVG的唯一方式。這 種新的TVG過(guò)程代表了本發(fā)明的一個(gè)新穎概念，而不是特殊的電路實(shí)現(xiàn) 方式。系統(tǒng)設(shè)置通過(guò)將一系列斜率/時(shí)間對(duì)加載到斜率FIFO 306和時(shí)間FIFO 301開始。這些對(duì)每個(gè)都代表"增益斜率"——即從0. 000008到1. 99999 變化的固定點(diǎn)數(shù)，指示縮放因子將要增大(值大于1)或減小(值小于 1)，和"持續(xù)計(jì)數(shù)"——即指示等待前面的FIFOS 306和301到達(dá)下 一個(gè)斜率/時(shí)間對(duì)之前的時(shí)鐘周期數(shù)的整數(shù)值。在時(shí)間FIFO實(shí)現(xiàn)方式中，狀態(tài)機(jī)303等待在通過(guò)使能線304和305 來(lái)增大斜率FIFO 306和時(shí)間FIFO 301之前，由持續(xù)時(shí)間值302確定的 一組數(shù)目的時(shí)鐘周期。這樣將下一斜率/時(shí)間對(duì)加載到斜率值307和持 續(xù)時(shí)間值302上，并重新開始該過(guò)程。以這種方式，每個(gè)斜率值307凈皮 驅(qū)動(dòng)到多路復(fù)用器308的第一輸入，用于被加載到時(shí)間FIFO 301的相 應(yīng)"時(shí)間^直"。在斜率FIFO實(shí)現(xiàn)方式中，凈皮加載到斜率FIFO 306中并從斜率FIFO 306驅(qū)動(dòng)的值是從0. 000008 ( 2-17 )到1. 99999 ( 2-2-17 )的18位固定點(diǎn) 數(shù)。該數(shù)描述了縮放因子309的斜率(隨時(shí)間的變化率)，得到如下邏 輯1. 大于1的值對(duì)應(yīng)于增益(縮放因子309的值隨時(shí)間增大)2. 小于1的值對(duì)應(yīng)于衰減(縮放因子309的值隨時(shí)間減小)3. 等于1的值對(duì)應(yīng)于沒(méi)有變化(縮放因子309的值不隨時(shí)間改變) 在初始的值寄存器實(shí)現(xiàn)方式中，斜率FIFO 306和時(shí)間FIFO 301控制縮放因子309如何隨時(shí)間變換，但是縮放因子309的起始(初始)值 必須被預(yù)先載入寄存器。這通過(guò)INIT VAL寄存器3U實(shí)現(xiàn)。被連接在
多路復(fù)用器308反饋路徑中的MUX 310在第一運(yùn)行周期上將具有該初始 值(從311載入)ACC VAL寄存器314載入。從此往后，MUX 310將選 擇它的其它輸入309來(lái)反饋到ACC VAL寄存器314中。斜率FIFO 306的輸出被饋送到36 x 36的多路復(fù)用器308的一個(gè)輸 入，其是乘法器累加器的一部分。第二輸入315被從ACC VAL寄存器3U 的輸出驅(qū)動(dòng)，其包括從最后一個(gè)周期存儲(chǔ)的值。在每個(gè)時(shí)鐘周期上，多 路復(fù)用器308的輸出被反饋并被加載到該存儲(chǔ)寄存器314。以這種方式， 被存儲(chǔ)在寄存器314中的值(現(xiàn)在的縮放因子)將會(huì)在每個(gè)時(shí)鐘周期上 以由輸入斜率值307指定的速率而調(diào)高或調(diào)低。注意到我們正在使用乘 法器累加器來(lái)簡(jiǎn)化硬件/軟件接口是重要的。通過(guò)使用乘法器累加器， 利用了斜率值是線性的，單位是分貝UB)。根據(jù)數(shù)據(jù)縮放方案，縮放因子309在前面被發(fā)送到第二多路復(fù)用器 316的輸入中，在其中其被用于縮放輸入數(shù)據(jù)17點(diǎn)。該第二多路復(fù)用 器316的輸出，現(xiàn)在是被縮放的數(shù)據(jù)，被發(fā)送出TVG BLOCK 317，并被 發(fā)送到均值抽取器206。前面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字時(shí)變?cè)鲆?，差別是當(dāng)它們被使用時(shí)該方法生成了 增益值。前面的方法使用存儲(chǔ)器芯片，以容納在接收過(guò)程期間被記錄的 大量增益值。該方法要被安裝到FPGA中，其假定是為了其它原因的儀 器設(shè)計(jì)的一部分。這樣減小了 PCB板的空間、部件成本和功率需要。參照?qǐng)D12到16,下面描述TVG系統(tǒng)的第二到笫六實(shí)施例。首先參照?qǐng)D12和第二實(shí)施例，最初注意到即將在下面給出的對(duì)術(shù)語(yǔ) 和格式的注釋。固定點(diǎn)標(biāo)記格式下面所述的這種格式被用在圖12中和用于第二實(shí) 施例的說(shuō)明——即該文件中，目前(符號(hào)位數(shù)目. 整數(shù)位數(shù)目. 小數(shù)位數(shù)目}例如，{0. 1. 31}的標(biāo)記將表示固定點(diǎn)數(shù)具有 總共32位0個(gè)符號(hào)位(無(wú)符號(hào)數(shù))1個(gè)整數(shù)位(最大值為1)31個(gè)小數(shù)位(分辨率為2—31)而{1. 17. 0}的標(biāo)記將表示固定點(diǎn)數(shù)具有總共18位
