JPH0646193B2 - 超音波受信信号増幅回路及びその利得制御方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、超音波受信信号増幅回路及びその利得制御
方式に関し、さらに詳しくは超音波探傷器とか、超音波
信号を用いた各種計測器において、利得設定（又は感度
調節）の操作がし易く、ＳＮ比の良い信号出力が得られ
るような超音波受信信号の増幅回路の改良に関する。

［従来の技術］ 超音波測定装置では、パルサ／レシーバから送信信号を
発生してそれを超音波プローブに加え、このプローブで
発生した超音波を被検査物に照射する。そして、被検査
物からの超音波エコー又は透過した超音波を前記のプロ
ーブ又は別のプローブで受信してその受信信号を前記パ
ルサ／レシーバにより増幅することが行われ、増幅され
たエコー受信信号は、例えば、ゲートをかけてピーク値
等が検出される。なお、被検査物に対する前記の送信信
号は、あらかじめ設定された所定周期で送出され、送信
信号が次の送信信号の間には、一定の受信信号の休止期
間がある。

このような超音波測定装置にあっては、受信信号を適切
な状態で増幅するために、装置の外部から受信信号を増
幅する増幅回路の利得を適切な値に設定することが必要
であって、そのための外部からの設定操作は、装置操作
者の手動操作に委ねられている。そして、その利得設定
は、超音波プローブで受信して得られた超音波の受信信
号を減衰器で減衰させることで行われ、適切な減衰量を
選択するために、一般に、ダイヤル操作で減衰量を設定
するロータリ形で多段切明スイッチ形式のアツテネータ
が採用されている。

この多段切換スイッチによるアツテネータは、複数の高
周波増幅器の段間にそれぞれ挿入され、例えば、初段の
アンプの手前では、これにより２０ｄＢ，４０ｄＢの２
段の減衰素子の選択による切換えが行われ、２段目のア
ンプの手前には、例えば２ｄＢ×２０ステップで切換え
が行われ、合計で４０ｄＢの信号減衰量を得る。さら
に、３段目のアンプの手前のアツテネータでは、例え
ば、０．５ｄＢ×２０ステップの切換えが行われ、合計
１０ｄＢの減衰量が得られる。

このような多種類のアツテネータを操作することによっ
て１０^４〜１０^５という入力ダイナミックレンジの広範
囲な超音波の受信信号を適正な検波レベルの電圧を持つ
信号にまで増幅する。

［解決しようとする課題］ しかしこの場合、各段のアツテネータの操作によって、
同一の減衰量を得るためのアツテネータの設定とその組
合せは幾通りもあり得る。一方、出力端子に送出される
出力信号のＳＮ比を向上させるためには、各段のアンプ
の入力信号レベルが飽和しない限り、前段のアンプの入
力信号レベルはできるだけ大きくすることが好ましい。
そこで、ＳＮ比を劣化させないように各段のアツテネー
タの最適設定値を選択することが、操作上重要なことで
あり、それには、減衰量の選択と調整についてある程度
の経験と技術力とが必要とされる。

この発明は、このような従来の問題点を解決するもので
あって、ＳＮ比に優れ、かつ操作が簡単で高精度な利得
設定ができる超音波受信増幅回路及びその利得制御方式
を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するための第１の発明の超音波受
信信号増幅回路における手段は、被検査物から測定対象
となる超音波の受信信号を受信する期間より長い所定の
測定周期で超音波探触子を駆動して被検査物に超音波を
照射して得られる被検査物からの超音波の受信信号を受
けてこれを増幅し、その増幅利得が利得制御信号に応じ
て変化する可変利得増幅回路と、測定周期における現在
の測定と次の測定との間に生じる受信信号の休止期間に
前記可変利得増幅回路に基準信号を送出する基準信号発
生回路と、設定される利得に対応する目標値を発生する
目標値発生回路と、休止期間において前記目標値と可変
利得増幅回路を経て増幅された基準信号の値とを比較し
てこれらの差に応じて目標値に対応する利得制御信号を
発生し、これを少なくとも次の測定における受信信号を
受けている間保持する制御回路とを備えるものである。

また、第２の発明の超音波受信信号増幅回路の利得制御
方式における手段は、被検査物から測定対象となる超音
波の受信信号を受信する期間より長い所定の測定周期で
超音波探触子を駆動して被検査物に超音波を照射して得
られる被検査物からの超音波の受信信号を受け、この受
信信号を所定量減衰させる切換えが可能なアツテネータ
と、受信信号をこのアツテネータを介して選択的に受け
て増幅し、増幅利得が利得制御信号に応じて変化する可
変利得増幅回路と、測定周期における現在の測定と次の
測定との間に生じる受信信号の休止期間に前記可変利得
増幅回路に基準信号を送出する基準信号発生回路と、可
変利得増幅回路から得られる増幅された基準信号をサン
プルホールドするサンプルホールド回路と、設定すべき
利得を選択するための設定器と、この設定器の設定値に
応じて目標値を発生しかつこの目標値とサンプルホール
ド回路にサンプルホールドされた値とを比較してこれら
の差に応じて利得制御信号を発生する制御回路とを備え
ていて、可変利得増幅回路がアツテネータを介して所定
量減衰した超音波の受信信号を受ける状態にあるとき
に、休止期間において、制御回路が、可変利得増幅回路
の利得を前記設定器の利得選択に応じて制御し、制御し
た利得が所定量減衰の減衰量を打ち消す利得値まで増加
したときに可変利得増幅回路が所定量衰量の減衰なしに
次の測定における受信信号を受けるようにアツテネータ
を切換え、かつ可変利得増幅回路の利得を減衰量に対応
する分だけ減少させように目標値の量を選択するもので
ある。

