超声波在液体中传输时间测量高速信号采集
随着科技的不断发展，超声波在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。它广泛应用于医学、工业、农学、军事等领域，主要可用于测距、测速、清洗、焊接、声呐、碎石等。DSP的广泛应用为利用现代数字处理技术高速大量的处理信息提供了一个有效地手段，而数据采集技术在其中起到了关键的作用。开发基于DSP的高速数据采集系统可以满足多个领域的数字信号处理需要，其中超声波的自动无损检测是一个非常重要的应用领域。本课题是高频超声波信号采集的研究。超声波信号通过AD采集电路进行采集，将数据存放到FIFO中去，接着，DSP可以从FIFO中读取数据，这一系列的操作都是由CPLD来控制整个系统的时序。关键词 超声波，信号采集，CPLD，DSP目录
1 绪论 1
1.1超声波的简介 1
1.2课题研究的背景及研究的意义 2
2.系统的整体设计 3
2.1高速信号采集系统的设计要求 3
2.2系统的设计思路 3
3高速信号采集硬件的电路设计 4
3.1AD转换芯片的选择 4
3.2AD驱动电路的设计 6
3.3模拟输入和电压参考设计 6
3.4 时钟电路的设计 7
3.5FIFO的选择和其电路设计 8
3.6 CPLD芯片的选择 9
3.7 DSP芯片的选择 10
4. 系统软件的设计 10
4.1VHDL语言的设计 10
4.2程序的功能 11
结论 13
致 谢 14
参考文献 15
1 绪论
1.1超声波的简介
声音是由于物体的振动而产生的声波，它可以凭借介质传播并且被人或者动物的听觉器官能够感知到。介质可以是我们生活中常见的物质，而且声音可以在物质的三种形态下都可以传播，其传播的性能与物质的分子间的密度有关系。他们成正向的比例，物质的分子密度越大，那么声音的传播的性能越好。我们人类的听觉器官是有一定限制的，这个和声音的频率有关联，只是可以感知频率为二十赫兹到两千赫兹。声音我们把它分成了三个种类，除了我们可以感觉的声音，还有次声和超声。当声音的频率低于人类的耳朵所能感知声音的频
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器官能够感知到。介质可以是我们生活中常见的物质，而且声音可以在物质的三种形态下都可以传播，其传播的性能与物质的分子间的密度有关系。他们成正向的比例，物质的分子密度越大，那么声音的传播的性能越好。我们人类的听觉器官是有一定限制的，这个和声音的频率有关联，只是可以感知频率为二十赫兹到两千赫兹。声音我们把它分成了三个种类，除了我们可以感觉的声音，还有次声和超声。当声音的频率低于人类的耳朵所能感知声音的频率时，我们就叫它次声波。当声音的频率高于人类的耳朵所能感知声音的频率时，我们就叫它超声波。
医疗诊断超声频率通常是1到5兆赫兹的。超声波传播时方向很稳定，而且它的渗透性还有它采集声能比较集中的声音能力都特别好，而且声音在液体中传播的话，由于它的能量消耗的不是很多，那么我们可以距离声源很远的地方还能感知到声音。其还可以用在检测速度、检测距离、超声清洗、超声焊接、超声碎石及超声消毒等各个方面。而且有许多应用在我们社会生产，生活的各个方面发挥了巨大的作用，促进了社会的发展，人民的生活水平得到了提高。经过大量的研究表明，在物体振幅为一个固定的值时，物体的振动频率变得越大时，那么，物体的能量也会跟着变化的，它的值与频率一样变得越来越大。当超声波在介质中传播的时候，粒子的振动频率会产生很大的变化，它的值会变得很高，那么产生的能量也会随着频率的变化而变得特别的大。冬天在干燥的地区，我们通常把超声波通入水槽里，剧烈的振动会把槽里的水震成很多粉碎的小水滴，只须要再通过小电扇将水滴吹到屋内，就能够提高屋内空气里面的湿度了，超声波加湿器就是根据以上的原理而制造出来的。还有一个例子就是像咽喉、气管一旦产生了病痛，药物是很难通过血液流通使药物到达患处，而采用加湿器的原理，人们将药物也碎成了许许多多的小雾滴，这样的话，病人就可以对药物有了更好的吸收，也就可以大大地提高药物的药效了。除此之外，合理的使用超声波强大的能量还能够让人身体里面的结石做激烈的振动而碎裂，来缓解痛苦，从而真正治愈。最后，超声波还可以在医院得到大量的利用，很多的医院都用超声波来对物品进行消毒杀菌。
另一类应用则是利用超声来清洗一些物体、还有利用超声来使物体雾化等，这是利用了超声波在传输的过程中能够改变介质的一些性质来工作的，这些超声波通常被人们称作功率超声。
