CN114129920B - 一种用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，PC机用于提供相控阵超声换能器的各个通道的聚焦激励参数，聚焦延时模块用于根据各个通道的聚焦激励参数获取与各个通道的聚焦激励参数对应的聚焦延时数据，DDS信号发生模块依据各个通道的聚焦延时数据向相控阵超声换能器的各个阵元发射第一激励信号，一级运算放大模块用于将第一激励信号形成两个幅值相同、相位相反的第二激励信号，二级功率放大模块用于对两个幅值相同、相位相反的第二激励信号进行功率放大后输出至相控阵超声换能器相应的通道中。以通过两级放大激励脉冲设计，第一级使用运算放大，第二级使用功率放大，并使用BTL桥接电路的方式，相较传统超声相控阵换能器激励系统有更高的驱动功率。

Description

一种用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统

技术领域

本发明实施例涉及相控阵超声换能器技术领域，尤其涉及一种用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统。

背景技术

脑科学及神经科学研究中，各类无创神经刺激(如电刺激、磁声刺激等)已被广泛应用于脑功能认知及脑部神经功能性疾病的研究和治疗。其中经颅磁声刺激具有既不破坏脑组织或神经，也不影响其他治疗方法等优点，但其技术上使用高频超声进行经颅刺激，神经元对高频信号的响应没有低频敏感；经颅干扰电刺激技术基于大脑神经元对低频电流响应的特点可实现非侵入的经颅电刺激，但由于电流的衰减和弥散效应使得该技术无法作用于脑深部。

为解决这一问题，现有研究者提出了一种基于双频磁声耦合效应的经颅聚焦差频电刺激方法，该方法具有可在颅内局部生成神经元敏感的低频信号的特点，有效弥补了经颅磁声耦合刺激的高频缺点和经颅直流电刺激的弥散性缺点，且该方法安全性好、无永久副作用、可调节、无创或微创、刺激具有可逆性，在脑功能研究中具有巨大的发展前景。

但由于该技术使用差频，即两个频率相近但不同的波进行干涉，所得到的干涉信号的频率是原先的频率之差，传统的超声换能器激励源提供的正弦脉冲频率误差较大，如500kHz正弦激励实际输出为497kHz～503kHz，而传统经颅差频电刺激方法使用500kHz和505kHz正弦脉冲进行干涉，最终产生5kHz的差频激励信号，传统的超声换能器激励源显然不能满足该磁声刺激技术的参数需求。

发明内容

本发明提供一种用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，以通过两级放大激励脉冲设计，第一级使用运算放大，第二级使用功率放大，并使用BTL桥接电路的方式，相较传统超声相控阵换能器激励系统有更高的驱动功率。

为实现上述目的，本发明实施例提出了一种用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，包括：

PC机、聚焦延时模块、DDS信号发生模块、多个一级运算放大模块和多个二级功率放大模块，所述一级运算放大模块与所述二级功率放大模块一一对应；

所述PC机用于提供相控阵超声换能器的各个通道的聚焦激励参数，所述聚焦延时模块用于根据所述各个通道的聚焦激励参数获取与所述各个通道的聚焦激励参数对应的聚焦延时数据，所述DDS信号发生模块依据所述各个通道的聚焦延时数据向所述相控阵超声换能器的各个阵元发射第一激励信号，所述一级运算放大模块用于将所述第一激励信号形成两个幅值相同、相位相反的第二激励信号，所述二级功率放大模块用于对两个所述幅值相同、相位相反的第二激励信号进行功率放大后输出至所述相控阵超声换能器相应的通道中。

根据本发明的一个实施例，所述聚焦延时模块为STM32H743聚焦延时模块。

根据本发明的一个实施例，所述第一激励信号为正弦波激励信号、方波激励信号、三角波激励信号、高斯脉冲激励信号、阶梯波激励信号、钟型波激励信号中的任意一种。

根据本发明的一个实施例，所述一级运算放大模块包括：隔直导交单元和运算放大器单元；所述隔直导交单元的输入端连接所述DDS信号发生模块的输出端连接，用于将所述第一激励信号转化为交流信号；所述运算放大器单元的输入端与所述隔直导交单元的输出端连接，用于将所述交流信号转化为两个幅值相同、相位相反的第二激励信号。

根据本发明的一个实施例，所述隔直导交单元包括：第一电阻、第一电容和电位器，所述第一电阻的一端与所述DDS信号发生模块的输出端连接，另一端接地；所述第一电容的一端与所述第一电阻的一端连接，另一端与所述电位器的第六端连接，所述电位器的第四端接地，所述电位器的第五端连接所述运算放大器单元的输入端。

根据本发明的一个实施例，所述运算放大器单元包括：第一放大器、第二放大器、第三放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第十电阻；所述第一放大器的正向输入端与所述隔直导交单元的输出端连接，反向输入端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端接地；所述第一放大器的输出端分别与所述第三电阻的一端和所述第四电阻的一端连接，所述第三电阻的一端与所述第二电阻的一端连接；

所述第四电阻的另一端连接所述第二放大器的正向输入端，所述第二放大器的反向输入端分别连接所述第五电阻的一端和所述第六电阻的一端，所述第五电阻的另一端接地，所述第六电阻的另一端连接所述第二放大器的输出端，所述第二放大器的输出端还连接所述第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端与所述二级功率放大模块的第一输入端连接；