［作用］ さて、増幅器の増幅率とは、入力信号のレベルと出力信
号のレベルとの比率である。したがって、増幅器の増幅
率を制御する場合に入力信号がある一定レベルにあると
きには、一定レベルの入力信号に対して出力信号のレベ
ルがどれだけ大きくなったかでその増幅器の増幅率が分
かる。逆に言えば、一定レベルの入力信号に対して出力
レベルをある目標値にすれば、その増幅器は、目標値に
対応する増幅率にすることができる。

そこで、この発明では、一定レベルの入力信号、いわゆ
る基準信号を入力して出力側のレベルをある目標値に設
定することで増幅器の増幅率を設定する。

ところで、増幅は、入力信号に対して増幅器がそれを大
きくするように作用するのが普通（正方向での増幅）で
あるが、これとは逆に負方向での増幅として出力信号を
小さくするものもある。この負方向での増幅を超音波測
定装置では、アッテネータが受け持っている。

超音波測定の場合の増幅率は、アッテネータにおける減
衰も増幅器による正方向の増幅も同じゲイン調整として
扱われている。そして、それが超音波の受信信号を受け
る前にそれが設定されるのが普通である。しかし、被検
査物から測定対象となる超音波の受信信号を受信する期
間より長い所定の測定周期で超音波探触子を駆動して被
検査物に超音波を照射し、被検査物からの超音波の受信
信号を受ける場合（通常はそのように測定周期が設定さ
れている。）は、最初の超音波の受信信号を受けてから
次の測定のために送信信号を発生して受信信号を受ける
までには間がある。そこで、ある測定周期中において、
測定対象となる超音波の受信信号を受信する期間が計測
期間と呼ばれ、この計測期間が終了した後の前記の間が
ある期間が休止期間と呼ばれる。

この発明は、この休止期間に着目する。そしてこの休止
期間に受信信号を増幅する増幅器の増幅率について、一
定レベルの入力信号を入力し、その出力レベルを目標値
にすることで設定するものである。

すなわち、超音波の受信信号の休止期間に、可変利得増
幅回路に所定の基準レベルを持った信号を加えて、可変
利得増幅回路からその増幅出力を取出し、これと、装置
内の利得操作器或いは他の制御回路から得られる目標値
とを比較して、これらの差に応じた利得制御信号を発生
させて可変利得増幅回路の利得を目標値に向かって増加
又は減少させ、目標値に対応する利得値になるようにそ
の利得を設定する。そして、前記休止期間において設定
された前記の可変利得増幅回路の利得値は、次の受信信
号の計測期間をそのまま維持されるようにする。

このようにして休止期間の次に来る超音波の受信信号の
増幅を休止期間で得た利得で増幅することができる。

その結果、目標値に応じて段階的に細かくかつ選択的に
可変増幅回路の利得を設定することができる。しかも、
その利得が高精度に設定ができる。

また、利得制御信号により超音波の受信信号に対する増
幅率を制御することになるので、超音波の受信信号を多
くのアツテネータで減衰させる形態を採る必要がなく、
受信信号の微弱レベル時にＳＮ比の良好な出力信号が得
られる。

さらに、従来のように抵抗素子のアツテネータを多く使
用しないで済むので、抵抗素子等のアツテネータによる
周波数依存による増幅特性への悪影響が減少し、安価な
抵抗素子を用いることができる。その結果、構造的な簡
単な回路構成とすることができる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例について図面を参照に説明す
る。

第１図は、この発明を適用した一実施例の超音波測定装
置における受信信号増幅回路のブロック図であり、第２
図は、その、他の一実施例の受信信号増幅回路のブロッ
ク図、第３図は、第２図の実施例の動作を説明するため
のタイミングチャート、第４図は、この発明を適用した
さらに他の一実施例の受信信号増幅回路のブロック図、
第５図は、第４図の実施例における標準感度とＤＡＣ感
度における利得制御特性の説明図、第６図は、この発明
を適用したさらに他の一実施例の超音波測定装置におけ
る受信信号増幅回路を中心とする制御システムブロック
図、第７図は、その受信信号増幅回路の利得を制御する
タイミングを説明するためのタイミングチャートであ
る。

なお、各図において、同等の構成要素は同一の符号をも
って示す。

第１図において、１は、超音波計測装置の超音波プロー
ブ４が受けた調音波のエコー又は透過波について得られ
る受信信号を受ける受信入力端子であり、２は、アツテ
ネータ（例えば減衰量３０ｄＢ等）の減衰素子である。
３は減衰レベル切換器である。これらによりスルー（直
接接続）と、減衰素子２による３０ｄＢの２段に切換え
可能なアツテネータが構成されている。

受信入力端子１に入力された受信超音波に対応する受信
信号は、切換器３を経て高周波増幅器２０（以下アンプ
２０）に入力される。アンプ２０は、切換器３からの信
号を受ける入力信号２１ａ、そして増幅した信号を出力
する出力端子２１ｂのほかに、基準レベルの信号が入力
される入力端子２１ｃ及びその増幅利得を外部直流電圧
によって制御できる利得制御端子２１ｄを有していて、
その利得を外部信号で変化させることができる。

ここで、入力端子２１ｃには基準信号発生回路２２か
ら、超音波受信信号の休止期間内に生成される一定の基
準レベルを持った基準信号が入力される。また、利得制
御端子２１ｄには利得制御回路２３から利得制御信号が
入力される。この利得制御信号は、利得制御回路２３が
誤差増幅器２４の出力を受けてそれを増幅した直流信号
として得られる。したがって、アンプ２０の利得制御端
子２１ｄには直流電圧が入力され、これによりその利得
が制御されることになる。

基準信号発生回路２２は、アンプ２０の増幅利得を制御
するための基準信号として、例えば方形波を超音波の受
信信号のない休止期間に発生する。この方形波は、あら
かじめ設定された基準レベルの電圧を持つものである。
また、その端子２２ａにプローブ４に加えられる送信信
号等に対応して発生した休止期間を示すクロック等の外
部パルス信号が加えられる。基準信号発生回路２２は、
この外部パルス信号に応じて休止期間に前記の基準信号
と後述するサンプル信号とを発生する。