1.2课题研究的背景及研究的意义
数字信号技术已经存在人类社会很久的时间了，它的发展见证了现代科学技术的飞快发展，它是我们这个社会进步的其中的一个缩影。最近十几年，我们的生活中，学习中，工作中，都可以看到它的身影了。这就好比社会是一个人，而信号处理技术就是人体中的血管，无处不在。所以说信号处理技术在人类的进步中起到了积极的作用。在信号处理的大家庭中，有着一个重要的角色，那就是采样定理。它是这个大家庭的根本，起到了决定性的作用。如果把信号处理比作一棵树，那么采样定理就是这颗树的根，有了这个根部，才会使数字信号处理这颗大树变得枝繁叶茂。
随着如今的电子信息技术的膨胀式的发展，我们所处理信号变得和以前不一样了，它们的带宽已经变得愈来愈高了。这时候，我们必须要有这样的一种信号采集模块，它的采样率和分辨率都要高，来对较高频域范围内的高频周期，瞬态非周期信号进行真确地，及时地处理，来完成对速度高，复杂的信号进行快速地采样、储存及传输的目标。
如今，高速信号采集卡广泛应用于雷达通信、卫星导航、电子侦察、高能物理、质朴分析等领域。行业的不同，也要求高速信号采集卡具备不同的特征。于是形成了种类繁多的高速信号采集卡及相关 采集储存系统。
本次系统应用了CPLD，CPLD是现在比较主流的可编程器件之一。CPLD的集成度不是很高，所以适应不了比较复杂的设计。CPLD有一个优点，它可以对一个系统的延迟时间有一个很好的预测，那么，它可以应用于一些对时序要求非常高的系统及应用。另外，由于上述内容，它的价格不是很高，消耗的能量也是很低，还有一点，它在系统中的运行速度很快。
如今利用超声波的技术已经在各种各样的液体参数的测量有了大面积的应用。大多数的应用中，我们所使用的超声波信号的频率已经在1MHZ以上了，传输时间的测量仍然使用了包络测量方法。为了将数字信号处理方法应用于液体参数超声波测量中，在空气介质超声波测量研究的基础上，本次课题研究中心频率在1MHZ以上的超声波信号在流体中传输时间的测量。和气介超声波信号相比较，它的频率变高了，有 许多的问题需要进一步的探究。本子课题是研究高频超声波信号的数字化及采集及数字滤波。
2.系统的整体设计
2.1高速信号采集系统的设计要求
（1）系统能够对频率大于1MHZ以上的超声波信号进行采集；
（2）采集到的信号能够有储存的地方；
（3）高速信号采集与储存模块能够有逻辑控制模块进行控制。
2.2系统的设计思路
本设计包含四个模块，它们分别是差动驱动模块；AD转换模块；FIFO储存模块和逻辑控制模块。首先我们使用差分驱动芯片AD8138，把超声波信号转换成
1 绪论 1
1.1超声波的简介 1
1.2课题研究的背景及研究的意义 2
2.系统的整体设计 3
2.1高速信号采集系统的设计要求 3
2.2系统的设计思路 3
3高速信号采集硬件的电路设计 4
3.1AD转换芯片的选择 4
3.2AD驱动电路的设计 6
3.3模拟输入和电压参考设计 6
3.4 时钟电路的设计 7
3.5FIFO的选择和其电路设计 8
3.6 CPLD芯片的选择 9
3.7 DSP芯片的选择 10
4. 系统软件的设计 10
4.1VHDL语言的设计 10
4.2程序的功能 11
结论 13
致 谢 14
参考文献 15
1 绪论
1.1超声波的简介
声音是由于物体的振动而产生的声波，它可以凭借介质传播并且被人或者动物的听觉器官能够感知到。介质可以是我们生活中常见的物质，而且声音可以在物质的三种形态下都可以传播，其传播的性能与物质的分子间的密度有关系。他们成正向的比例，物质的分子密度越大，那么声音的传播的性能越好。我们人类的听觉器官是有一定限制的，这个和声音的频率有关联，只是可以感知频率为二十赫兹到两千赫兹。声音我们把它分成了三个种类，除了我们可以感觉的声音，还有次声和超声。当声音的频率低于人类的耳朵所能感知声音的频
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
器官能够感知到。介质可以是我们生活中常见的物质，而且声音可以在物质的三种形态下都可以传播，其传播的性能与物质的分子间的密度有关系。他们成正向的比例，物质的分子密度越大，那么声音的传播的性能越好。我们人类的听觉器官是有一定限制的，这个和声音的频率有关联，只是可以感知频率为二十赫兹到两千赫兹。声音我们把它分成了三个种类，除了我们可以感觉的声音，还有次声和超声。当声音的频率低于人类的耳朵所能感知声音的频率时，我们就叫它次声波。当声音的频率高于人类的耳朵所能感知声音的频率时，我们就叫它超声波。
