數字化儀作為進行相關超聲測量的理想工具,在開發、測試、操作超聲產品中可以發揮關鍵作用。數字化儀和任意波形發生器提供寬范圍的帶寬、采樣率和動態范圍，能夠完美匹配超聲測量的的相關需求。
 

圖1，M4i.4451-x8 14bit 500MS/s PCIe 接口數字化儀采集超聲信號

超聲測量：

超聲波是一種頻率超過人耳聽覺范圍的一種聲波。超聲波設備操作頻率一般從20 kHz到幾GHz不等。表1總結了一些超聲應用的典型頻率范圍。

每個應用領域的的頻率使用范圍都反映出工程上的權衡。增加了操作頻率來提高分辨率可實現對較小的工件精確檢測，但另一方面，較高頻率信號的滲透能力是有限的，超聲波應用的常見問題是信號衰減、其與信號頻率成反比。因此,非常高頻率往往應用與物體表面研究應用中，相對的低頻率往往應用在需要更大的滲透和能量的應用中。北京坤馳科技有限公司所提供的數字化儀具有較寬動態范圍,可以在檢測大信號的同時,檢測到的小信號，可適應較多的應用場景。

應用舉例： 

   表1：常用超聲應用的推薦產品

采樣率：

  通常數字化儀產品的選擇是基于應用使用的頻率的，數字化儀的采集速率通常要5到10倍于工程應用頻率，也就是需要采集和檢測的信號頻率。但在多普勒頻移應用中，因其經常需要測量信號的某些特定的小的片段，需要很高時間分辨率，數字化儀的采樣率有時需要多達測量頻率的10倍以上。

帶寬：

  數字化儀的帶寬應該超過工程應用的高頻率。工作帶寬較低將導致高頻頻率信號衰減，并可能限制測量的分辨率和準確性。

動態范圍：

  增加數字轉換器的動態范圍(位數)可實現小信號的檢測。高分辨率ADC通常提供更好的信噪比，可實現采集卡同時檢測大信號和小信號。這就是為什么應用系統前端通常使用更高分辨率的ADC或信號處理(如平均和過濾)來提高他們的整體測量靈敏度。

其他方面：

  數字化儀的輸入電路必須與超聲傳感器的輸出阻抗和耦合元件相匹配。Spectrum的多款數字化儀提供輸入路徑選項，相關的配置和終端阻抗選擇可實現佳匹配。

  針對相應超聲信號的特點，數字化儀的采集模式也是要考慮的。應用中如果有信號突變或超聲脈沖，可充分利用數字化儀具備多種采集模式的能力，實現不同突變時間之間小的空載時間。

  另外，數字化儀可提供如數據平均，峰值檢測，濾波，快速傅里葉變換（FFT）的信號處理功能。其中，數據平均和峰值檢測通過開發FPGA的內部處理功能實現。其他的信號處理可通過SBench 6專用軟件或第三方軟件實現。 

一種典型超聲應用：

  下面的超聲波測距儀的相關測量應用過程，說明了可選數字化儀的一些應用特性。設備傳輸一波40 kHz，含有5個聲脈沖的信號。測量傳感器是一個100Khz帶寬的工用麥克風。麥克風配置一個兆歐姆輸入終端,直流耦合。圖2為這次測量應用的軟件顯示。

      圖2, 使用數字化儀采集40Khz的超聲信號.多個采集過程并實現濾波、平均、FFT處理。
 

  數字化儀被設置為多采集模式。作為單板工具采集5個超聲脈沖。軟件窗口頂端顯示了這5個脈沖，每個脈沖的采集時間都被時間戳準確標記，并在軟件上進行精確顯示具體時間信息。時間戳的時間標記功能提供了測量脈沖重復周期的一種簡單方式，同時，多采集模式也使得對比不同事件的持續脈沖時間、占空因數、空間脈沖長度，振幅和時間變得更為容易。

  軟件的左上角放大顯示了包括目標的衰減反應在內的個脈沖信號圖像，觀察到其后緣不是平的。右下的FFT處理圖顯示了采集信號的頻譜，除了40kHz主頻，還有一個80 kHz的二次諧波和顯著的低頻率雜散分量。雜散導致了采集信號的基線上升。基于這個頻譜圖，對信號進行了的20 – 50kHz的帶通濾波，過濾了導致圖像壓扁的后緣信號(右上圖)。5個采集脈沖的平均處理顯示在左下角的圖像中。每個視圖的縱坐標會基于麥克風的靈敏度和讀取單元的聲音壓力(Pascal)進行匹配縮放，這些視圖提供采集信號的重要量化信息。此外,測量信號的頻率、大和小信號振幅寫在對應的“信息”窗口內。

  以上，是一個數字化儀在超聲領域的簡要應用舉例。數字化儀及其配套軟件提供大量的測量和分析工具，能夠輔助超聲應用開發。