所述第一放大器的输出端还与所述第八电阻的一端连接，所述第八电阻的另一端分别与第九电阻的一端和所述第三放大器的反向输入端连接，所述第三放大器的正向输入端接地，所述第九电阻的另一端连接所述第三放大器的输出端，所述第三放大器的输出端还与第十电阻的一端连接，所述第十电阻的另一端与所述二级功率放大模块的第二输入端连接。

根据本发明的一个实施例，所述二级功率放大模块包括：第一二级功率放大单元和第二二级功率放大单元，所述第一二级功率放大单元的输入端连接所述一级运算放大模块的第一输出端，输出端连接所述相控阵超声换能器的一端；所述第二二级功率放大单元的输入端连接所述一级运算放大模块的第二输出端，输出端连接所述相控阵超声换能器的另一端。

根据本发明的一个实施例，所述第一二级功率放大单元和第二二级功率放大单元均包括输入级电路、激励级电路和输出级电路，所述输入级电路的输入端与所述一级运算放大模块的其中一个输出端连接，用于抑制所述第二激励信号的零点漂移，所述激励级电路用于对过零失真的所述第二激励信号进行补偿，所述输出级电路用于对所述输入级电路和所述激励级电路处理后的激励信号进行放大，并输出至所述相控阵超声换能器。

根据本发明的一个实施例，所述输入级电路包括：差分放大电路和第一恒流源，所述差分放大电路包括第一三极管、第二三级管、第十四电阻；所述第一恒流源包括第三三极管；

还包括：第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十五电阻、第四三极管和第二电容；所述第十一电阻和所述第十二电阻的一端用于接入所述一级运算放大模块输出的所述第二激励信号，所述第十一电阻的另一端接地，所述第十二电阻的另一端分别与所述第十三电阻的一端和所述第一三极管的基极连接，所述第十三电阻的另一端与所述相控阵超声换能器连接，所述第十三电阻与所述第二电容并联，所述第一三极管的集电极连接第一电源，发射极连接所述第十四电阻的第一端；所述第二三极管的发射极连接所述第十四电阻的第二端，集电极连接所述第三三极管的集电极，基极接地；所述第三三极管的基极与集电极连接，还与所述激励级电路连接，发射极连接所述第一电源；所述第十四电阻的第三端连接第四三极管的集电极，发射极与所述第十五电阻的一端连接，所述第十五电阻的另一端连接第二电源，基极与所述激励级电路连接。

根据本发明的一个实施例，所述激励级电路包括：第一稳压电路、第二恒流源、第一恒压源、第二稳压电路、管振消除电路；

还包括：第一二极管、第二二极管、第三电容、第五三极管、第十六电阻、第十七电阻；其中，所述第一二极管和所述第二二极管串联，所述第一二极管的阳极分别与所述第十六电阻的一端和所述第四三极管的基极连接，所述第二二极管的阴极连接所述第二电源，所述第三电容的一端与所述第一二极管的阳极连接，另一端与所述第二二极管的阴极连接；所述第五三极管的基极与所述第一二极管的阳极连接，发射极与所述第十七电阻的一端连接，所述第十七电阻的另一端与所述第二二极管的阴极连接；

所述第二稳压电路与所述管振消除电路并联的一端分别与所述第五三极管的集电极和所述输出级电路连接；另一端分别与所述第一恒压源的第一端和所述输出级电路连接；所述第一恒压源的第二端与所述第一稳压电路的一端连接，所述第一恒压源的第三端与所述第二恒流源的第一端连接，所述第二恒流源的第二端与所述第一电源连接，所述第二恒流源的第三端与所述第一恒流源的一端连接；所述第一稳压电路的另一端与所述第一电源连接，所述第一稳压电路的一端还与所述第十六电阻的另一端连接。

根据本发明的一个实施例，所述输出级电路包括：OCL功率放大电路。

根据本发明的一个实施例，所述第一三极管、所述第二三极管、所述第四三极管和所述第五三极管均为NPN三极管，所述第三三极管为PNP三极管。

根据本发明的一个实施例，还包括：硬件延时补偿模块，所述硬件延时补偿模块分别与多个所述二级功率放大模块的输出端和所述相控阵超声换能器的输入端连接。

根据本发明实施例提出的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，包括：PC机、聚焦延时模块、DDS信号发生模块、多个一级运算放大模块和多个二级功率放大模块，一级运算放大模块与二级功率放大模块一一对应；PC机用于提供相控阵超声换能器的各个通道的聚焦激励参数，聚焦延时模块用于根据各个通道的聚焦激励参数获取与各个通道的聚焦激励参数对应的聚焦延时数据，DDS信号发生模块依据各个通道的聚焦延时数据向相控阵超声换能器的各个阵元发射第一激励信号，一级运算放大模块用于将第一激励信号形成两个幅值相同、相位相反的第二激励信号，二级功率放大模块用于对两个幅值相同、相位相反的第二激励信号进行功率放大后输出至相控阵超声换能器相应的通道中。以通过两级放大激励脉冲设计，第一级使用运算放大，第二级使用功率放大，并使用BTL桥接电路的方式，相较传统超声相控阵换能器激励系统有更高的驱动功率。

附图说明

图1是本发明实施例提出的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统的方框示意图；

图2是本发明一个实施例提出的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统中的一级运算放大模块的电路原理图；

