CN114177524A - 一种用于提高幅值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幅值的相控阵超声换能器激励系统，系统中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，FPGA聚焦延时模块用于根据各个通道的聚焦激励参数计算各个通道的聚焦延时数据，并结合各个通道的聚焦延时数据输出与各个通道对应的携带聚焦延时数据的PWM波，各个通道对应的携带聚焦延时数据的PWM波经I/O通道扩展模块输入至相应的基频控制电路中，各个LC振荡电路依据基频控制电路输出的基频信号，将直流源信号振荡为正弦波信号并输出至相控阵超声换能器的相应通道中。以通过该激励系统激励出高幅值的正弦波，具有零高频分量，可以减少负载发热以及压电陶瓷震动损耗，可显著提高相控阵超声换能器的使用寿命。

Description

一种用于提高幅值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幅值的相控阵超声换能器激励系统。

背景技术

脑科学神经调控技术是利用植入性或非植入性技术，采用物理刺激或药物手段改变神经系统活性，从而改善患者疾病症状，提高生命质量的生物医学工程技术。除了应用药物，基于电、磁、光、声等物理因子作用进行神经刺激的技术，在神经科学的基础研究和神经、精神疾病的临床诊疗上发挥着重要作用。磁声耦合电刺激技术(TMAS)作为神经调控技术的一种，基于磁声耦合效应，生物组织内含有导电粒子，在超声波作用下产生振动，振动粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用产生耦合电场。该技术利用超声的高聚焦特性，在加载磁场的条件下实现高空间分辨的无创电刺激，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。但是，研究表明，TMAS复合作用仍然尚达到神经活动的电刺激阈值。如何增强TMAS电场，进一步增强复合刺激作用是核心关键问题。

传统超声换能器激励源系统使用高压高频方波进行激励，但方波的高频分量会造成超声换能器的发热和损坏。另外由于基于PWM放大的功率放大器通常需要设置死区，导致波形精度低，实际激励波形不是标准方波或是标准正弦，且不能发射准确频率的脉冲信号。

发明内容

本发明提供一种用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统，以通过该激励系统激励出高幅值的正弦波，具有零高频分量，可以减少负载发热以及压电陶瓷震动损耗，可显著提高相控阵超声换能器的使用寿命。

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

PC机、FPGA聚焦延时模块、I/O通道扩展模块、多个基频控制电路和多个LC振荡电路，所述基频控制电路与所述LC振荡电路一一对应；

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FPGA聚焦延时模块用于根据所述各个通道的聚焦激励参数计算各个通道的聚焦延时数据，并结合所述各个通道的聚焦延时数据输出与各个通道对应的携带聚焦延时数据的PWM波，各个通道对应的携带聚焦延时数据的PWM波经所述I/O通道扩展模块输入至相应的所述基频控制电路中，各个所述LC振荡电路依据所述基频控制电路输出的基频信号，将直流源信号振荡为正弦波信号并输出至所述相控阵超声换能器的相应通道中。

根据本发明的一个实施例，所述基频控制电路包括：

光耦电路单元、与非门电路单元、晶体振荡器单元、MOS管控制单元和MOS管，所述光耦电路单元输入端与所述I/O通道扩展模块连接，所述光耦电路单元的输出端与所述与非门电路单元的输入端连接，所述晶体振荡器单元的输出端与所述与非门电路单元的输入端连接，所述与非门电路单元的输出端与所述MOS管控制单元连接，所述MOS管根据所述MOS管控制单元输出的电平信号处于打开状态或关闭状态，以为所述LC振荡电路提供基频信号。

根据本发明的一个实施例，所述光耦电路单元包括：第一电源芯片、光耦和第一电容，所述光耦的第一端和第二端分别输入所述PWM波信号，所述光耦的第三端与所述第一电源芯片的输出端连接，所述光耦的第四端接地，所述光耦的第五端与所述与非门电路单元连接，所述第一电源芯片为所述光耦供电，所述第一电源芯片的输出端还与所述第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端接地。

根据本发明的一个实施例，所述与非门电路单元包括：第一与非门、第二与非门、第三与非门和第一电阻，所述第一与非门的第一输入端连接所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端与第二电源连接，所述第一与非门的第一输入端与第二输入端连接，所述第一与非门的第二输入端与所述光耦的第五端连接；