さて、休止期間にアンプ２０に入力された基準信号は、
そこで増幅されて、アンプ２０の出力端子であり、次段
増幅器の入力端子である端子６ａに出力されるが、ここ
で、増幅された基準信号は、この端子６ａより分岐され
てサンプルホールド回路２５に加えられる。

サンプルホールド回路２５は、増幅された基準信号を基
準信号発生回路２２からのサンプル信号に同期して保持
する。前述したように、基準信号を矩形波とすれば、保
持される信号は、アンプ２０の出力信号である矩形波の
直流成分のレベルとなり、サンプルホールド回路２５に
よりそれを検出することができる。こうして検出された
サンプリング直流電圧値は、次に誤差増幅器２４の
“−”位相入力端子に送出される。

一方、誤差増幅器２４の“＋”位相入力端子は、利得操
作器２６からの信号を受ける。利得操作器２６は、操作
に応じた制御リファレンス電圧を利得設定信号（目標
値）として発生するもので、較正電圧発生回路２７より
安定な一定値の直流電圧の供給を受ける。そこで、利得
操作器２６のタップ選択に応じて段階的なレベルの直流
電圧が目標値として得られ、これが誤差増幅器２４の
“＋”位相入力端子を送出される。

誤差増幅器２４は、入力されたそれぞれの位相入力端子
の入力信号の直流電圧のレベル差に応じて動作し、発生
している出力信号を増加或いは減少してそれを利得制御
回路２３へと加える。

以上のような構成においては、受信信号の休止期間にア
ンプ２０の端子２１ｃに加えられた基準信号の増幅出力
を受けるサンプルホールド回路２５と誤差増幅器２４等
とによる利得制御フィードバックループが形成される。
そして、誤差増幅器２４がオペアンプ等の差動形、高利
得アンプである場合には、サンプルホールド回路２５か
らの入力レベルが利得操作器２６の目標値（選択的に設
定された電圧レベル）に一致するまで誤差増幅器２４は
動作し続け、その出力に対応してアンプ２０の増幅率を
増加或いは減少させる。その結果、誤差増幅器２４のサ
ンプルホールドされた電圧がほぼ目標値の電圧に一致し
た時点で誤差増幅器２４の出力レベルが一定となり、ア
ンプ２０の増幅率（利得）も目標値に対応する一定値に
制御されることになる。

なお、超音波の受信信号を受けている計測期間の間は、
サンプルホールド回路２５がその計測期間の前の休止期
間の値を保持している。そこで、誤差増幅器２４は、ア
ンプ２０が受信信号を受信している間にあってもサンプ
ルホールド回路２５の出力を受け、アンプ２０の利得が
この計測期間では設定された値からほとんど変化しな
い。

このように、超音波受信受信信号のくり返し周期の中に
生じる休止期間の間において、あらかじめ電圧レベルの
明らかにされている基準信号を基準信号発生器２２より
発生させて、アンプ２０の端子２１ｃに入力し、基準信
号の増幅出力信号を誤差増幅器２４の“−”位相入力端
子に送出する。さらに、利得設定信号を較正電圧発生回
路２７と利得操作器２６とにより作られた直流電圧レベ
ルを目標値として利用して、これを誤差増幅器２４の
“＋”位相入力端子に送出する。

これらの誤差増幅器２４の２つの入力信号によりフィー
ドバック制御ループ系を制御し、アンプ２０の増幅度を
休止期間に目標値に対応する利得に設定し、次の受信信
号を受ける計測期間では、こうして設定された利得を維
持する。

その結果として、入力端子１から入力された超音波の受
信信号は目標値に対応する増幅率、言い換えれば目標値
で設定される増幅率で増幅される。この場合、目標値が
利得操作器２６或いは外部端子２８からの制御信号で段
階的に設定できる。したがって、アンプの利得は、超音
波受信信号の休止期間において段階的に変更して設定で
き、この段階は、細かく、任意に選択可能である。

なお、外部入力端子２８は、同様な直流レベルの目標値
を外部から利得制御信号として受ける端子であって、そ
の制御信号は、例えばマイクロプロセッサ等を備えた演
算処理装置から送出される。そしてここでは、切換スイ
ッチ２９によって、外部入力端子２８と利得操作器２６
の出力とのいずれかが選択できる。

第２図に示す例では、サンプルホールド回路２５が利得
制御信号を保持するために使用されている。ここでは、
アンプ２０の出力は直接誤差増幅器２４の“−”位相入
力端子に加えられ、誤差増幅器２４の出力をサンプルホ
ールド回路２５が受ける。そして、サンプルホールド回
路２５の出力がアンプ２０の利得制御端子２１ｄに入力
される。なお、この場合、第１図と同様にサンプルホー
ルド回路２５の後に利得制御回路２３を挿入し、これを
介して利得制御端子２１ｄへ利得制御信号を加えてもよ
い。

また、タイミング回路３０は、休止期間に基準信号を発
生する起動信号を基準信号発生回路２２に送出し、さら
に、サンプホールドするためのサンプル信号をサンプル
ホールド回路２５に送出する。

この第２図に示す回路は、第１図に示す回路と同様な動
作をする。そこで、第２図の回路について第３図を参照
して全体的な制御動作について以下説明し、第１図の動
作についての説明は割愛する。