图3是本发明一个实施例提出的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统的方框示意图；

图4是本发明一个实施例提出的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统中的二级功率放大模块的电路原理图；

图5是本发明另一个实施例提出的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统的方框示意图；

图6是本发明一个实施例提出的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统中第一二级功率放大单元或第二二级功率放大单元的输入波形图和输出波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在经颅超声神经刺激相关实验中，使用超声换能器大多为单阵元超声换能器，该种类型换能器只有一个工作阵元，自身并无聚焦功能，需借助声透镜或声准直器进行辅助聚焦，最常用的声透镜是球型聚焦透镜，该种声透镜具有最好的聚焦特性，若借助声准直器进行硬件聚焦，聚焦结果不由换能器特性控制而是由声准直器参数决定，如果进行多组实验需频繁更换声准直器。

由于传统单阵元超声换能器阵元数量不足的原因，其在聚焦过程中存在聚焦瓶颈，故近期研究开始使用相控阵超声换能器进行经颅刺激研究，超声相控阵为多个压电晶体按一定的分布排列，然后可以通过程序控制的途径按预先规定的延迟时间激发各个阵元，达到声波的扫描，偏转，聚焦的目的。在实现精准聚焦过程中，相控阵超声换能器可利用多个阵元可被相位控制的优点使发出的声波聚焦在一个区域内，形成叠加能量，进而相较单阵元超声换能器，其聚焦性能可以倍增。且由于各波束在焦点处相叠加，检测信号的信噪比也有了极其显著的提高。为了实现波束的动态聚焦和偏转，需要一套多通道的超声相控阵发射系统，根据预先确定的延迟时间分别激励各个阵元。

为解决这一问题，现有研究者提出了一种基于双频磁声耦合效应的经颅聚焦差频电刺激方法，该方法具有可在颅内局部生成神经元敏感的低频信号的特点，有效弥补了经颅磁声耦合刺激的高频缺点和经颅直流电刺激的弥散性缺点，且该方法安全性好、无永久副作用、可调节、无创或微创、刺激具有可逆性，在脑功能研究中具有巨大的发展前景。

由于该技术使用差频，即两个频率相近但不同的波进行干涉，所得到的干涉信号的频率是原先的频率之差，传统的超声换能器激励源提供的正弦脉冲频率误差较大，如500kHz正弦激励实际输出为497kHz～503kHz，而传统经颅差频电刺激方法使用500kHz和505kHz正弦脉冲进行干涉，最终产生5kHz的差频激励信号，传统的超声换能器激励源显然不能满足该磁声刺激技术的参数需求。

由此，本发明提出了一种用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，以提高产生脉冲的频率的精准度。下面来详细介绍本发明的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统。

图1是本发明实施例提出的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统的方框示意图。如图1所示，该用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统100包括：

PC机101、聚焦延时模块102、DDS信号发生模块103、多个一级运算放大模块104和多个二级功率放大模块105，一级运算放大模块104与二级功率放大模块105一一对应；

PC机101用于提供相控阵超声换能器106的各个通道的聚焦激励参数，聚焦延时模块102用于根据各个通道的聚焦激励参数获取与各个通道的聚焦激励参数对应的聚焦延时数据，DDS信号发生模块103依据各个通道的聚焦延时数据向相控阵超声换能器106的各个阵元发射第一激励信号，一级运算放大模块104用于将第一激励信号形成两个幅值相同、相位相反的第二激励信号，二级功率放大模块105用于对两个幅值相同、相位相反的第二激励信号进行功率放大后输出至相控阵超声换能器106相应的通道中。

其中，聚焦延时模块102可以为STM32H743聚焦延时模块。该聚焦延时模块主频有480MHz，可以提供更加精确的时序控制。

可以理解的是，DDS信号发生模块103具有极高的相位精度，波形精度，还可通过编程的方式向其输入其他波形，用于多种波形需求以激励超声相控阵换能器，其他波形输出精度完全取决于使用者自身存储波形精度。

其中，DDS信号发生模块103可以输出第一激励信号，即第一激励信号可以为正弦波激励信号、方波激励信号、三角波激励信号、高斯脉冲激励信号、阶梯波激励信号、钟型波激励信号中的任意一种。需要说明的是，以下内容以DDS信号发生模块103产生正弦波激励信号为例进行说明。

PC机101可以使用Keil uVersion5软件控制相控阵超声换能器106的各个通道的聚焦激励参数，其中，聚焦激励参数可以为激励阵元数量，阵元宽度阵元与阵元间距，激励超声传播介质等参数，当聚焦激励参数确定后聚焦延时模块102可以根据各个通道的聚焦激励参数获取与各个通道的聚焦激励参数对应的聚焦延时数据，并将该聚焦延时数据发送至DDS信号发生模块103，DDS信号发生模块103根据各个通道的聚焦激励参数对应的聚焦延时数据向各个通道发射携带延时数据的第一激励信号，第一激励信号经一级运算放大模块104后形成两个幅值相同、相位相反的第二激励信号，两个幅值相同、相位相反的第二激励信号经过二级功率放大模块105功率放大后输出至相控阵超声换能器106相应的通道中。