1個(gè)符號(hào)位(有符號(hào)數(shù))17個(gè)整數(shù)位(最大值為2"-l) 0個(gè)小數(shù)位(分辨率為1)在圖12中，斜率FIFO 1202被用于存儲(chǔ)由用戶編程的TVG斜率值， 以用于生成期望的TVG曲線。斜率值的例子用TVG曲線343顯示在圖11 中。這些值的每一個(gè)都將被用作對(duì)累加器乘法器1203的輸入，用于在 時(shí)間FIFO 1206中其各個(gè)地址中所指定的持續(xù)時(shí)間。斜率值具有(O. 1. 31}的固定點(diǎn)格式，得到從0到近似于2的范圍。大 于1的斜率值將會(huì)得到正斜率(即增益隨每個(gè)時(shí)鐘周期增大)，而小于 l的斜率值將會(huì)得到負(fù)斜率(即增益隨每個(gè)時(shí)鐘周期減小)。存儲(chǔ)在斜率FIF01202中，用于計(jì)算期望的TG曲線的斜率值 (SLOPE —VALUE)由下面方程導(dǎo)出<formula>formula see original document page 22</formula>其中TVG-SLOPE-增益斜率，單位為"/3Fs =數(shù)據(jù)釆樣頻率，單位為HzSLOPE—VALE =凈皮加載到FIFO的值(0， 2 )Time FIFO1206 ;故用于存儲(chǔ)生成期望的TVG曲線所需的TVG持續(xù)時(shí)間 值。斜率持續(xù)時(shí)間值的例子在圖11中用TVG曲線343顯示為Tl到T6。 這些值的每一個(gè)都指定了多少時(shí)鐘周期用來(lái)將每個(gè)相應(yīng)的斜率值應(yīng)用 到累加器乘法器1203的輸入。持續(xù)時(shí)間值是18位固定點(diǎn)值，格式為{0.18.0},得到0到218-1的范 圍。分別一皮存儲(chǔ)在FIFO 1202和1206中的斜率-時(shí)間對(duì)在系統(tǒng)中用作在 特定量時(shí)間內(nèi)從一個(gè)增益到另一個(gè)增益的4元位推測(cè)法(dead-reckon) 目標(biāo)。每個(gè)斜率-時(shí)間對(duì)產(chǎn)生具有恒定變化率的一段TVG曲線，所述變 化率用dB每單位時(shí)間(例如dB/微秒)來(lái)表示。計(jì)數(shù)器1208被用于控制斜率持續(xù)時(shí)間間隔。計(jì)數(shù)器1208為從時(shí)鐘信 號(hào)1210提供到其CLK輸入的每個(gè)時(shí)鐘周期增加一個(gè)計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器1208 的輸出1208a被提供到比較器1207的輸入。計(jì)數(shù)器1208在每一次 TIME—VALUE 1206a等于COUNT 1208a時(shí)，與時(shí)鐘同步地復(fù)位。時(shí)間FIFO 1206和斜率FIFO 1202的輸出值在此時(shí)也提前于下一 TVG片^:。當(dāng)復(fù)位
時(shí)，計(jì)數(shù)器1208的計(jì)數(shù)返回到零。比較器1207比較計(jì)數(shù)器1208和時(shí)間FIFO 1206的當(dāng)前輸出值。當(dāng)兩 值相等時(shí)，比較器1207的輸出的狀態(tài)例如從邏輯零變化到邏輯1。累加器乘法器1203用斜率FIFO 1202的輸出乘以反饋加法器1200的 輸出。應(yīng)當(dāng)注意到，反饋加法器1200的輸出必須首先由MUX 1211選擇， 并計(jì)時(shí)到寄存器1212中以實(shí)現(xiàn)此目的。得到的累加器乘法器l203的輸 出是全分辨率增益值(FULL—RES—GAIN 1203a)。位片1204將FULL-RES-GAIN 1203a分為兩部分，并將它們提供作為 輸出信號(hào)1204a和1204b。一個(gè)部分，TRUNCATION—ERROR 1204a只包含F(xiàn)ULL—RES—GAIN 1203a 的31個(gè)最不重要位，并被提供到誤差累加器1201的輸入。其它部分是TRUNCATED—GAIN 1204b，其凈皮從位31到63 ( 32位)中獲 得，利用20個(gè)最不重要的整數(shù)位和12個(gè)最重要的小數(shù)位。兩個(gè)最重要 的整數(shù)位被減少而不對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性后果。TRUNCATED—GAIN 1204b值 被提供到反饋加法器1200和增益乘法器1205的輸入。誤差家加器1201是31位的累加器，其具有溢出輸出1201a。其將 TRUNCATIOIERROR 1204a在每個(gè)時(shí)鐘周期上求和，并且無(wú)論何時(shí)所累加 的值超出對(duì)應(yīng)于所有31個(gè)位是高的時(shí)候的數(shù)值，則將其溢出位設(shè)置為 高。溢出位等于TRUNCATED—GAIN U(Mb值的LSB。反饋加法器1200是全精確度加法器，用于將ERROR—BIT 1201a加到 來(lái)自反饋路徑的TRUNCATED—GAIN 1204b上。反饋加法器1200生成 PREVIOUS-GAIN 1200a，當(dāng)其被選擇作為Mux 1211的輸出時(shí)，其被寄存 器1212提供給累加器乘法器1203的輸入。增益乘法器1205用TRUNCATED—GAIN 1204b乘以DATA—IN 1209,并從 乘積中去除小數(shù)部分，由此產(chǎn)生用于DATA—OUT 1205a的整個(gè)數(shù)。圖12電路的操作涉及如下所述的各個(gè)步驟。為了初始化的目的，在開始TVG周期之前，顯示為圖ll中TVG曲線 343上的T1，斜率FIFO 1202和時(shí)間FIFO 1206用一組與TVG曲線343 上從T1到T6的時(shí)間間隔相關(guān)的一組斜率一時(shí)間對(duì)來(lái)加載。FIFO加載機(jī) 制未示出。并且，PRESET — GAIN 1211b ^皮選擇作為Mux 1211的輸出，凈皮 存儲(chǔ)在寄存器1212中，其輸出被提供到累加器乘法器的輸入，由 此設(shè)置初始增益。TVG時(shí)間間隔數(shù)可以大于或小于6。圖ll只是一個(gè)例子。接下來(lái)，專注于開始并維持TVG周期。