0 引言

　　超聲成像技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療成像中。但超聲成像的發(fā)展一直受限于成像深度不夠和分辨率較差等問(wèn)題[1]。隨著超聲技術(shù)的發(fā)展，采用不同的發(fā)射信號(hào)用于成像已成為一個(gè)重要的研究方向，如采用LFM（Linear Frequency Modulated Wave），二相編碼信號(hào)等。在傳統(tǒng)的超聲系統(tǒng)中，不同的波形往往都由不同的電路產(chǎn)生。本文在研究新體制成像方法中[2]，提出MIMO成像方法，其中采用LFM調(diào)制偽碼波形。為了便于成像方法研究，設(shè)計(jì)一款基于PWM調(diào)制的H橋超聲發(fā)射電路，可用于產(chǎn)生脈沖波、正弦脈沖波、編碼等波形。經(jīng)理論仿真和實(shí)物制作測(cè)試驗(yàn)證本電路產(chǎn)生波形滿足設(shè)計(jì)要求，并可以用于超聲探測(cè)和成像系統(tǒng)。

1 超聲發(fā)射電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

　　超聲發(fā)射系統(tǒng)分為：FPGA主控模塊、H橋功率放大模塊、LPF(Low Pass Filter)模塊、USB通信模塊以及變壓器和探頭，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。超聲發(fā)射系統(tǒng)原理：PC將需要發(fā)射的波形數(shù)據(jù)通過(guò)USB模塊傳遞給FPGA，由FPGA產(chǎn)生PWM調(diào)制波，再通過(guò)H橋功率放大模塊將所需信號(hào)進(jìn)行功率放大，利用低通濾波器將高頻載波濾除后送入變壓器進(jìn)行信號(hào)電壓放大，最后將需要的波形信號(hào)加載到探頭發(fā)射。同時(shí)FPGA還負(fù)責(zé)與PC通信和實(shí)際回波的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。

　　1.2 PWM產(chǎn)生

　　采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果相同[3]。本系統(tǒng)采用的方法是當(dāng)前較為成熟的SPWM法，該方法以上面提到的理論為基礎(chǔ)，根據(jù)當(dāng)前波形信號(hào)而產(chǎn)生脈沖寬度變化等效的PWM波形即波形對(duì)發(fā)射信號(hào)與預(yù)設(shè)的對(duì)比信號(hào)進(jìn)行比較，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望的波形信號(hào)在同樣時(shí)間內(nèi)取得面積相等，同時(shí)系統(tǒng)輸出的信號(hào)的頻率和大小可以通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值來(lái)調(diào)節(jié)。

　　本系統(tǒng)PWM調(diào)制采用工業(yè)上較為常用的三角波比較采樣方法, 該方法一般用于以正弦波做為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高的多的等腰三角波為載波[4]。同時(shí)結(jié)合1.3節(jié)的H橋電路有上下兩個(gè)方向通路的優(yōu)點(diǎn)，如圖2所示，將需要發(fā)射的信號(hào)根據(jù)信號(hào)正負(fù)幅值分解成正向信號(hào)與逆向信號(hào)，這樣不僅可以簡(jiǎn)化PC給FPGA發(fā)送發(fā)射信號(hào)的難度，還可以降低PWM調(diào)制的復(fù)雜性。

　　為了方便分析，把正向三角波用分段函數(shù)表達(dá)式[5]：

　　令調(diào)制比M=Us/Uc，載波比N=Wc/Ws(M≤1，N為正整數(shù)且N≥5)SPWM波形的采樣點(diǎn)為發(fā)射信號(hào)與三角波交點(diǎn)，即式(2)大于式(1)時(shí)，此時(shí)輸出為當(dāng)前的電源電壓。同理，當(dāng)式(2)小于式(1)時(shí)，輸出則為0。當(dāng)調(diào)制的電源電壓為E時(shí)，SPWM波形的時(shí)間函數(shù)UL(t)：

　　為了適應(yīng)不同的發(fā)射系統(tǒng)，就需要對(duì)任意的波形可以調(diào)制和發(fā)射。本系統(tǒng)選取如圖2所示不規(guī)則的編碼信號(hào)，經(jīng)過(guò)PWM調(diào)制后的正反向信號(hào)即為圖3所示。

　　1.3 H橋功率放大電路

　　采用H型橋式的D型放大器可以實(shí)現(xiàn)平衡輸出，易于改善放大器的輸出特性，并可以減少干擾，所以H橋電路被廣泛應(yīng)用于數(shù)字功放中[6-7]。本文的H橋功率放大電路如圖4所示，由4個(gè)開(kāi)關(guān)MOS管與低通濾波器組成。其中Q1與Q4為P溝道開(kāi)關(guān)管，Q2與Q3為N溝道開(kāi)關(guān)管。H橋的通路特性為正向的PWM信號(hào)控制Q1與Q3打開(kāi)，此時(shí)發(fā)射信號(hào)通過(guò)低通濾波器正向通過(guò)變壓器，反之Q2與Q4導(dǎo)通，電流方向相反。