基于此，超声换能器一般采用64阵元聚焦换能器或相控阵聚焦超声换能器，主频一般采用100k～1MHz，基于待测对象的刺激深度进行频率选择。使用STM32H743单片机进行聚焦延时计算，得出相应的聚焦延时数据，该模块主频可达500MHz，最高支持2ns精度的延时，输出延时数据后再通过DDS信号发生模块103进行每个通道的分别发射，该DDS信号发生模块103最高可支持π/8192个周期的相位延时发射。经由DDS信号发生模块103发射的正弦通道数与换能器阵元数目一致，以确保每个通道可以对每个阵元单独激励。经由DDS信号发生模块103发射的带有延时的多通道高频正弦激励每个通道将分别通过一级运算放大模块104，为二级功率放大模块105提供频率相同，幅值相同，相位相隔半个周期的两组正弦信号，使得最终二级功率放大模块105输出的信号频率更精准。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，一级运算放大模块103包括：隔直导交单元107和运算放大器单元108；隔直导交单元107的输入端(P2 SMA)连接DDS信号发生模块103的输出端连接，用于将第一激励信号转化为交流信号；运算放大器单元108的输入端与隔直导交单元107的输出端连接，用于将交流信号转化为两个幅值相同、相位相反的第二激励信号。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，隔直导交单元107包括：第一电阻R1、第一电容C1和电位器RPI，第一电阻R1的一端与DDS信号发生模块103的输出端连接，另一端接地；第一电容C1的一端与第一电阻R1的一端连接，另一端与电位器RPI的第六端连接，电位器RPI的第四端接地，电位器RPI的第五端连接运算放大器单元108的输入端。

举例来说，DDS信号发生模块103输出的第一激励信号为0-220mV正弦信号，那么经过隔直导交单元107后转化为±110mV交流正弦信号。其中，电位器RPI的作用是使得运算放大器单元108的放大倍数可调。第一电容C1的作用为隔直导交。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，运算放大器单元108包括：第一放大器109、第二放大器110、第三放大器111、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第十电阻R10；第一放大器109的正向输入端与隔直导交单元107的输出端连接，反向输入端连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端接地；第一放大器109的输出端分别与第三电阻R3的一端和第四电阻R4的一端连接，第三电阻R3的一端与第二电阻R2的一端连接；

第四电阻R4的另一端连接第二放大器110的正向输入端，第二放大器110的反向输入端分别连接第五电阻R5的一端和第六电阻R6的一端，第五电阻R5的另一端接地，第六电阻R6的另一端连接第二放大器110的输出端，第二放大器110的输出端还连接第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端与二级功率放大模块105的第一输入端(P3 SMA)连接；

第一放大器109的输出端还与第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端分别与第九电阻R9的一端和第三放大器111的反向输入端连接，第三放大器111的正向输入端接地，第九电阻R9的另一端连接第三放大器111的输出端，第三放大器111的输出端还与第十电阻R10的一端连接，第十电阻R10的另一端与二级功率放大模块105的第二输入端(P4SMA)连接。

需要说明的是，由于DDS信号发生模块103输出的第一激励信号的幅值(比如220mVpp)较低，而最终实际的需求的波形的幅值较高(比如110V)，而第一激励信号经过隔直导交单元107后单相幅值会变为110mV，由于现有放大器的带宽积不够，进而需要设置第一放大器109，第二放大器110和第三放大器111，从而第一激励信号在经过第一放大器109后进行一次放大，再经过第二放大器110或第三放大器111后进行一次放大，最终输入至二级功率放大模块105中。以满足最终的幅值需求，防止信号失真。

继续参考图2，运算放大器单元108还包括第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第十七电容C17、第十八电容C18。

继续参考图2，一级运算放大模块104还包括电源模块，该电源模块包括惠斯通电桥120，第十九电容C19、第二十电容C20、第二十一电容C21、第二十二电容C22、第二十三电容C23、第二十四电容C24、第二十五电容C25和第二十六电容C26、第二十八电阻R28和第二十九电阻R29、以及第一电源芯片121和第二电源芯片122。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，二级功率放大模块105包括：第一二级功率放大单元1051和第二二级功率放大单元1052，第一二级功率放大单元1051的输入端连接一级运算放大模块104的第一输出端，输出端连接相控阵超声换能器106的一端；第二二级功率放大单元1052的输入端连接一级运算放大模块104的第二输出端，输出端连接相控阵超声换能器106的另一端。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，第一二级功率放大单元1051和第二二级功率放大单元1052均包括输入级电路112、激励级电路113和输出级电路114，输入级电路112的输入端与运算放大器单元108的其中一个输出端连接，用于抑制第二激励信号的零点漂移，激励级电路113用于对过零失真的第二激励信号进行补偿，输出级电路114用于对输入级电路112和激励级电路113处理后的激励信号进行放大，并输出至相控阵超声换能器106。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，输入级电路112包括：差分放大电路和第一恒流源，差分放大电路包括第一三极管Q1、第二三级管Q2、第十四电阻R14；第一恒流源包括第三三极管Q3；