所述第一与非门的输出端与所述第二与非门的第一输入端连接，所述第二与非门的第二输入端与所述晶体振荡器单元连接，所述第二与非门的输出端分别与第三与非门的第一输入端和第二输入端连接，所述第三与非门的输出端与所述MOS管控制单元的输入端连接。

根据本发明的一个实施例，所述晶体振荡器单元包括：第四与非门、第二电阻、第三电阻、第二电容、第三电容和第四电容，所述第二电容和所述第三电容的一端均接地，所述第二电容的另一端与所述第四电容的一端连接，所述第三电容的另一端与所述第四电容的另一端连接，所述第四电容的另一端还与第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第四与非门的输出端连接，所述第四电容的一端还与所述第四与非门的第一输入端和第二输入端连接，所述第三电阻的一端与所述第四与非门的第一输入端和第二输入端连接，所述第三电阻的另一端与所述第四与非门的输出端连接，所述第四与非门的输出端与所述第二与非门的第二输入端连接。

根据本发明的一个实施例，所述MOS管控制单元包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻、第五电容、第六电容、第一开关管和第二开关管，其中，所述第四电阻和所述第五电容并联的一端与所述第三与非门的输出端连接，另一端分别与所述第一开关管和所述第二开关管的控制端连接，所述第一开关管的源极连接第三电源和第六电容的一端，所述第六电容的另一端接地，所述第一开关管的漏极分别与所述第二开关管的漏极和第五电阻的一端连接，所述第二开关管的源极接地，所述第五电阻的另一端分别与所述MOS管的控制端和所述第六电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端接地。

根据本发明的一个实施例，所述LC振荡电路包括第一LC振荡电路单元和第二LC振荡电路单元，所述第一LC振荡电路单元的输入端用于输入所述直流源信号，所述第一LC振荡电路的输出端分别与所述第二LC振荡电路的输入端和所述MOS管的第二端连接，所述MOS管的第三端接地，所述第二LC振荡电路的输出端与所述相控阵超声换能器相应的阵元连接。

根据本发明的一个实施例，所述第一LC振荡电路单元包括：惠斯通电桥、第七电容、第八电容、第九电容、第七电阻、第一电感、第一二极管，所述惠斯通电桥的第一端和第二端分别连接所述直流源信号，所述惠斯通电桥的第四端接地，所述惠斯通电桥的第三端分别与所述第七电容的一端、所述第七电阻的一端连接，所述第七电容的另一端接地，所述第七电阻的另一端分别与第四电源和第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极与所述第一电感的第一端连接，所述第一电感的第二端接地，所述第一电感的第三端分别与所述第八电容的一端、所述第七电容的一端连接，所述第八电容的另一端接地，所述第一电感的第四端分别与所述第九电容的一端和所述第二LC振荡电路单元连接，所述第九电容的另一端接地。

根据本发明的一个实施例，所述第二LC振荡电路单元包括：第十电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第十四电容、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第二电感、第二二极管，所述第十电容的一端连接所述第九电容的另一端，所述第十电容的另一端连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接所述第二二极管的阳极，所述第二二极管的阴极与所述第八电阻的一端连接，所述第八电阻的另一端与所述第九电阻和所述第十一电容并联的一端连接，所述第九电阻和所述第十一电容并联的另一端与所述第二电感的第三端连接，所述第二电感的第四端分别与所述第十二电容的一端连接，所述第十二电容的另一端与所述第十三电容的一端连接，所述第十二电容的另一端接地，所述第十三电容的另一端与所述第十电阻的一端连接，所述第十电阻的一端接地，所述第十电阻的另一端与所述第九电阻和所述第十一电容并联的另一端连接，所述第二电感的第四端还与所述第十四电容的一端连接，所述第十四电容的另一端接地，所述第十四电容的一端与所述相控阵超声换能器连接。