　　本系統(tǒng)所采用的開(kāi)關(guān)模式管器件為FDS4559，因?yàn)镻溝道與N溝道的開(kāi)關(guān)管的本身特性，所以其開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間也存在著差異。其中P溝道開(kāi)通上升沿時(shí)間為38 ns，下降沿時(shí)間為50 ns，N溝道開(kāi)通上升沿時(shí)間則為34 ns，下降沿時(shí)間為56 ns，所以該H橋可以實(shí)現(xiàn)(1/60 ns)對(duì)10 MHz以?xún)?nèi)的信號(hào)進(jìn)行功率放大。當(dāng)信號(hào)頻率改變時(shí)，只需根據(jù)所需要的頻率來(lái)調(diào)節(jié)相應(yīng)的低通濾波器，無(wú)需對(duì)硬件模塊進(jìn)行較大的改動(dòng)。

　　同時(shí)系統(tǒng)的通斷也由PWM信號(hào)控制，當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，Q1與Q4均保持關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)同時(shí)給P溝道與N溝道開(kāi)通信號(hào)時(shí)，由于N溝道較P溝道導(dǎo)通時(shí)間快，所以先與地相通做好回路開(kāi)通準(zhǔn)備，而當(dāng)關(guān)斷信號(hào)開(kāi)通時(shí)，P溝道先于N溝道關(guān)閉，這樣可以避免逆向控制信號(hào)串入造成Q1與Q2直接導(dǎo)通造成短路的情況。

　　1.4 濾波器設(shè)計(jì)

　　目前的逆變技術(shù)主要采用脈寬調(diào)制方式，由于PWM調(diào)制本身的特性決定著逆變器的輸出電壓中含有較多的高次諧波分量，因此需要在逆變器的輸出端加上低通濾波器來(lái)減少諧波含量。本設(shè)計(jì)中的低通濾波器采用現(xiàn)在較為成熟的T型無(wú)源濾波器[8]，如圖5，該濾波器的截止頻率為：

　　為了使變壓器端更接近正弦同時(shí)又不會(huì)引起諧振問(wèn)題,故諧振頻率必須要遠(yuǎn)小于載波中所含有的最低次諧波頻率,同時(shí)又要遠(yuǎn)大于基波頻率。參照實(shí)際中較為成熟的PWM方案, 為了達(dá)到比較優(yōu)良的性能,最好滿足以下關(guān)系[9]：

　　10f1<fc<fs/10(5)

　　其中：f1為基波頻率，fs為PWM的載波頻率。本系統(tǒng)所用的探頭中心頻率為500 kHz，載波為50 MHz，故fc選取為5 MHz。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　2.1 仿真結(jié)果

　　本設(shè)計(jì)仿真采用NI公司的Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真，該仿真軟件包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。仿真模型如圖6所示，超聲探頭用100 k?贅電阻代替，H橋功率放大由N溝道的RF9530和P溝道的RF9550兩對(duì)對(duì)管構(gòu)成，變壓器的變比根據(jù)實(shí)際的變壓器設(shè)置為1：5(兼容500 kHz頻率)，正向信號(hào)源采用幅值12 V、頻率500 kHz的方波信號(hào)，逆向信號(hào)源則通過(guò)對(duì)正向信號(hào)延時(shí)半個(gè)周期獲得。軟件示波器測(cè)試經(jīng)過(guò)低通濾波器后進(jìn)入變壓器前的信號(hào)，以及經(jīng)過(guò)變壓器進(jìn)行電壓放大后加載到探頭上的波形信號(hào)。測(cè)試的波形為圖7所示，信道A為變壓器原邊波形，信道B則為通過(guò)變壓器后加載到探頭的波形，從圖上可以看出經(jīng)過(guò)變壓器波形信號(hào)為500 kHz的正弦波，保持了頻率不變的特性，信號(hào)的幅值也由12 V的轉(zhuǎn)變?yōu)椤?40 V，達(dá)到了驅(qū)動(dòng)探頭的標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為驗(yàn)證本系統(tǒng)的任意波形發(fā)射，制作了實(shí)際電路并進(jìn)行測(cè)試。實(shí)際的發(fā)射電路采用FDS4559與MD5055構(gòu)成的16路通道，發(fā)射的波形采用500 kHz的正弦脈沖波調(diào)制成的兩個(gè)正半周期，兩個(gè)負(fù)半周期的不規(guī)則發(fā)射波形，測(cè)試單一通道的效果。實(shí)際測(cè)試的探頭為福州大禹超聲公司的DYW-500-E型號(hào)500K水聲探頭，該探頭的起振電壓為±150 V，峰值電壓為±800 V。本系統(tǒng)采用的電源電壓為48 V，加載到探頭上的波形信號(hào)為圖8所示，從圖上可以清楚看出加載到探頭上的波形與期望調(diào)制兩個(gè)正半周期，兩個(gè)負(fù)半周期相同，同時(shí)波形峰峰值達(dá)到±242 V，滿足探頭的起振條件。

3 結(jié)論

　　本文提出的超聲發(fā)射電路采用PWM調(diào)制發(fā)射，具有頻率穩(wěn)定性好、方便調(diào)節(jié)的特點(diǎn)；H橋功率驅(qū)動(dòng)電路功率高，可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，正逆向通道可以簡(jiǎn)化發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生；同時(shí)該電路與上位機(jī)軟件結(jié)合，不僅可以實(shí)現(xiàn)在10 MHz頻率以?xún)?nèi)的幾乎任意波形的調(diào)制發(fā)射，還可以方便拓展多個(gè)通道，適應(yīng)多種超聲發(fā)射的場(chǎng)合。最后通過(guò)軟件仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方式驗(yàn)證該發(fā)射電路的有效性。

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