还包括：第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十五电阻R15、第四三极管Q4和第二电容C2；第十一电阻R11和第十二电阻R12的一端用于接入一级运算放大模块104输出的第二激励信号，第十一电阻R11的另一端接地，第十二电阻R12的另一端分别与第十三电阻R13的一端和第一三极管Q1的基极连接，第十三电阻R13的另一端与相控阵超声换能器106连接，第十三电阻R13与第二电容C2并联，第一三极管Q1的集电极连接第一电源VCC，发射极连接第十四电阻R14的第一端；第二三极管Q2的发射极连接第十四电阻R14的第二端，集电极连接第三三极管Q3的集电极，基极接地；第三三极管Q3的基极与集电极连接，还与激励级电路113连接，发射极连接第一电源VCC；第十四电阻R14的第三端连接第四三极管Q4的集电极，发射极与第十五电阻R15的一端连接，第十五电阻R15的另一端连接第二电源VEE，基极与激励级电路113连接。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，激励级电路113包括：第一稳压电路115、第二恒流源116、第一恒压源117、第二稳压电路118、管振消除电路119；

还包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第三电容C3、第五三极管Q5、第十六电阻R16、第十七电阻R17；其中，第一二极管D1和第二二极管D2串联，第一二极管D1的阳极分别与第十六电阻R16的一端和第四三极管Q4的基极连接，第二二极管D2的阴极连接第二电源VEE，第三电容C3的一端与第一二极管D1的阳极连接，另一端与第二二极管D2的阴极连接；第五三极管Q5的基极与第一二极管D1的阳极连接，发射极与第十七电阻R17的一端连接，第十七电阻R17的另一端与第二二极管D2的阴极连接；

第二稳压电路118与管振消除电路119并联的一端分别与第五三极管Q5的集电极和输出级电路114连接；另一端分别与第一恒压源117的第一端和输出级电路114连接；第一恒压源117的第二端与第一稳压电路115的一端连接，第一恒压源117的第三端与第二恒流源116的第一端连接，第二恒流源116的第二端与第一电源VCC连接，第二恒流源116的第三端与第一恒流源的一端连接；第一稳压电路115的另一端与第一电源VCC连接，第一稳压电路115的一端还与第十六电阻R16的另一端连接。

其中，继续参照图4，第一稳压电路115包括第四电容C4、第五电容C5和第三二极管D3，其中，第三二极管D3为稳压二极管。第四电容C4与第三二极管D3并联，第五电容C5与第三二极管D3并联，第三二极管D3的阴极连接第一电源VCC，阳极连接第十六电阻R16的一端。其中，稳压二极管有很大的噪声，并联电容可以降低稳压内阻引起的纹波与噪声。同时由于电解电容有较大的卷绕电感，对高频噪声滤出作用较差，所以需要并接一相小容量的电容来消除噪声。

第二稳压电路118包括：第十八电阻R18，第十九电阻R19，第二十电阻R20，第六电容C6和第六三极管Q6。第十八电阻R18与第十九电阻R19串联，第十八电阻R18的一端分别与第八三极管Q8的集电极和第六三极管Q6的集电极连接，第十九电阻R19的另一端与第六三极管Q6的基极连接，第十九电阻19的另一端还与第二十电阻R20的一端连接，第二十电阻的另一端分别与第六三极管Q6的发射极和第五三极管Q5的集电极连接。第六电容C6的一端与第六三极管Q6的集电极连接，另一端与第六三极管Q6的发射极连接。

管振消除电路119包括：第二十一电阻R21，第二十二电阻R22，第七电容C7和第八电容C8。第二十一电阻R21的一端与第六三极管Q6的集电极连接，另一端与第七电容C7的一端连接，第七电容C7的另一端接地，并与第八电容C8的一端连接，第八电容C8的另一端与第二十二电阻R22的一端连接，第二十二电阻R22的另一端与第六三极管Q6的发射极连接。使得电路中各三极管均提前处于微导通状态，一旦加入信号，马上进入线性工作区。

第二恒流源116包括第七三极管Q7。第一恒压源包括第八三极管Q8。第七三极管Q7的发射极连接第一电源VCC，基极与第三三极管Q3的基极连接，集电极与第八三极管Q8的发射极连接，第八三极管Q8的基极与第十六电阻R16的一端连接，集电极与第六三极管Q6的集电极连接。

根据本发明的一个实施例，输出级电路114包括：OCL功率放大电路。

该OCL功率放大电路包括：第九三极管Q9，第十三极管Q10，第十一三极管Q11，第十二三极管Q12，第二十三电阻R23，第二十四电阻R24，第二十五电阻R25，第二十六电阻R26和第二十七电阻R27。第九三极管Q9的基极与第六三极管Q6的集电极连接，集电极连接第一电源VCC，发射极分别与第二十三电阻R23的一端和第二十四电阻R24的一端连接，第十三极管Q10的基极与第二十三电阻R23的另一端连接，集电极连接第一电源VCC，发射极与第二十六电阻R26的一端连接，第十一三极管Q11的基极与第六三极管Q6的发射极连接，发射极分别与第二十四电阻R24的另一端和第二十五电阻R25的一端连接，第十二三极管Q12的基极与第二十五电阻R25的另一端连接，发射极与第二十七电阻R27的另一端连接，集电极连接第二电源VEE。第二十六电阻R26的另一端和第二十七电阻R27的一端连接，并用于信号的输出。

根据本发明的一个实施例，第一三极管Q1、第二三极管Q2、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第六三极管Q6、第十三极管Q10、第九三极管Q9均为NPN三极管，第三三极管Q3、第七三极管Q7、第八三极管Q8、第十一三极管Q11、第十二三极管Q12为PNP三极管。