第３図の（ａ）に見るように、ある測定期間の送信波Ｔ
に対応して得られる超音波受信信号ＥＳについての計測
期間Ｍが終了した後からその次の測定期間の開始となる
送信波Ｔの発生までの間の休止期間Ｐにおいて、タイミ
ング回路３０からの起動信号により基準信号発生回路２
２から基準信号Ａが休止期間内にアンプ２０に加えられ
る。同時に、同図（ｂ）に見るようにタイミング回路３
０からサンプリング期間を示すサンプル信号Ｂが送出さ
れる。このサンプル信号は、休止期間の中で一定期間発
生し、これがある間、サンプルホールド回路２５は、休
止期間の中で一定期間、サンプリングモードとなる。誤
差増幅器２４は、利得設定信号Ｃと基準信号Ａとの差に
対応して利得設定信号Ｃと増幅された基準信号Ａのレベ
ルとが一致するような増加又は減少する出力を発生す
る。

すなわち、アンプ２０の出力がサンプルホールド回路２
５によりサンプリングされて保持される。このサンプリ
ングされた保持電圧によりアンプ２０の利得が、例えば
上昇して、同図（ａ）に示すように、基準信号Ａが増幅
され、その出力が比較される。したがって、利得操作器
２６により設定された利得設定信号Ｃの電圧レベルまで
基準信号Ａが増幅される。このとき同図（ｂ）に見るよ
うにアンプ２０に対する利得制御信号の電圧Ｅは、その
レベルが順次増加して行く、この増加は、アンプ２０に
より増幅された基準信号Ａが利得設定信号の電圧レベル
Ｃに一致する値まで行われる。アンプ２０の出力信号が
利得設定信号の電圧レベルＣに一致する電圧レベルで出
力されたときに誤差増幅器２４の出力がそれに対応する
一定電圧値Ｄとなり、最終的には、この値Ｄがタイミン
グ回路３０からのサンプル信号Ｂによりサンプリングさ
れて保持され、利得制御信号Ｅは、電圧レベルＤに固定
される。したがって、これが次の休止期間までの間サン
プリングホールド回路２５のホールド電圧値となる。こ
のようにしてこのサンプリング値に対応する利得制御信
号によりアンプ２０の増幅率が設定される。

以上の誤差増幅器２４の動作とその出力との関係は、第
１図におけるアンプ２０の出力を受けるサンプルホール
ド回路２５とその出力を受け動作する誤差増幅器２４よ
りなる利得制御ループにおいても同様である。なお、誤
差増幅器２４の後にサンプルホールド回路２５を置いた
第２図に示す回路の場合には、利得制御信号を直接ホー
ルドすることになるため利得設定動作はより安定したも
のとなる。

ところで、第１図，第２図のアンプ２０には入力端子が
２つあるが、入力端子２１ａは、超音波測定のくり返し
周期の中で被検体より超音波の受信信号を受けている期
間だけ入力信号が加えられる。このとき入力端子２１ｃ
の入力レベルはゼロである。また、休止期間において
は、前期と逆の関係となる。そこで、これら端子は、１
つであってもよい。なお、アンプ２０の入力が１端子の
場合には、その前に２つの入力端子を設けてアナログス
イッチを用いて１つの入力端子に切換え接続するように
してもよい。

さて、超音波探傷装置は、その探傷目的によって、距離
振幅補償（Ｄｉｓｔａｎｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｃ
ｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，以下ＤＡＣ）回路を用いる場
合がある。それは、主として、探傷点から近い所の傷
と、同じ大きさの傷であっても探傷点から遠く離れた場
所の傷とでは、エコーの高さが遠い傷の方が小さくなる
からである。

第４図は、第１図における利得制御回路に前記のＤＡＣ
補正機能を加えた例であって、利得制御回路２３に換え
て、加算回路２３１とＤＡＣ制御回路２３２とにより利
得制御回路を構成して距離補償ができるようにしたもの
である。

その動作としては、まず、休止期間にあっては、第１
図，第２図に示す実施例と同様な動作をし、第５図の特
性グラフＦで示されるような一定の利得制御信号を発生
してＤＡＣ補正をしない一定の増幅度となるようにアン
プ２０の制御が行われる。そして、この休止期間が終わ
ると、加算回路２３１は、パルサ／レシーバのパルサか
らプローブ４へ送出される送信信号の発生と同期してＤ
ＡＣ制御回路２３２から利得制御信号を受ける。この利
得制御信号は、第５図の一点鎖線で示すように次第に大
きく増加する曲線の特性グラフＧである。

したがって、アンプ２０が超音波受信信号を受けている
期間に加算回路２３１から出力される利得制御信号は、
特性グラフＦと特性グラフＧとの加算値である同図の特
性グラフＨに示すようなものとなる。ここでは、特性グ
ラフＦで示されるようにＤＡＣ補正のスタート時点での
基準利得（又は標準感度）に対応する利得値は、利得操
作器２６で設定する。後はそれを基準として自動的にＤ
ＡＣ補正された利得になるようにアンプ２０の増幅率が
設定されて行く。

なお、ＤＡＣ制御回路２３１の回路としては、例えば、
スタート時間を設定できるランプ電圧発生回路、或い
は、積分回路とログアンプ等で構成することができる。
そして、ＤＡＣ補正をするスタート時間の遅延は、例え
ば、可変遅延回路でスイッチ回路を動作させればよい。

第６図は、誤差増幅器２４の比較基準となる電圧をマイ
クロプロセッサを有する処理装置４０から設定し、２段
に従属接続された高周波増幅のアンプ４１，４２の増幅
率を段階的に制御する例である。

４３は、アツテネータであって、処理装置４０からの制
御信号に応じてスルーと減衰素子２の挿入との切換えを
行う。

アンプ４１は、アツテネータ４３からの信号を受ける第
１図におけるアンプ２０と同様なアンプであって、受信
信号を受ける入力端子４１ａ、そして増幅した信号を出
力する出力端子４１ｂのほか、基準レベル信号入力端子
４１ｃ及び利得制御端子４１ｄを有している。

