Page 225 - 《应用声学》2025年第2期

第 44 卷 第 2 期 马卫卫等： 超声探伤自动扫描平台微弱信号放大电路设计 485

实际设计电路如图 9 所示，从噪声系数表达式 3.4 屏蔽与接地技术
得到的第一个结论可知，在空气耦合超声换能器与 扫描系统存在电机噪声及外界噪声的干扰，选
第一级前放电路之前要进行阻抗匹配，同时用二极 择合理的屏蔽与接地方式尤为重要，本系统采取以
管进行限幅保护，以及通过限制第一级低噪声放大 下措施进一步降低外部干扰、耦合等噪声。
电路的带宽进一步降低噪声，提高SNR。 (1) 印制电路板设计布局时选择合适的接地方

式，减少多个电路的电流流经公共阻抗产生的噪声
V i
૱ V o [18]
ᑟ 电压 。
٨
(2) 将前置放大电路封装在金属外壳中，并将
Ӝᦡႃ᡹ ᬍࣨδઐ 探头及连接线用铜网包裹，将前置放大电路 BNC
接头电缆外壳、铜网及金属外壳包裹在一起，并单
点接地。
(3) 缩短换能器输入和输出到电路板的线长度。
图 9 第一级放大电路实际设计图 (4) 采用电池供电等措施进一步抑制噪声。
Fig. 9 Design diagram of the first stage amplifi-
cation circuit 4 性能检测
3.3 后级放大电路设计
经过原理图设计、仿真验证及合理布局布线后
信号经一级放大后还需要放大到能进入AD采
制作电路板如图 11 所示，将电路板、可充电电池盒
集的范围内，因此需要设计后级放大电路。后级放
及开关集成在屏蔽盒中，通过调节电位器旋钮实现
大电路选择低噪声、宽带增益可调压控 VGA 芯片
增益的连续可调。搭建测试系统对电路进行性能检
AD603 组成的两级级联电路。AD603 增益控制由
测，主要包括增益测试、−3 dB 带宽测试、噪声指标
增益控制电压v c 完成，两者呈线性变化，控制灵活。
测试，最后通过实际使用进行性能检验。
设 计 电 路 如 图 10 所 示， 第 一 级 放 大 倍 数
v G1 (dB) = 40(v c − 0.5) + 20，第二级放大倍数
(dB) = 40(v c − 1.5) + 20，且v c − 0.5和v c − 1.5
v G 2
电压范围都在 −0.5 ∼ 0.5 V 之间变化。当 v c 在
在 0 ∼ 40 dB
0 ∼ 1 V 变化时，第一级放大倍数 v G 1
变化，第二级放大倍数 v G 2 保持 0 dB 无变化；当 v c
保持 40 dB
在1 ∼ 2 V 变化时，第一级放大倍数v G 1
在0 ∼ 40 dB变化。因
无变化，第二级放大倍数v G 2
此控制电压 v c 在 0 ∼ 2 V 变化，可实现两级增益
0 ∼ 80 dB 连续可调。由于单极放大器的增益范围
图 11 微弱信号放大电路
设置为 0 ∼ 40 dB 时，其带宽为 30 MHz。两级放大
Fig. 11 Weak signal amplification circuit
器级联以后，总的放大器 3 dB 带宽会减小，此时带
4.1 增益测试
宽约为 21 MHz，但提高了动态范围 [17] 。后两级放
大器总增益加上第一级放大倍数 20 dB，前置放大 搭建测试环境如图 12 所示，包括微弱信号放
器总放大倍数范围为 20 ∼ 100 dB，可以将微伏信 大盒、Keysight 公司的 33500B 信号发生器以及 Ag-
号放大到进入AD采集的范围，满足要求。 ilent Technologies公司的MSO7034B示波器。利用
信号发生器产生 40 kHz 幅度为 mV级正弦波，通过
A1 A2
电阻分压的方式将输入 mV 级信号分压为 µV 级信
INPUT AD603 AD603 OUTPUT
0 dB GPOS GNEG GPOS GNEG 0~80 dB 号经过电路板放大后信号进入示波器测试。通过调
v G 1 v G 2 节电位器旋钮将放大倍数设为最大值100 dB。针对
v c = v O 1 =0.5 V v O 2 =1.5 V
0~2 V
不同幅度输入信号，测得输出结果见表4。测试结果
图 10 AD603 组成的两级级联电路 表明电路板有放大 µV 信号的能力，但输入信号幅
Fig. 10 Two-stage cascade circuit composed of AD603 度越低，SNR降低，导致误差越大。