继续参见图4，第一二级功率放大单元1051和第二二级功率放大单元1052还均包括电源模块，该电源模块包括第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11和第十二电容C12。

基于上述电路连接，下面来详述该用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统的工作原理。

在DDS信号发生模块103生成带聚焦延时数据的第一激励信号后，第一激励信号经过隔直导交单元107的输入端(P2 SMA)输入至隔直导交单元107中，隔直导交单元107对第一激励信号进行直流信号的滤除，输出交流信号至第一放大器109的正向输入端，经过第一放大器109的运算放大后，输出至第二放大器110的正向输入端，经过第二放大器110放大后经第七电阻R7的另一端输出，以及第三放大器111的反向输入端，经过第三放大器111的放大后，经第十电阻R10的另一端输出，进而，第一激励信号经过一级运算放大模块104后形成频率相同、幅值相同、但相位相反的第二激励信号。

第一第二激励信号输入至第一二级功率放大单元1051中，第二第二激励信号输入至第二二级功率放大单元1052中，由于第一二级功率放大单元1051和第二二级功率放大单元1052的工作原理相同，进而，仅以第一二级功率放大单元1051为例来说明，第二二级功率放大单元1052的工作原理可参考第一二级功率放大单元1051的工作原理。

其中，第一第二激励信号经过第一二级功率放大单元1051中的输入级电路112，输入级电路112中差分放大电路中的第一三极管Q1的基极输入第一第二激励信号，第二三极管Q2的基极接地，进而，差分放大电路对第一第二激励信号和对地信号进行差分放大，当地对第一第二激励信号有干扰时，差分放大电路可以抑制第一第二激励信号的零点漂移。

从而第一第二激励信号经过差分放大电路后一部分经过第三三极管Q3流向激励级中的第七三极管Q7的基极，另一部分通过第四三极管Q4流向激励级中的第五三极管Q5的基极。

激励级113中的第七三极管Q7为第三三极管Q3的镜像电流源，第八三极管Q8为恒压源，第八三极管Q8对第五三极管Q5形成钳位控制。第六电容C6为去耦电容。激励级113中的第二稳压电路118、管振消除电路119对失真的第一第二激励信号进行补偿，之后将该信号输出至输出级114，经过输出级114的OCL功率放大电路进行功率放大，由于二级功率放大模块105部分使用BTL桥接推挽电路，使负载相控阵超声换能器106两端分别接在二级功率放大单元1051和第二二级功率放大单元1052的输出端。其中一个功率放大单元的输出是另外一个功率放大单元的镜像输出，也就是说加在负载两端的信号仅在相位上相差180°。进而负载上将得到原来单端输出的2倍电压，使得相较传统超声换能器激励电路的输出功率将增加4倍。

可以理解的是，差分放大电路，目的为稳定静态工作点,以放大差模信号抑制共模信号，最终起到抑制零点漂移的作用，激励级113为三极管基极偏置电路，给三极管提供基极直流电流，使每一晶体管处于微导通状态，一旦加入输入信号，使其马上进入线性工作区，消除后级OCL功率放大电路的交越失真，输出级114为OCL(Output CapacitorLess)功率放大电路，是该功率放大模块的主体，用于放大正弦脉冲。该电路第一个好处就克服了单管输入级晶体管的静态电流流经负反馈网络的缺点；第二个好处是利用差分对发射结电压相互抵消，从而获得低失调电压；第三好处是它的线性远比单管输入级电路有优势，第四个好处电路省掉大电容，改善了低频响应，有利于实现集成化。最终该模块可输出带有聚焦延时信息的高压高频正弦脉冲，经过硬件延时补偿后，可用于相控阵超声换能器激励。一级运算放大模块104和二级功率放大模块105中电源模块提供所需直流输出，共同构成整流滤波电路，电源由定制环形变压器提供。

总的来说，通过PC机101设置相控阵超声换能器106相关参数后，可自动计算聚焦延时，使用DDS信号发生模块103进行多通道正弦信号发射，如激励64通道超声换能器，即DDS信号发生模块103发射带有时序信息的64通道正弦脉冲，经过64通道一级放大，输出幅值可调的128通道正弦脉冲，其中共64组信号，每组信号包含一个经过一级正相放大器的脉冲正弦，一个经过一级反相放大器的脉冲正弦，该128通道正弦脉冲经过OCL推挽式功率放大电路，其中64通道正相脉冲正弦作用于超声换能器一端，64通道反相脉冲作用于超声换能器另一端，最终由两端带有时序信息的高压高频正弦共同作用于进行相控阵超声换能器形成BTL桥接电路完成聚焦激励。

基于此，本发明提出的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统与传统相控阵超声换能器激励系统不同，(传统超声换能器激励系统DAC模块发射正弦，或发射PWM波(高低电平)直接进行激励，不用DDS信号发生模块103，而DDS信号发生模块103是既带有寄存器功能又带有DAC功能的信号发生模块，频率精度，延时精度，都极高，还可以存储多种波形实现多种脉冲刺激)，该系统最终使用高频高压的正弦信号作为激励，利用DDS信号发生模块103高分辨率计数器及高频率精度的特点，如设置使用500kHz实际输出频率为499.7-500.3kHz，其精确度可用于经颅聚焦差频磁声电刺激。