４４は、サンプルホールド回路２５の手前に挿入された
アンプであって、アンプ４１の出力信号を受け、その出
力をサンプルホールド回路２５に送出する。これは、高
域カットフィルタ等を内蔵していて高周波帯がカットさ
れた高周波帯域制限アンプである。このアンプ４４は、
単に高周波帯をカットするだけのものではなく、誤差の
検出率を拡大するために挿入されている。その拡大率
（＝利得）を、例えば２倍とすると、これに対応して、
利得操作器４５の各タップの電圧設定レベルを２倍の倍
率として発生することができ、より正確な設定を行え
る。このアンプ４４の増幅率は、利得操作器４５の設定
電圧との関係で決定されるものであって、他の制御系に
は関係ない。したがって、１対１の対応関係で制御する
場合にはアンプ４４は必ずしも必要としない。

ここでの誤差増幅器２４は、このサンプルホールド回路
２５からのサンプリング値と処理装置４０から送出され
る目標値とを比較し、目標値に対応する所定量の制御信
号をアンプ４１の利得制御端子４１ｄに直接送出し、ア
ンプ４１の利得を目標値に対応する所定値になるように
制御する。なお、目標値となる信号は、処理装置４０か
らＤ／Ａ変換器４６を経てアナログ電圧値として与えら
れる。

ここで、処理装置４０は、マイクロプロセッサ（ＣＰ
Ｕ）４０ａとインタフェース４０ｂ、メモリ４０ｃ等を
備えていて、利得操作器４５からの信号に応じて誤差増
幅器２４に目標値を送出する。さらに後述する後段のア
ンプ４２の増幅率を制御する切換器５１及び前記アツテ
ネータ４３を切換えるための切換制御信号をそれぞれ発
生する。

利得操作器４５は、校正電圧発生回路２７と利得操作器
２６を一体的に内蔵したロータリ形の設定電圧発生器で
あって、その設定値がセレクタ４８を介してＡ／Ｄ変換
器（Ａ／Ｄ）４７に入力され、それがデジタル値に変換
されて処理装置４０に入力される。なお、利得操作器４
５を、例えば、ロータリエンコーダ等により構成すれ
ば、Ａ／Ｄ変換器４７を介さずに利得設定データを直接
処理装置４０に入力できる。この場合には処理装置４０
がその操作方向（回転方向のパルス）と、その回転量を
示すパルスとを利得操作器４５から直接得ることができ
る。なお、処理装置４０は、利得操作器４５からのデー
タの増減或いは前記操作方向を示す信号によりその操作
方向すなわち増幅利得の上昇又は下降と、その設定現在
位置とをそのＣＰＵ４０ａの処理により判別する。

セレクタ４８は、基準信号発生回路２２からサンプル信
号をタイミング信号として受けて利得操作器４５から基
準信号発生回路２２側及びサンプルホールド回路２５側
へとその接続を切換える。そこで、休止期間でサンプル
信号が発生しているときには、基準信号発生回路２２の
基準信号とサンプルホールド回路２５のサンプルホール
ドされた電圧とがＡ／Ｄ変換器４７でＡ／Ｄ変換されて
処理装置４０に入力される。また、処理装置４０も基準
信号発生回路２２からサンプル信号をタイミング信号と
して受けてその直前の利得設定器４５のデータを利得設
定値として得てメモリ４０ｃに記憶する。

アンプ４２は、アンプ４１の出力信号を受けて、増幅す
るアンプであり、検波レベルまで増幅した超音波の受信
信号を出力端子９に出力信号として送出する。その増幅
利得は、切換器５１により段階的に切換えられる。

表示コントローラ５２は、アンプ総合の利得を外部表示
器へ表示するための制御を行い、利得表示のための文字
情報を発生する。これは、インタフェース４０ｂを介し
てＣＰＵ４０ａに接続され、利得操作器４５の設定値情
報を発生して、表示器５３に文字情報を出力する。な
お、表示器５３は、ＣＲＴディスプレイ又は液晶ディス
プレイ等で構成されている。

このような構成において、処理装置４０は、利得操作器
４５の設定値をそのインタフェース４０ｂを介してＣＰ
Ｕ４０ａが読込み、ＣＰＵ４０ａがその値からメモリ４
０ｃに記憶された制御プログラムに従って、メモリ４０
ｃの目標値を記憶した特定領域をアクセスすることで誤
差増幅器２４に供給する目標値を得て、これを誤差増幅
器２４に出力する。

その結果、利得操作器４５の利得設定操作に応じた目標
値と、この目標値が特定の値になったときに新しい目標
値と切換制御信号とが処理装置４０から発生して、これ
らによりアツテネータ４３の減衰量，アンプ４１，４２
の利得が制御される。

このような制御を行うために、メモリ４０ｃの前記の特
定領域には、第７図の（Ａ）に示すようなグラフで表さ
れる制御に対応する目標値についての関数情報がデジタ
ル値として記憶れている。

なお、超音波プローブ５には、利得操作器４５と同一機
能の利得操作器として、感度粗調整スイッチ７ａ，７ｂ
と微調整スイッチ８ａ，８ｂとを有している。通常、利
得操作器４５は、超音波測定装置のパネルの前面に取付
けられていて、超音波測定装置においてそのダイヤルが
操作されて、所定の利得値（又は感度）が選択される
が、この操作を超音波プローブ５において行うのが前記
の各スイッチである。ここでは、これらスイッチの“Ｏ
Ｎ”信号が処理装置４０に入力されるようになってい
る。処理装置４０は、感度粗調整スイッチ７ａがＯＮす
る都度、一定量の大きさでアンプ４１の利得を増加さ
せ、感度粗調整スイッチ７ｂがＯＮする都度、一定量と
大きさでアンプ４１の利得を減少させる。また、処理装
置４０は、微調整スイッチ８ａがＯＮする都度、一定量
の小さな割合でアンプ４１の利得を増加させ、微調整ス
イッチ８ｂがＯＮする都度、一定量の小さな割合でアン
プ４１の利得を減少させる。このようなスイッチを超音
波プローブ５に設けることで、プローブ側において利得
調整ができる。