為了開始TVG周期Tl,計(jì)數(shù)器 1208的時(shí)鐘輸入1210被使能，使得計(jì)數(shù)器1208等于時(shí)間FIFO 1206的 當(dāng)前輸出值。這依次使得比較器1207的輸出FIF0-EN信號(hào)1207a改變 狀態(tài)，并將時(shí)鐘沿提供給計(jì)數(shù)器1208的復(fù)位(RST)、斜率FIFO 1202 和時(shí)間FIFO 1206的時(shí)鐘輸入。該時(shí)鐘沿使得TVG曲線343的第一對(duì)斜 率-時(shí)間值分別出現(xiàn)在斜率FIFO 1202和時(shí)間FIFO 1206的輸出上。同時(shí)，Mux 1211的輸出^皮切換到PREVIOUS—GAIN 1200a，且計(jì)數(shù)器1208 被復(fù)位,以重新開始用每個(gè)連續(xù)的CLK1210周期計(jì)數(shù)。既然計(jì)數(shù)器1208 (COUNT)的輸出低于時(shí)間FIFO 1206 (TIME—VALUE)的輸出，則比較器 1207改變其輸出FIFO-EN 1207a的狀態(tài)。接下來(lái)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1208和時(shí)間FIFO 1206的輸出值相等的時(shí)候TVG 周期Tl結(jié)束，使得比較器1207改變其輸出FIFO — EN 1207a的狀態(tài)。該 事件使得計(jì)數(shù)器1208被復(fù)位，并使下一對(duì)斜率-時(shí)間值被分別提供到斜 率FIFO 1202和時(shí)間FIFO 1206的輸出。斜率FIFO 1202的輸出信號(hào)1202a 的目的將在下面的增益控制部分中進(jìn)行解釋。上面描述的用于周期Tl的FIFO控制操作對(duì)每個(gè)連續(xù)周期(T2到T6) 重復(fù)進(jìn)行，直到TVG曲線343的全部片段都^^支完成。這是在第二實(shí)施例 的范圍內(nèi)，以使得PRESET_GAIN 1211b能夠被用作每個(gè)連續(xù)TVG片段(T2 到T6)的初始增益。TVG時(shí)間間隔的數(shù)目可以大于或小于6。圖ll只是個(gè)例子。對(duì)于增益控制，PREVIOUS—GAIN 1200a凈皮選擇作為Mux 1211的輸出， 以便于后面的描述。在TVG間隔期間的每個(gè)時(shí)鐘周期上，斜率FIFO 1202的輸出在累加器 乘法器1203中與PREVIOUS — GAIN 1200a相乘，得到利用每個(gè)時(shí)鐘周期 進(jìn)行對(duì)數(shù)調(diào)節(jié)的FULL_RES —GAIN 1203a。FULL_RES-GAIN 1203a代表了周期中當(dāng)前點(diǎn)上的全精確度系統(tǒng)增益。 這66位值凈皮位片1204截短為32位，以生成TRUNCATED-GAIN信號(hào)1204b, 該信號(hào)'被提供給反饋加法器12GG和增益乘法器1205。
32位 TRUNCATED—GAIN信號(hào)1204b使得可以使用與能夠利用FULL—RES—GAIN 1203a的所有66位實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)路徑相比較更窄和較不復(fù)雜的數(shù)據(jù)路徑。 這個(gè)優(yōu)點(diǎn)需要位片1204的其它輸出TRUNCATION—ERROR 1204a也^皮正確
地考慮。單獨(dú)出現(xiàn)TRUNCATION—ERROR 1204a不造成充分的誤差；然而，誤差 在幾個(gè)周期上的累計(jì)將會(huì)是顯著的，并導(dǎo)致TVG系統(tǒng)變得不精確。這個(gè) 問(wèn)題通過(guò)使用誤差累加器1201結(jié)合圖12中所示的其它子系統(tǒng)模塊而被 防止，如下所述。增益輸出和反饋校正路徑在下面繼續(xù)說(shuō)明。PREVIOUS —GAIN 1200a凈皮 選擇作為Mux 1211的輸出，以便于進(jìn)行如下描述。DATA—IN 1209和TRUNCATED—GAIN 1204b ^皮提供給增益乘法器1205 的輸入，所述增益乘法器1205將兩者相乘并產(chǎn)生TVG系統(tǒng)的輸出 DATA_0IUT 1205a。增益乘法器1205將其輸出值截短，使得輸出數(shù)據(jù) DATA-OUT 1205a的固定點(diǎn)格式與輸入數(shù)據(jù)DATA_IN 1209的固定點(diǎn)格式 匹配——特殊地是格式{1. 17. 0}。TRUNC'ATED_GAIN 1204b還凈皮提供給反々貴加法器1200的一個(gè)輸入，以 及來(lái)自誤差累加器1201的ERR0R_BIT 1201a ^L提供作為另一輸入。當(dāng) 其被選擇作為Mux 1211的輸出并被加栽到寄存器1212時(shí)，反饋加法器 1200將其輸出PREVIOUS — GAIN 1200a提供到累加器乘法器1203的一個(gè) 輸入。斜率FIFO 1202的輸出1202a凈皮提供到累加器乘法器1203的另 一輸入，以便計(jì)算下一個(gè)增益設(shè)置。如果沒(méi)有被補(bǔ)償，則由位片(BIT SLICE) 1204實(shí)施的截短將產(chǎn)生TVG 曲線中不希望的舍入誤差。為了消除這個(gè)問(wèn)題，誤差累加器1201在每 個(gè)TVG時(shí)鐘周期上對(duì)31個(gè)TRUNCATION—ERROR 1204a的截短位求和。當(dāng) 來(lái)自連,周期的31個(gè)最不重要位加起來(lái)等于或大于第32位時(shí)，則誤差 累加器1201溢出，產(chǎn)生用于ERROR—BIT 1201a的值1。 ERROR—BIT 1201a 然后^皮加到反々貴加法器1200中的值TRUNCATED—GAIN 1204b, l吏 PREVIOUS — GAIN 1200a增加l?