该系统有四个优点：1)传统超声换能器激励源使用方波激励，但方波激励具有高频分量，换能器容易发热和损坏。本系统可提供正弦激励，使换能器一直处于谐振状态，具有更高的电声效率。2)DDS信号发生模块103相对之前的DAC，可以生成非常高的频率精度，最高可提供48位频率分辨率，可以非常精确地改变频率，目前最高能够生成几十MHz，分辨率为1mHz的精准正弦脉冲。3)DDS信号发生模块103自带RAM波形存储器，可重现任何波形，满足不同相控阵超声换能器聚焦需求需求。4)放大器部分使用BTL桥接推挽电路，使负载相控阵超声换能器两端分别接在两个放大器的输出端。其中一个放大器的输出是另外一个放大器的镜像输出，也就是说加在负载两端的信号仅在相位上相差180°。负载上将得到原来单端输出的2倍电压。相较传统超声换能器激励电路的输出功率将增加4倍。

也就是说，该系统与其他系统有以下不同(1)该系统使用DDS信号发生模块103作为正弦信号发生模块，具有极高的相位精度，波形精度，还可通过编程的方式向其输入其他波形，用于多种波形需求以激励超声相控阵换能器，其他波形输出精度完全取决于使用者自身存储波形精度。(2)使用主控为STM32H743单片机，主频有480MHz，可以提供更加精确的时序控制。(3)使用两级放大正弦脉冲设计，第一级使用运算放大，第二级使用功率放大，并使用BTL桥接电路的方式相较传统超声相控阵换能器激励系统有更高的驱动功率。

根据本发明的一个实施例，如图5所示，该用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统100还包括：硬件延时补偿模块123，硬件延时补偿模块123分别与多个二级功率放大模块105的输出端和相控阵超声换能器106的输入端连接。

由于电路中各种硬件也会对信号造成延迟，进而，在振荡出正弦波后再经过硬件延时补偿模块123可以将信号进一步聚焦。使得相控阵超声换能器106的各个阵元同时接收到正弦信号。

另外，本发明提出的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统可以适应于任意波形，可灵活针对任意波形需求的换能器使用，使用后级放大模块可实现对波形的放大。对已有波形如正弦波可将波形分断拆分，并形成一种或多种新型调制波，并在一次发射中直接修改波形的所有参数，以适应现今热门的编码激励，传统编码激励使用方波编码，经过本系统编程后可进行正弦编码，好处是又能提高信号的信噪比，又能发射最适应换能器压电晶体的脉冲以保护超声换能器。

图6是本发明一个实施例提出的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统中第一二级功率放大单元或第二二级功率放大单元的输入波形图和输出波形图。由图6中可以看出输出波形是完美的正弦波形。其中，曲线A为输出波形，曲线B为输入波形。

综上所述，根据本发明实施例提出的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，包括：PC机、聚焦延时模块、DDS信号发生模块、多个一级运算放大模块和多个二级功率放大模块，一级运算放大模块与二级功率放大模块一一对应；PC机用于提供相控阵超声换能器的各个通道的聚焦激励参数，聚焦延时模块用于根据各个通道的聚焦激励参数获取与各个通道的聚焦激励参数对应的聚焦延时数据，DDS信号发生模块依据各个通道的聚焦延时数据向相控阵超声换能器的各个阵元发射第一激励信号，一级运算放大模块用于将第一激励信号形成两个幅值相同、相位相反的第二激励信号，二级功率放大模块用于对两个幅值相同、相位相反的第二激励信号进行功率放大后输出至相控阵超声换能器相应的通道中。以通过两级放大激励脉冲设计，第一级使用运算放大，第二级使用功率放大，并使用BTL桥接电路的方式，相较传统超声相控阵换能器激励系统有更高的驱动功率。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，包括：

PC机、聚焦延时模块、DDS信号发生模块、多个一级运算放大模块和多个二级功率放大模块，所述一级运算放大模块与所述二级功率放大模块一一对应；

所述PC机用于提供相控阵超声换能器的各个通道的聚焦激励参数，所述聚焦延时模块用于根据所述各个通道的聚焦激励参数获取与所述各个通道的聚焦激励参数对应的聚焦延时数据，所述DDS信号发生模块依据所述各个通道的聚焦延时数据向所述相控阵超声换能器的各个阵元发射第一激励信号，所述一级运算放大模块用于将所述第一激励信号形成两个幅值相同、相位相反的第二激励信号，所述二级功率放大模块用于对两个所述幅值相同、相位相反的第二激励信号进行功率放大后输出至所述相控阵超声换能器相应的通道中；

所述二级功率放大模块使用BTL桥接推挽电路；

所述二级功率放大模块包括：第一二级功率放大单元和第二二级功率放大单元，所述第一二级功率放大单元的输入端连接所述一级运算放大模块的第一输出端，输出端连接所述相控阵超声换能器的一端；所述第二二级功率放大单元的输入端连接所述一级运算放大模块的第二输出端，输出端连接所述相控阵超声换能器的另一端。

2.根据权利要求1所述的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述聚焦延时模块为STM32H743聚焦延时模块。