次に、この超音波受信信号増幅回路の利得制御動作につ
いて説明する。

休止期間において、誤差増幅器２４は、サンプルホール
ド回路２５から供給される直流電圧値と処理装置４０か
らＤ／Ａ変換器４６を介して得られる直流電圧値の目標
値信号とを比較し、これらに差があるときにその差分を
検出して、入力側の検出信号と目標値の信号レベルが一
致するところまでアンプ４１の利得を制御し、それを目
標値に対応した値にする。

ここでの利得制御ループの制御用リファレンス電圧は、
目標値として処理装置４０から与えられることになる
が、それは、利得操作器４５の操作によって選択され
る。目標値は、利得操作器４５の操作方向すなわち、増
幅利得と上昇，下降により設定される位置が処理装置４
０に取込まれ、処理装置４０がその操作方向と位置とを
判別する。この判別結果により。処理装置４０は、その
メモリ４０ｃをアクセスして得た目標値をＤ／Ａ変換器
４６へ数値制御信号として出力する。ここで、処理装置
４０は、利得操作器４５があらかじめ設定された位置に
達すると、アンプ４１の利得がこれに対応する所定値に
なるため、アツテネータ４３の減衰量の切換えと、アン
プ４２の利得の切換えを行うために、アツテネータ４３
と切換器５１に対して切換制御信号をそれぞれ供給す
る。そして、この切換による新しい利得に対応する目標
値をメモリ４０ｃから得て、これを誤差増幅器２４に出
力する。

このような目標値と利得の切換との関係を第７図の
（Ａ）に、その部分拡大値を第７図の（Ｂ）に、そし
て、アンプ４１，４２からなる受信信号増幅回路の総合
利得の関係を第７図の（ｃ）に示す。なお、第７図の各
特性図の縦軸は利得（ゲイン）を、横軸は利得操作器
４．５の設定値を表している。また、第７図（Ａ）は、
第１図のアンプ４１が利得操作器４５の増幅利得の上昇
操作（例えば時計方向回転）に従って、利得の上昇する
カーブを例としていて、同図（Ｂ）は、そのカーブの利
得を増加させる状態を説明する部分の拡大図である。ま
た、同図（Ｃ）は、アンプ総合の利得が上昇する場合の
カーブを（Ａ）との関連で拡大して示している。

ところで、アンプ４１のアンプの利得の操作最少分解能
は処理装置４０とＤ／Ａ変換器４６とによって制限され
るが、これが部分拡大図（Ｂ）のａに見るような段階状
に上昇または下降する場合の最少分解利得幅を決定す
る。

ａを、ここで例えば 0.5dBステップのように選ぶとする
と、先ず処理装置４０は、最初、アツテネータ４３の最
大減衰点および利得切換器５１の最少利得点に設定され
るように総合利得を制御する。なお、一般にアンプ総合
利得は、減衰量を利得換算する方式が採られることか
ら、これにならって、前記の場合、減衰素子２が入った
状態でアンプ４１，４２の利得最少値状態がこれらアン
プによる総合利得が０dBとなる状態である。

さて、第７図（Ａ）のｂ点から、アンプ４１の増幅利得
が、利得操作器４５の上昇操作に応じて、逐次増大し、
減衰素子２の減衰量に等しくなったｇ点（例えば３０d
B）に達すると、先ずＣＰＵ４０ａがあらかじめ設定さ
れたプログラムによりアツテネータ４３を制御して減衰
素子２との接続を切り、入力受信信号を直接受ける状態
にその接続を切換える。このとき同時に、Ｄ／Ａ変換器
４６にはアンプ４１の増幅利得がｅ点になるように誤差
増幅器２４に出力する目標値を初期値に戻して送出し
て、その利得を０dBに自動復帰させる。この時の総合増
幅利得は、同図（Ｃ）の如くｄ点のレベルに保持され
る。

さらに、利得操作器４５の上昇操作を続けると、ｅ点の
利得操作器４５の設定値を基準としてｅ点からの増加設
定量に対応してアンプ４１は、ｅ点→ｆ点の如く、利得
が上昇してｃ点に達する。この時点で、処理装置４０の
ＣＰＵ４０ａは、今度は、アンプ４２の増幅度をＣ点に
対応する一定量上げるために、切換器５１を１段階上
（例えば３５dB）へ切換える制御信号を切換器５１に送
出する。これと同時に、誤差増幅器２４に対する目標値
を初期値に戻してアンプ４１の利得を点ｆ→点ｈの０dB
に自動復帰される。

なお、ｇ点，ｃ点は、３０dB，３５dBに限らず、４０d
B，或いは２０dBのいずれの増幅度を選定してもよく、
これらは同一であってもよい。

この場合の総合利得はｉの点となり、さらに利得操作器
４５の操作によってｊまで達して、アンプ４１の限界値
（ｋdB）に到着する。

この時、総合利得はｌ（＝ｇ＋Ｃ＋ｋ）に設定される。

以上は総合利得の上昇操作であるが、下降操作とか途中
が逆方向に操作した場合についても、全く逆の道順を辿
ればよい。すなわち利得操作器４５の操作内容から、下
降操作であることを処理装置４０が読取り、プログラム
によって制御すれば、上昇の場合と同様の総合利得操作
が、利得操作器４５の操作によって達成できる。

なお、処理装置４０の前記のようなアンプ４１の利得制
御は、循環的なものである。そこで、特別な処理プログ
ラムを用いなくても、単に、メモリ４０ｃの領域にソフ
トカウンタを設けておき、それを利得操作器４５の操作
に応じたパルス信号によりインクリメント又はデクリメ
ントして、ソフトカウンタのカウンタ値にある係数をか
けることで、目標値を算出して誤差増幅器２４に出力し
て目標値をこれに設定することができる。そして前記カ
ウンタの値が第７図（Ａ）のｇ点，ｃ点の利得に対応す
るような特定の利得値になったときに、アツテネータ４
３の切換制御信号とか、アンプ４１の利得切換制御信号
を発生してカウント値をリセットすることで前記のよう
な制御は簡単に実現できる。