，F(xiàn)在參照?qǐng)D13的框圖，對(duì)使用^t擬積分器和VGA的第三實(shí)施例進(jìn)行 描述。本發(fā)明人預(yù)期通過(guò)使用如圖13所示的模擬和數(shù)字電路的組合，實(shí)現(xiàn) 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)的第三實(shí)施例。特殊地，模擬電路1300和DAC (數(shù)模轉(zhuǎn)換器)1304的新元件與數(shù)字 電路1202、 1206、 1207、 1208和它們各自的信號(hào)結(jié)合使用。這些數(shù)字 電路以與具有圖12中相應(yīng)附圖標(biāo)記的數(shù)字電路完全相同的方式運(yùn)行。 除非另外注明，下面的描述是針對(duì)圖13。為了增益控制的目的，用于特定TVG片段的增益控制通過(guò)設(shè)置^t擬積 分器1301的初始增益和斜率輸入，如下所述，并提供輸出1301a作為 對(duì)VGA 1303的增益控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在TVG片段持續(xù)時(shí)間上的模擬 積分器1301的輸出是具有恒定斜率的DC信號(hào)。VGA的增益控制函數(shù)將依賴于為VGA 1303 (例如線性或?qū)?shù)的)選擇的部件的轉(zhuǎn)移函數(shù)(即控制電壓對(duì)增益設(shè)置)。盡管沒(méi)有示出，在模擬 積分器1301和VGA 1303之間的信號(hào)路徑上放置線性到指數(shù)轉(zhuǎn)換器也在 本發(fā)明的范圍之內(nèi)，使得能夠使用線性或?qū)?shù)的VGA。TVG周期的初始化如下所述繼續(xù)。在TVG周期開始之前，如圖11中 TVG曲線343上的Tl所示，斜率FIFO 1202和時(shí)間FIFO 1206凈皮用 一組 與TVG曲線343上的時(shí)間間隔Tl到T6相關(guān)的斜率-時(shí)間對(duì)來(lái)加載。FIF0 加載機(jī)制未被示出。斜率FIFO 1202的輸出被提供給DAC 1304的輸入， 以便將輸出1304a設(shè)置為對(duì)應(yīng)于期望的斜率設(shè)置的DC電平。并且作為 初始化過(guò)程的一部分，INTITAL-GAIN 1301b被提供給才莫擬積分器1301 的輸入，'以設(shè)置初始增益。開始并維持TVG周期按照如下方式繼續(xù)。為了開始TVG周期Tl,計(jì)數(shù) 器1208的時(shí)鐘輸入1210被使能，使得計(jì)數(shù)器1208等于時(shí)間FIFO 1206 的當(dāng)前輸出值。這樣依次使得比較器1207的輸出FIFO-EN信號(hào)1207a 改變狀態(tài)，并將時(shí)鐘沿提供給計(jì)數(shù)器1208的復(fù)位(RST),以及斜率FIFO 1202和時(shí)間FIFO 1206的時(shí)鐘輸入。該時(shí)鐘沿使得TVG曲線343的第一 對(duì)斜率-時(shí)間值分別出現(xiàn)在斜率FIFO 1202和時(shí)間FIFO 1206的輸出上。同時(shí)，計(jì)數(shù)器1208 ;故復(fù)位，以利用CLK 1210的每個(gè)連續(xù)周期重新開 始計(jì)數(shù)。既然計(jì)數(shù)器1208 (COUNT)的輸出低于時(shí)間FIFO 1206 (TIME—VALUE)的輸出，則比較器1207改變其輸出FIFO—EN 1207a的 狀態(tài)。金狀態(tài)改變與時(shí)鐘斜率FIFO 1202和時(shí)間FIFO 1206所需時(shí)鐘沿 的方向相反；因此，對(duì)它們沒(méi)有影響。TVG周期的結(jié)束按照如下方式繼續(xù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器1208和時(shí)間FIFO 1206 的輸出值相等的時(shí)候TVG周期Tl結(jié)束，使得比較器1207改變其輸出 FIFO-EN 1207a的狀態(tài)。該事件使得計(jì)數(shù)器1208 ;波復(fù)位，并使下一對(duì)斜 率-時(shí)間值;故分別提供到斜率FIFO 1202和時(shí)間FIFO 1206的輸出。斜 率FIFO 1202的輸出信號(hào)1202a的目的將在下面的增益控制(GAIN CONTROL)部分中進(jìn)行解釋。上面描述的用于周期Tl的FIFO控制操作對(duì)每個(gè)連續(xù)周期(T2到T6 ) 重復(fù)進(jìn)行，直到TVG曲線343的全部片段都被完成。在最后一個(gè)周期T6結(jié)束時(shí)的VGA 1303的增益設(shè)置，或者^(guò)f支維持在恒 定水平，或者被設(shè)置為新的值，直到下一個(gè)TVG曲線開始。通過(guò)將MC 1304的輸出設(shè)置為零的斜率值，該增益被保持在恒定水平。通過(guò)將 INITIAL-GAIN信號(hào)1305設(shè)置為期望的增益值而設(shè)置新的增益值，如前 面所述。新的增益值可通過(guò)將DAC 304的輸出設(shè)置為零的斜率值而被保 持在恒定水平。TVG時(shí)間間隔的數(shù)目可以大于或小于6。圖11<義4又是一個(gè)例子。現(xiàn)在，參考附圖14的框圖，對(duì)下一個(gè)使用數(shù)字積分器和模擬VGA的 第四實(shí)施例進(jìn)行描述。本發(fā)明人想要設(shè)計(jì)出代替第三實(shí)施例的可選實(shí)施例，其用圖14中所 示的數(shù)字積分器1401代替圖13中所示的模擬積分器1301和DAC 1304。 