医疗诊断超声频率通常是1到5兆赫兹的。超声波传播时方向很稳定，而且它的渗透性还有它采集声能比较集中的声音能力都特别好，而且声音在液体中传播的话，由于它的能量消耗的不是很多，那么我们可以距离声源很远的地方还能感知到声音。其还可以用在检测速度、检测距离、超声清洗、超声焊接、超声碎石及超声消毒等各个方面。而且有许多应用在我们社会生产，生活的各个方面发挥了巨大的作用，促进了社会的发展，人民的生活水平得到了提高。经过大量的研究表明，在物体振幅为一个固定的值时，物体的振动频率变得越大时，那么，物体的能量也会跟着变化的，它的值与频率一样变得越来越大。当超声波在介质中传播的时候，粒子的振动频率会产生很大的变化，它的值会变得很高，那么产生的能量也会随着频率的变化而变得特别的大。冬天在干燥的地区，我们通常把超声波通入水槽里，剧烈的振动会把槽里的水震成很多粉碎的小水滴，只须要再通过小电扇将水滴吹到屋内，就能够提高屋内空气里面的湿度了，超声波加湿器就是根据以上的原理而制造出来的。还有一个例子就是像咽喉、气管一旦产生了病痛，药物是很难通过血液流通使药物到达患处，而采用加湿器的原理，人们将药物也碎成了许许多多的小雾滴，这样的话，病人就可以对药物有了更好的吸收，也就可以大大地提高药物的药效了。除此之外，合理的使用超声波强大的能量还能够让人身体里面的结石做激烈的振动而碎裂，来缓解痛苦，从而真正治愈。最后，超声波还可以在医院得到大量的利用，很多的医院都用超声波来对物品进行消毒杀菌。
另一类应用则是利用超声来清洗一些物体、还有利用超声来使物体雾化等，这是利用了超声波在传输的过程中能够改变介质的一些性质来工作的，这些超声波通常被人们称作功率超声。
1.2课题研究的背景及研究的意义
数字信号技术已经存在人类社会很久的时间了，它的发展见证了现代科学技术的飞快发展，它是我们这个社会进步的其中的一个缩影。最近十几年，我们的生活中，学习中，工作中，都可以看到它的身影了。这就好比社会是一个人，而信号处理技术就是人体中的血管，无处不在。所以说信号处理技术在人类的进步中起到了积极的作用。在信号处理的大家庭中，有着一个重要的角色，那就是采样定理。它是这个大家庭的根本，起到了决定性的作用。如果把信号处理比作一棵树，那么采样定理就是这颗树的根，有了这个根部，才会使数字信号处理这颗大树变得枝繁叶茂。
随着如今的电子信息技术的膨胀式的发展，我们所处理信号变得和以前不一样了，它们的带宽已经变得愈来愈高了。这时候，我们必须要有这样的一种信号采集模块，它的采样率和分辨率都要高，来对较高频域范围内的高频周期，瞬态非周期信号进行真确地，及时地处理，来完成对速度高，复杂的信号进行快速地采样、储存及传输的目标。
如今，高速信号采集卡广泛应用于雷达通信、卫星导航、电子侦察、高能物理、质朴分析等领域。行业的不同，也要求高速信号采集卡具备不同的特征。于是形成了种类繁多的高速信号采集卡及相关 采集储存系统。
本次系统应用了CPLD，CPLD是现在比较主流的可编程器件之一。CPLD的集成度不是很高，所以适应不了比较复杂的设计。CPLD有一个优点，它可以对一个系统的延迟时间有一个很好的预测，那么，它可以应用于一些对时序要求非常高的系统及应用。另外，由于上述内容，它的价格不是很高，消耗的能量也是很低，还有一点，它在系统中的运行速度很快。
如今利用超声波的技术已经在各种各样的液体参数的测量有了大面积的应用。大多数的应用中，我们所使用的超声波信号的频率已经在1MHZ以上了，传输时间的测量仍然使用了包络测量方法。为了将数字信号处理方法应用于液体参数超声波测量中，在空气介质超声波测量研究的基础上，本次课题研究中心频率在1MHZ以上的超声波信号在流体中传输时间的测量。和气介超声波信号相比较，它的频率变高了，有 许多的问题需要进一步的探究。本子课题是研究高频超声波信号的数字化及采集及数字滤波。
2.系统的整体设计
2.1高速信号采集系统的设计要求
（1）系统能够对频率大于1MHZ以上的超声波信号进行采集；
（2）采集到的信号能够有储存的地方；
（3）高速信号采集与储存模块能够有逻辑控制模块进行控制。
2.2系统的设计思路
本设计包含四个模块，它们分别是差动驱动模块；AD转换模块；FIFO储存模块和逻辑控制模块。首先我们使用差分驱动芯片AD8138，把超声波信号转换成
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