また、処理装置４０には、利得操作器４５の操作から増
幅利得の上昇，下降，すなわち時計方向、および反時計
方向の読取りの他に操作速度を読取るプログラムを搭載
して、操作についての設定状況とか、速すぎる利得操作
についてアラームを出すようにしてもよい。

ところで、利得操作器４５による操作で設定されるその
時々の利得値は、処理装置４０を介して表示器コントロ
ーラ５２に送出される。そして、表示器コントローラ５
２にを介して発生する利得表示文字情報が表示器５３に
より外部に表示される。また、ここでの処理装置４０
は、メモリ４０ｃにデシベル演算処理プログラムを搭載
していて、休止期間において、Ａ／Ｄ変換器４７を介し
て基準信号発生回路２２からの基準信号の電圧値のデジ
タル値とサンプルホールド回路２５のホールドしている
電圧値のデジタル値とをインタフェース４０ｂを介して
受け、それをメモリ４０ｃに記憶する。そして、デジベ
ル演算処理プログラムを起動して、サンプルホールド回
路２５にホールドされている電圧値と基準信号の電圧値
との比を求めて、これらの間のデジベル値を求める演算
処理をする。ここで演算された結果は、処理装置４０か
ら表示コントローラ５２に送られ、表示器５３に出力さ
れて、そのデジベル値が数字で表示される。

以上説明したきたが、実施例におけるアツテネータは、
直接接続のルートを外部に持たず、直接から減衰設定ま
で切換られるものであるが、これは外部に直接接続のル
ートを持ち、減衰器だけ別にしてもよい。この場合に
は、これらを含めてアツテネータとすることができる。

実施例では、受信信号を増幅するアンプの利得制御する
部分をサンプルホールド回路と誤差増幅器とに分けてい
るが、これらを含めて全体を１つの制御回路としてもよ
い。

実施例では、基準信号として矩形波を使用した例を示し
ているが、これは正弦波でもよい。特に、矩形波の場合
には、直流値として出力が得られ、その直流成分が比較
対象の電圧値となる。この場合に超音波受信信号の休止
期間対応した期間の間、ＨＩＧＨレベル（又はＬＯＷレ
ベル）となる矩形波を処理装置等から出力してもよい。
なお、この場合、そのレベルが比較対象成分となるの
で、これは、直流を出力することと等価である。

実施例では、基準信号を増幅し、増幅された基準信号の
レベルが目標値に一致するようにフィードバック制御し
ているが、基準信号のレベルが大きい場合には、高周波
増幅回路が基準信号を減衰させるように動作して減衰さ
れた基準信号が目標値と一致するように制御してもよ
い。

実施例では、誤差増幅器を用いて目標値に対応する制御
電圧を発生しているが、これは、差動増幅器或いはオペ
アンプ等の２入力アンプであればよく、その基準電圧入
力側を目標値として残りの信号入力側が超音波の受信信
号のアンプを経て入力するようなフィードバックループ
により入力されるようにすればよい。

［発明の効果］ 以上の説明から理解できるように、この発明にあって
は、超音波受信信号の休止期間内において、可変利得増
幅回路に基準信号を加えて、可変利得増幅回路のその出
力と、装置内の利得操作器或いは他の制御回路から得ら
れる目標値とを比較して、これらの差に応じて可変利得
増幅回路の利得を目標値に向かって増加又は減少させる
ように制御するようにしているので、目標値に応じて段
階的に細かくかつ選択的に可変増幅回路の利得を設定す
ることができる。しかも、その利得が高精度に設定がで
きる。

また、利得制御信号により超音波の受信信号に対する増
幅率を制御することになるので、超音波の受信信号を多
くのアツテネータで減衰させる形態を採る必要がなく、
受信信号の微弱レベル時にＳＮ比の良好な出力信号が得
られる。