DAC 1401h的輸出被提供作為用于VGA 1400b的增益控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn) 與圖13中所示實(shí)施例3的VGA 1303的功能相同的功能。特殊地，數(shù)字積分器1401與才莫擬電路1400和數(shù)字電路1202、 1206、 1207、 1208和它們各自的信號(hào)結(jié)合使用。除了數(shù)字積分器1401,數(shù)字 電路以與具有實(shí)施例2的圖12中相應(yīng)附圖標(biāo)記的數(shù)字電路完全相同的 方式運(yùn)存。并且，除了模擬積分器1301，模擬電路1400及其各自的信 號(hào)以與那些具有圖13中相應(yīng)附圖標(biāo)記的電路相同的方式運(yùn)4亍。除非另外注明，下面的描述是針對(duì)圖14。為了增益控制的目的，VGA的增益控制函數(shù)將會(huì)是線性或?qū)?shù)的，這 取決于為VGA 1303所選擇的部件類型。盡管沒(méi)有示出，在數(shù)字積分器 1401的寄存器1401g和VGA 1303之間的信號(hào)路徑上放置線性到指數(shù)轉(zhuǎn) 換器也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，使得能夠使用線性或?qū)?shù)的VGA。TVG周期的初始化如下所述繼續(xù)。在TVG周期開始之前，如圖11中 TVG曲線343上的Tl所示，INTIAL-GAIN信號(hào)1401a ;故選擇作為MUX "01b的輸出，其被提供到寄存器"01g的輸入。斜率FIFO 1202和時(shí) 間FIFO 1206凈皮用一組與TVG曲線343上的時(shí)間間隔Tl到T6相關(guān)的4牛 率-時(shí)間對(duì)來(lái)加載。FIFO加載才幾制未凈皮示出。TVG時(shí)間間隔的數(shù)目可以大于或小于6。圖ll只是一個(gè)例子。
開始并維持TVG周期按照如下方式繼續(xù)。為了開始TVG周期Tl,時(shí)鐘 CLK1210被使能，并且然后其第一沿使得INTIAL—GAIN信號(hào)1401a被加 載到寄存器1401g的輸出，由此將DAC 1401h的輸出^皮設(shè)置為VGA 1303 的期望的初始增益。同時(shí)，寄存器1401g的輸出1401d也被提供到加法 器1401c的輸入，且計(jì)數(shù)器1208在時(shí)間FIFO 1206的當(dāng)前輸出值之上 被增加一個(gè)計(jì)數(shù)。這樣依次使得比較器1207的輸出FIFO—EN信號(hào)1207a 改變狀態(tài)，由此復(fù)位計(jì)數(shù)器1208并開始TVG周期T1。FIF0—EN信號(hào)1207a 的這種狀態(tài)改變還為斜率FIFO 1202和時(shí)間FIFO 1206計(jì)時(shí)，^f吏得TVG 曲線343的第一對(duì)斜率-時(shí)間值分別出現(xiàn)在那里的輸出上。還使得計(jì)數(shù) 器1208 (COUNT)的輸出低于時(shí)間FIFO 1206 (TIME—VALUE)的輸出， 使得比較器1207改變其輸出FIFO—EN 1207a的狀態(tài)，為使得TVG周期 Tl結(jié)束的復(fù)位事件做準(zhǔn)備。狀態(tài)的這種改變與時(shí)鐘斜率FIFO 1202和時(shí) 間FIFO 12061210所需時(shí)鐘沿的方向相反，并復(fù)位CLK;因此，由于沒(méi) 有時(shí)鐘沿則對(duì)它們沒(méi)有影響。在CLK 1210的第一時(shí)鐘沿之后和其下一個(gè)周期開始之前的任意時(shí)間， 加法器1401c的輸出被MUX 1401b選擇并提供到寄存器1401g的輸入。 該輸入在下一個(gè)CLK 1210周期開始處被傳遞到寄存器1401g的輸出， 由此在初始增益值之后產(chǎn)生下一增益設(shè)置。此時(shí)，寄存器1401g的輸出 包含增益值，其為INITIAL — GAIN信號(hào)1401a與來(lái)自斜率FIFO 1202的 第一斜率值的和。該輸出被提供給DAC 1401h的輸入，以產(chǎn)生用于VGA 1 303的增益控制信號(hào)1301a。根據(jù)由斜率FIFO 1202提供的斜率值的極性，增益控制信號(hào)1301a將 會(huì)在CU 1210的每個(gè)連續(xù)時(shí)鐘周期上增加或減小VGA 1303的增益。如 果斜率極性是正，則增益變化等于前面的增益加上斜率值的數(shù)量。如果 斜率極性是負(fù)，則增益變化等于前面的增益減去斜率值的數(shù)量。該過(guò)程 繼續(xù)進(jìn)行，直到片段T1末尾，并且為圖11中所示TVG曲線343上的片 段T2到T6重復(fù)進(jìn)行。當(dāng)FIFO-EN信號(hào)1207a的下一計(jì)時(shí)沿將下一組4牛率FIFO 1202和時(shí)間 FIFO 1206的值轉(zhuǎn)移到它們各自輸出時(shí)，TVG曲線343上的片段T2到T6 開始。并且，寄存器1401g的輸出利用增益值而被加載，所述增益值等 于前面周期的增益和斜率FIFO 1202的第二斜率值之和。該輸出被提供 到DAC 1401h的輸入，以產(chǎn)生信號(hào)1301a,該信號(hào)凈皮提供給VGA 1 303的