3.根据权利要求1所述的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述第一激励信号为正弦波激励信号、方波激励信号、三角波激励信号、高斯脉冲激励信号、阶梯波激励信号、钟型波激励信号中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述一级运算放大模块包括：隔直导交单元和运算放大器单元；所述隔直导交单元的输入端连接所述DDS信号发生模块的输出端，用于将所述第一激励信号转化为交流信号；所述运算放大器单元的输入端与所述隔直导交单元的输出端连接，用于将所述交流信号转化为两个幅值相同、相位相反的第二激励信号。

5.根据权利要求4所述的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述隔直导交单元包括：第一电阻、第一电容和电位器，所述第一电阻的一端与所述DDS信号发生模块的输出端连接，另一端接地；所述第一电容的一端与所述第一电阻的一端连接，另一端与所述电位器的第六端连接，所述电位器的第四端接地，所述电位器的第五端连接所述运算放大器单元的输入端。

6.根据权利要求5所述的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述运算放大器单元包括：第一放大器、第二放大器、第三放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第十电阻；所述第一放大器的正向输入端与所述隔直导交单元的输出端连接，反向输入端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端接地；所述第一放大器的输出端分别与所述第三电阻的一端和所述第四电阻的一端连接，所述第三电阻的一端与所述第二电阻的一端连接；

所述第四电阻的另一端连接所述第二放大器的正向输入端，所述第二放大器的反向输入端分别连接所述第五电阻的一端和所述第六电阻的一端，所述第五电阻的另一端接地，所述第六电阻的另一端连接所述第二放大器的输出端，所述第二放大器的输出端还连接所述第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端与所述二级功率放大模块的第一输入端连接；

所述第一放大器的输出端还与所述第八电阻的一端连接，所述第八电阻的另一端分别与第九电阻的一端和所述第三放大器的反向输入端连接，所述第三放大器的正向输入端接地，所述第九电阻的另一端连接所述第三放大器的输出端，所述第三放大器的输出端还与第十电阻的一端连接，所述第十电阻的另一端与所述二级功率放大模块的第二输入端连接。

7.根据权利要求6所述的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述第一二级功率放大单元和第二二级功率放大单元均包括输入级电路、激励级电路和输出级电路，所述输入级电路的输入端与所述一级运算放大模块的其中一个输出端连接，用于抑制所述第二激励信号的零点漂移，所述激励级电路用于对过零失真的所述第二激励信号进行补偿，所述输出级电路用于对所述输入级电路和所述激励级电路处理后的激励信号进行放大，并输出至所述相控阵超声换能器。

8.根据权利要求7所述的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述输入级电路包括：差分放大电路和第一恒流源，所述差分放大电路包括第一三极管、第二三级管、第十四电阻；所述第一恒流源包括第三三极管；

还包括：第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十五电阻、第四三极管和第二电容；所述第十一电阻和所述第十二电阻的一端用于接入所述一级运算放大模块输出的所述第二激励信号，所述第十一电阻的另一端接地，所述第十二电阻的另一端分别与所述第十三电阻的一端和所述第一三极管的基极连接，所述第十三电阻的另一端与所述相控阵超声换能器连接，所述第十三电阻与所述第二电容并联，所述第一三极管的集电极连接第一电源，发射极连接所述第十四电阻的第一端；所述第二三极管的发射极连接所述第十四电阻的第二端，集电极连接所述第三三极管的集电极，基极接地；所述第三三极管的基极与集电极连接，还与所述激励级电路连接，发射极连接所述第一电源；所述第十四电阻的第三端连接第四三极管的集电极，发射极与所述第十五电阻的一端连接，所述第十五电阻的另一端连接第二电源，基极与所述激励级电路连接。

9.根据权利要求8所述的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述激励级电路包括：第一稳压电路、第二恒流源、第一恒压源、第二稳压电路、管振消除电路；

还包括：第一二极管、第二二极管、第三电容、第五三极管、第十六电阻、第十七电阻；其中，所述第一二极管和所述第二二极管串联，所述第一二极管的阳极分别与所述第十六电阻的一端和所述第四三极管的基极连接，所述第二二极管的阴极连接所述第二电源，所述第三电容的一端与所述第一二极管的阳极连接，另一端与所述第二二极管的阴极连接；所述第五三极管的基极与所述第一二极管的阳极连接，发射极与所述第十七电阻的一端连接，所述第十七电阻的另一端与所述第二二极管的阴极连接；

所述第二稳压电路与所述管振消除电路并联的一端分别与所述第五三极管的集电极和所述输出级电路连接；另一端分别与所述第一恒压源的第一端和所述输出级电路连接；所述第一恒压源的第二端与所述第一稳压电路的一端连接，所述第一恒压源的第三端与所述第二恒流源的第一端连接，所述第二恒流源的第二端与所述第一电源连接，所述第二恒流源的第三端与所述第一恒流源的一端连接；所述第一稳压电路的另一端与所述第一电源连接，所述第一稳压电路的一端还与所述第十六电阻的另一端连接。

10.根据权利要求7所述的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述输出级电路包括：OCL功率放大电路。

11.根据权利要求9所述的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述第一三极管、所述第二三极管、所述第四三极管和所述第五三极管均为NPN三极管，所述第三三极管为PNP三极管。

12.根据权利要求1所述的用于提高精准频率的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，还包括：硬件延时补偿模块，所述硬件延时补偿模块分别与多个所述二级功率放大模块的输出端和所述相控阵超声换能器的输入端连接。