さらに、従来のように抵抗素子のアツテネータを多く使
用すないで済むので、抵抗素子等のアツテネータによる
周波数依存による増幅特性への悪影響が減少し、安価な
抵抗素子を用いることができる。その結果、構造的に簡
単な回路構成とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明を適用した一実施例の超音波測定装
置における受信信号増幅回路のブロック図であり、第２
図は、その、他の一実施例の受信信号増幅回路のブロッ
ク図、第３図は、第２図の実施例の動作を説明するため
のタイミングチャート、第４図は、この発明を適用した
さらに他の一実施例の受信信号増幅回路のブロック図、
第５図は、第４図の実施例における標準感度とＤＡＣ感
度における利得制御特性の説明図、第６図は、この発明
を適用したさらに他の一実施例の超音波測定装置におけ
る受信信号増幅回路を中心とする制御システムブロック
図、第７図は、その受信信号増幅回路の利得を制御する
タイミングを説明するためのタイミングチャートであ
る。 １……入力端子、３……切換器、４，５……プローブ、
９……出力端子、２０，４１，４２……高周波増幅器
（アンプ）、２２……基準信号発生回路、２３……利得
制御回路、２４……誤差増幅器、２５……サンプルホー
ルド回路、２６……利得操作器、２７……較正電圧発生
回路、２８……外部制御端子、２９……切換スイッチ、
４０……処理装置、５２……表示コントローラ、５３…
…表示器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮路 勝善 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 勝山 洋一 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機エ ンジニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−140251（ＪＰ，Ａ) 実公 昭61−26930（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検査物から測定対象となる超音波の受信
   信号を受信する期間より長い所定の測定周期で超音波探
   触子を駆動して前記被検査物に超音波を照射して得られ
   る前記被検査物からの前記超音波の受信信号を受けてこ
   れを増幅し、その増幅利得が利得制御信号に応じて変化
   する可変利得増幅回路と、前記測定周期における現在の
   測定と次の測定との間に生じる前記受信信号の休止期間
   に前記可変利得増幅回路に基準信号を送出する基準信号
   発生回路と、設定される利得に対応する目標値を発生す
   る目標値発生回路と、前記休止期間において前記目標値
   と前記可変利得増幅回路を経て増幅された基準信号の値
   とを比較してこれらの差に応じて前記目標値に対応する
   前記利得制御信号を発生し、これを少なくとも前記次の
   測定における前記受信信号を受けている間保持する制御
   回路とを備える超音波受信信号増幅回路。
2. 【請求項２】前記基準信号は、一定レベルの電圧を持つ
   直流信号であり、前記制御回路は、前記休止期間におい
   て前記目標値と前記可変利得増幅回路を経て増幅された
   前記基準信号の値とを比較してこれらの差に応じて前記
   目標値に対応した前記利得制御信号を発生する誤差増幅
   器を有する請求項１記載の超音波受信信号増幅回路。
3. 【請求項３】前記制御回路は、前記可変利得増幅回路を
   経て増幅された基準信号を保持するホールド回路と前記
   休止期間において前記目標値と前記基準信号の値とを比
   較してこれらの差に応じて前記目標値に対応した前記利
   得制御信号を発生する誤差増幅器とを備え、前記次の測
   定における前記受信信号を受けている間の利得制御信号
   の保持は前記休止期間において前記ホールド回路に保持
   された、増幅された基準信号がそのまま保持続けられた
   ことによる請求項１記載の超音波受信信号増幅回路。
4. 【請求項４】目標値発生回路は、マイクロプロセッサを
   含む処理装置である請求項３記載の超音波受信信号増幅
   回路。
5. 【請求項５】処理装置は、前記基準信号発生回路の基準
   信号の電圧レベルと前記可変利得増幅回路により増幅さ
   れた基準信号の電圧レベルとに基づき前記可変利得増幅
   回路の利得についての表示値を算出する演算処理装置と
   この演算処理装置から出力された前記表示値に応じてこ
   れを表示する表示装置とを備えている請求項４記載の超
   音波受信信号増幅回路。
6. 【請求項６】目標値発生回路は、直流の一定電圧を供給
   する回路と、外部操作に応じて前記一定電圧を分圧して
   取り出す回路とからなり、外部からの選択的な設定操作
   により前記分圧電圧が段階的に設定される請求項１乃至
   請求項５から選択された１項記載の超音波受信信号増幅
   回路。
7. 【請求項７】制御回路は、第１及び第２の利得制御回路
   を有していて、第１の利得制御回路は、前記休止期間に
   おいて前記目標値と前記可変利得増幅回路を経て増幅さ
   れた基準信号の値とを比較してこれらの差に応じ、前記
   目標値に対応した第１の利得制御信号を発生するもので
   あり、第１の利得制御回路は、前記次の測定における前
   記受信信号を受けている期間の間距離振幅補償のための
   第２の利得制御信号を発生するものであって、第１の制
   御信号と第２の制御信号とを重畳して前記利得制御信号
   とする請求項１乃至請求項５から選択された１項記載の
   超音波受信信号増幅回路。
8. 【請求項８】被検査物から測定対象となる超音波の受信
   信号を受信する期間より長い所定の測定周期で所定の測
   定周期で超音波探触子を駆動して前記被検査物に超音波
   を照射して得られる前記被検査物からの前記超超音波の
   受信信号を受け、この受信信号を所定量減衰させる切換
   えが可能なアツテネータと、前記受信信号をこのアツテ
   ネータを介して選択的に受けて増幅し、増幅利得が利得
   制御信号に応じて変化する可変利得増幅回路と、前記測
   定周期における現在の測定と次の測定との間に生じる前
   記受信信号の休止期間に前記可変利得増幅回路に基準信
   号を送出する基準信号発生回路と、前記可変利得増幅回
   路から得られる増幅された前記基準信号をサンプルホー
   ルドするサンプルホールド回路と、設定すべき利得を選
   択するための設定器と、この設定器の設定値に応じて目
   標値を発生しかつこの目標値と前記サンプルホールド回
   路にサンプルホールドされた値とを比較してこれらの差
   に応じて前記利得制御信号を発生する制御回路とを備
   え、前記可変利得増幅回路が前記アツテネータを介して
   前記所定量減衰した超音波の受信信号を受ける状態にあ
   るときに、前記休止期間において、前記制御回路は、前
   記可変利得増幅回路の利得を前記設定器の利得選択に応
   じて制御し、制御した利得が前記所定量減衰の減衰量を
   打ち消す利得値まで増加したときに前記可変利得増幅回
   路が前記所定量衰量の減衰なしに前記次の測定における
   前記受信信号を受けるように前記アツテネータを切換
   え、かつ前記可変利得増幅回路の利得を前記減衰量に対
   応する分だけ減少させように前記目標値の量を選択する
   超音波受信信号増幅回路の利得制御方式。
9. 【請求項９】前記基準信号は、一定レベルの電圧を持つ
   直流信号であり、前記可変利得増幅回路は第１及び第２
   の２段の増幅器を有し、前記基準信号発生回路は第１の
   増幅器に基準信号を送出するものであり、前記サンプル
   ホールド回路は前記受信信号の休止期間における第１の
   増幅器の出力信号をサンプルホールドして保持するもの
   であり、制御回路は利得制御信号を第１の増幅器に送出
   し、第１の増幅器が減衰なしに受信信号を受けた状態で
   第１の増幅器の利得が所定値に達したときに、第２の増
   幅器の利得を前記所定値分だけ増加させるように制御
   し、かつ第１の増幅器の利得を前記所定値分だけ減少さ
   せるように前記目標値を選択する請求項８記載の超音波
   受信信号増幅回路の利得制御方式。