增益控制管腳。該過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，直到TVG曲線343結(jié)束。結(jié)束TVG周期的過(guò)程如下所述。當(dāng)計(jì)數(shù)器1208和時(shí)間FIFO 1206的 輸出值相等時(shí)每個(gè)TVG周期(Tl到T6)結(jié)束，使得比較器1207改變其 輸出FIFO-EN 1207a的狀態(tài)。該事件使得計(jì)數(shù)器1208 #:復(fù)位，且下一 對(duì)斜率-時(shí)間值被分別提供到斜率FIFO 1202和時(shí)間FIFO 1206的輸出。VGA 1303在最后一個(gè)周期T6末尾處的增益設(shè)置或者被保持，或者被 設(shè)置為新的值，直到下一TVG曲線開始。保持恒定增益的一種方式是通 過(guò)使CLK 1210禁用。設(shè)置新增益值的一種方式是通過(guò)使用INITIAL-GAIN 信號(hào)1401a,如前面所述。TVG時(shí)間間隔的數(shù)目可以大于或小于6。圖ll只是個(gè)例子。接下來(lái)，第五實(shí)施例使用數(shù)字積分器和增益乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)分段 (piece-wise)的線性TVG曲線，并且在下面參照?qǐng)D15的框圖來(lái)描述。第五實(shí)施例以與第四實(shí)施例完全相同的方式操作，除了 DAC1401h和 VGA 1303被去除且寄存器1401g的輸出被提供給增益乘法器1500。并 且，由于這是純粹的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式，DATA—IN 1209被提供到增益乘法器 1500的輸入，且DATA—OUT是其輸出。第五實(shí)施例的區(qū)別在于，盡管增益控制是線性函數(shù)，如果TVG曲線的 每個(gè)T片段上的點(diǎn)數(shù)足夠多，則通過(guò)使用分段的線性方法，圖11的對(duì) 數(shù)TVG曲線343能夠被近似。第六實(shí)施例使用數(shù)字積分器、線性到指數(shù)轉(zhuǎn)換器和增益乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)數(shù)TVG曲線，下面參照?qǐng)D16的框圖進(jìn)行描述。第六實(shí)施例以與第五實(shí)施例完全相同的方式操作，除了線性到指數(shù)轉(zhuǎn) 換器1600被插入到寄存器1401g的輸出和增益乘法器1500的輸入之間。 這就使得寄存器1401g的線性輸出能夠生成對(duì)數(shù)TVG曲線。還應(yīng)注意到，下面的情形也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)a )數(shù)字積分器使用對(duì)數(shù)TVG函數(shù)的分段線性近似，所述對(duì)數(shù)TVG函 數(shù)具有線性控制的模擬TVG。b)圖13的模擬積分器1301的輸出1301a被利用A/D轉(zhuǎn)換器(未示 出)采樣，其輸出被用于代替圖15和16中所示數(shù)字積分器1401的輸 出。貫穿整個(gè)說(shuō)明書和權(quán)利要求書，參照了 "回波"信號(hào)。正如本領(lǐng)域技 術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到的，在特定環(huán)境或應(yīng)用中，換能器12的發(fā)射機(jī)和接 收機(jī)組件是物理上分離的，接收機(jī)被定位在正在被檢測(cè)的物體對(duì)面。因 此，這里所用的術(shù)語(yǔ)"回波，，還關(guān)于并包括其中所謂回波信號(hào)通過(guò)正在 ^皮才全測(cè)的物體的實(shí)施例。在前面的描述中，本發(fā)明已經(jīng)關(guān)于實(shí)施例進(jìn)行了專門描述，其中，探 傷是利用專門運(yùn)行在回波原理之下和/或參照處理通過(guò)材料的超聲波的 發(fā)射機(jī)/接收機(jī)對(duì)的單個(gè)換能器元件運(yùn)行。然而，應(yīng)當(dāng)注意到，本發(fā)明 等同地適用于利用換能器元件陣列，諸如超聲波相控陣列探針的探傷儀 器。在利用單個(gè)元件超聲波換能器的情況下，對(duì)于用于接收的相控陣列 超聲波探針的每個(gè)換能器元件的響應(yīng)信號(hào)都被提供給接收機(jī)通道的輸 入，用于由模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié)和接下來(lái)的數(shù)字化。換句話說(shuō)，權(quán)利要 求中對(duì)"換能器"的引用(單數(shù)形式的)被認(rèn)為也屬于探針的超聲波相 控陣列類型。這種換能器陣列被認(rèn)為是相同的，或者至少等同于單個(gè)元 件換能器。這種超聲波相控陣列裝置的結(jié)構(gòu)被描述或引用在美國(guó)專利No. 4， 497， 210和6， 789， 427中，這些專利的內(nèi)容在此引用作為參考。 盡管本發(fā)明已經(jīng)關(guān)于其特定實(shí)施例進(jìn)行了描述，然而，很多其它的變選地，本發(fā)明不受這里特殊公開的限制，而是只由后附權(quán)利要求來(lái)限制。
權(quán)利要求
1、一種時(shí)變?cè)鲆骐娐罚ㄓ糜诮邮蛰斎胄盘?hào)的輸入電路；用于存儲(chǔ)多個(gè)斜率持續(xù)時(shí)間值的第一電路；用于存儲(chǔ)斜率數(shù)據(jù)的第二電路，所述斜率數(shù)據(jù)適用于各個(gè)所述斜率持續(xù)時(shí)間值；用于存儲(chǔ)初始增益值的第三電路；控制電路，響應(yīng)于所述斜率持續(xù)時(shí)間值、所述斜率數(shù)據(jù)和所述初始增益值，以隨之生成適用于所述輸入信號(hào)的縮放函數(shù)；和縮放電路，用于接收所述輸入信號(hào)并利用控制電路生成的縮放函數(shù)處理所述輸入信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述輸入信號(hào)是模擬信號(hào)，并 且其中所述縮放電路產(chǎn)生模擬輸出。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述控制電路可操作地基于與 相應(yīng)斜率持續(xù)時(shí)間值相關(guān)的各個(gè)斜率值，為每個(gè)相應(yīng)的斜率持續(xù)時(shí)間值 設(shè)置恒定的斜率值。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中第一和第二電路的每一個(gè)都包 括各自的FIF0。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中縮放函數(shù)是當(dāng)與輸入信號(hào)相乘 時(shí)，使輸入信號(hào)增大、減小或保持不變的數(shù)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，包括累加器電路，所述累加器電路 用于產(chǎn)生包括縮放函數(shù)的時(shí)變縮放值。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，進(jìn)一步包括乘法器，以初始地選擇 4刀士臺(tái)i曾K直。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中起始縮放值與末尾縮放值之間的差別對(duì)于不同的所述斜率持續(xù)時(shí)間值來(lái)說(shuō)不同。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電路，其中縮放函數(shù)產(chǎn)生縮放值，所述縮 放值可以在小至10納秒的時(shí)間內(nèi)變化。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述電路基本上全部用數(shù)字電 路實(shí)現(xiàn)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中縮放函數(shù)的參數(shù)是可動(dòng)態(tài)變化 的。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中斜率數(shù)據(jù)可以從0. 000008( 2－17) 到1. 99999 ( 2—2—17 )變化。
13、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電路，其中累加器乘法器產(chǎn)生線性變化的 單位為分貝的縮放值。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，與超聲波系統(tǒng)相結(jié)合用于掃描要被檢測(cè)的物體。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的電路，其中超聲波探測(cè)系統(tǒng)包括 發(fā)射和接收裝置，用于生成檢測(cè)信號(hào)并接收響應(yīng)的回波信號(hào)； 換能器，其將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)，將超聲波信號(hào)施加到要被檢測(cè)的目標(biāo)物體，接收超聲波回波信號(hào)，并產(chǎn)生用于發(fā)射和接收裝置的 回波信號(hào)；信號(hào)處理電路，其與發(fā)射和接收裝置耦合以用于接收和處理回波信 號(hào)，該信號(hào)處理電路包括至少一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于將回波信號(hào)的模擬 版本轉(zhuǎn)換為包括流數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字回波信號(hào)；存儲(chǔ)器，其中流數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)速率被接收；無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器，所述IIR濾波器在從數(shù)字時(shí)變?cè)鲆骐?路接收的數(shù)據(jù)上操作，并向有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器提供輸出數(shù)據(jù)， 以將帶通函數(shù)施加到數(shù)據(jù)；和矩形窗濾波器，其以增加所感知的數(shù)據(jù)分辨率的方式，內(nèi)插從FIR濾 波器接收的數(shù)據(jù)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的電路，進(jìn)一步包括與時(shí)變?cè)鲆骐娐废囫?合的均值抽取器。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中FIR濾波器祐:設(shè)置為提供頻 率選擇性響應(yīng)，其提供比被應(yīng)用到其上的濾波器時(shí)鐘低10。/。的-6dB低 通濾波器點(diǎn)。
18、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中與存儲(chǔ)器讀出功能相關(guān)聯(lián)的 時(shí)鐘速率是才莫數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘速率的四分之一 。
19、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中FIR濾波器是具有32個(gè)系數(shù) 的MAC濾波器。
20、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中FIR濾波器被設(shè)置為提供低 通濾波器功能。
21、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中用于FIR濾波器的-6dB設(shè)置 在從大約.1到大約25MHz的范圍內(nèi)是可選擇的。
22、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，包括誤差累積器，所述誤差累積器 被構(gòu)建為記錄縮放函數(shù)中的累積誤差，并將校正值應(yīng)用于校正累積誤差。'
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的電路，其中第一和第二電路的每一個(gè)都 包括各自的FIFO,且包括響應(yīng)于第二電路和由誤差累積器導(dǎo)出的信號(hào)的 累加器乘法器，還包括具有增益輸出和截短誤差輸出的位片電路。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電路，包括增益乘法器，所述增益乘法 器響應(yīng)于所述位片電路的增益輸出和基于所述輸入信號(hào)的輸入數(shù)據(jù)。
25、 根據(jù)權(quán)利要求24所述的電路，其中輸入數(shù)據(jù)被表示為具有三個(gè) 片段的固定點(diǎn)數(shù)，包括符號(hào)位片段的數(shù)目、整數(shù)位片段的數(shù)目和小數(shù)位 片l殳的數(shù)目。
26、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的電路，包括電路時(shí)鐘，且其中該電路被 構(gòu)建為在該電路時(shí)鐘的每個(gè)時(shí)鐘循環(huán)上更新縮放值。
27、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中縮放函數(shù)用可變TVG—SLOPE表 示，TVG — SLOPE^皮定義為TVG —SLOPE= 20*Fs*log1() (SLOPE—VALUE) 其中TVG_SLOPE=增益斜率，單位為dVsFs =數(shù)據(jù)采樣頻率，單位為HzSLOPE_VALE = ^皮加載到FIFO的值(0， 2 )。
28、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中縮放函數(shù)用數(shù)字斜率值來(lái)表示， 并進(jìn)一步包括響應(yīng)于數(shù)字斜率值并具有模擬斜率輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并 且進(jìn)一步包括響應(yīng)于模擬斜率輸出且可操作地輸出模擬縮放函數(shù)的模 擬積分器。
29、 根據(jù)權(quán)利要求28所述的電路，進(jìn)一步包括可變?cè)鲆娣糯笃?，?述可變?cè)鲆娣糯笃黜憫?yīng)于模擬斜率函數(shù)和輸入信號(hào)以產(chǎn)生模擬信號(hào)輸 出。
30、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，進(jìn)一步包括數(shù)字積分器，所述數(shù)字 積分器響應(yīng)于所述第二電路并被構(gòu)建為產(chǎn)生數(shù)字縮放值形式的所述縮 放函數(shù)。
31、 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電路，進(jìn)一步包括可操作地將所述數(shù)字 縮放值轉(zhuǎn)換為模擬縮放函數(shù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并進(jìn)一步包括響應(yīng)于所述模 擬縮放函數(shù)和所述輸入信號(hào)的模擬可變?cè)鲆娣糯笃鳌?br> 32、 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電路，進(jìn)一步包括響應(yīng)于所述數(shù)字縮放 值和由所述輸入信號(hào)導(dǎo)出的數(shù)字信號(hào)的數(shù)字可變?cè)鲆娉朔ㄆ鳌?br> 33、 根據(jù)權(quán)利要求32所述的電路，進(jìn)一步包括線性到指數(shù)轉(zhuǎn)換器， 所述線性到指數(shù)轉(zhuǎn)換器被耦合在所述數(shù)字積分器和所述數(shù)字可變?cè)鲆?乘法器之間。
34、 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電路，其中所述數(shù)字積分器被構(gòu)建為， 利用線性控制的模擬TVG，產(chǎn)生對(duì)數(shù)TVG函數(shù)的分段線性近似。
35、 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電路，其中所述模擬積分器被構(gòu)建為利 用模數(shù)轉(zhuǎn)換器釆樣，其輸出被提供到數(shù)字增益乘法器，所述數(shù)字增益乘 法器也響應(yīng)于由所述輸入信號(hào)導(dǎo)出的數(shù)字信號(hào)。
全文摘要
在無(wú)損檢測(cè)儀器中，提供時(shí)變?cè)鲆?TVG)放大器(28)，其中放大器的增益被動(dòng)態(tài)改變，以最優(yōu)化缺陷回波信號(hào)(11b)的幅度。用于給定TVG曲線(343)的TVG數(shù)字存儲(chǔ)器不僅指定并控制起始增益值、末尾增益值，還指定并控制改變斜率的增益率，并生成TVG曲線線段。
文檔編號(hào)G01N29/44GK101400994SQ200680046861
公開日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者A·托馬斯, S·貝斯塞 申請(qǐng)人:奧林巴斯Ndt公司