根据本发明的一个实施例，所述用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统还包括：

硬件延时补偿模块，所述硬件延时补偿模块的输入端与多个所述LC振荡电路的输出端连接，所述硬件延时补偿模块的输出端与所述相控阵超声换能器连接。

根据本发明实施例提出的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统，包括：PC机、FPGA聚焦延时模块、I/O通道扩展模块、多个基频控制电路和多个LC振荡电路，基频控制电路与LC振荡电路一一对应；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，FPGA聚焦延时模块用于根据各个通道的聚焦激励参数计算各个通道的聚焦延时数据，并结合各个通道的聚焦延时数据输出与各个通道对应的携带聚焦延时数据的PWM波，各个通道对应的携带聚焦延时数据的PWM波经I/O通道扩展模块输入至相应的基频控制电路中，各个LC振荡电路依据基频控制电路输出的基频信号，将直流源信号振荡为正弦波信号并输出至相控阵超声换能器的相应通道中。以通过该激励系统激励出高幅值的正弦波，具有零高频分量，可以减少负载发热以及压电陶瓷震动损耗，可显著提高相控阵超声换能器的使用寿命。

附图说明

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

图3是本发明一个实施例提出的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统的电路原理图；

图4是本发明另一个实施例提出的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统的方框示意图。

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。

现有技术中存在以下缺点，(1)传统超声换能器激励源系统使用高压高频方波进行激励，由于方波的高频分量会造成超声换能器的发热和损坏。(2)由于基于PWM放大的功率放大器通常需要设置死区，导致波形精度低，实际激励波形不是标准方波或是标准正弦，且不能发射准确频率的脉冲信号。(3)传统激励装置通道数较少，通常只能同时激励8-16个通道。

由此，为了解决上述问题，本发明提出了一种用于提高幅值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幅值的相控阵超声换能器激励系统的方框示意图。如图1所示，该用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统100包括：

PC机101、FPGA聚焦延时模块102、I/O通道扩展模块103、多个基频控制电路和多个LC振荡电路，基频控制电路104与LC振荡电路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，FPGA聚焦延时模块102用于根据各个通道的聚焦激励参数计算各个通道的聚焦延时数据，并结合各个通道的聚焦延时数据输出与各个通道对应的携带聚焦延时数据的PWM波，各个通道对应的携带聚焦延时数据的PWM波经I/O通道扩展模块103输入至相应的基频控制电路104中，各个LC振荡电路105依据基频控制电路104输出的基频信号，将直流源信号振荡为正弦波信号并输出至相控阵超声换能器106的相应通道中。

可以理解的是，相控阵超声换能器各个通道的聚焦激励参数如激励阵元数量，阵元宽度，阵元与阵元间距，激励超声传播介质等聚焦激励参数由PC机使用Quartus_Prime软件控制。FPGA聚焦延时模块102根据各个通道的聚焦激励参数计算各个通道的聚焦延时数据，并结合各个通道的聚焦延时数据输出与各个通道对应的携带聚焦延时数据的PWM波，各个通道对应的PWM波控制相应的基频控制电路104向对应的LC振荡电路105输出基频信号，使得LC振荡电路105基于基频信号，将直流源信号振荡为正弦波信号，输出至相控阵超声换能器106的相应通道中，以供各个阵元进行工作。使用该激励系统可以激励出高幅值的正弦波，由于正弦波具有零高频分量，可以减少负载发热以及压电陶瓷震动损耗，可显著提高相控阵超声换能器的使用寿命。

需要说明的是，FPGA聚焦延时模块102输出的PWM波仅控制基频控制电路104向对应的LC振荡电路105输出基频信号，以供LC振荡电路105将直流源信号振荡为正弦波信号。PWM波不但携带聚焦延时信息，同时还可控制相控阵超声换能器激励脉冲的占空比，该模块主频可达250MHz，最高支持4ns精度的延时，可精确调制激励波形。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，基频控制电路104包括：

光耦电路单元107、与非门电路单元108、晶体振荡器单元109、MOS管控制单元110和MOS管111，光耦电路单元107输入端与I/O通道扩展模块103连接，光耦电路单元107的输出端与与非门电路单元108的输入端连接，晶体振荡器单元109的输出端与与非门电路单元108的输入端连接，与非门电路单元108的输出端与MOS管控制单元110连接，MOS管111根据MOS管控制单元110输出的电平信号处于打开状态或关闭状态，以为LC振荡电路105提供基频信号。

需要说明的是，晶体振荡器单元109在接收外界的压力后，产生电信号，即基频信号，光耦电路单元107接收FPGA聚焦延时模块102输出的PWM信号，光耦电路单元107中的光耦随PWM波的电平信号的高低不同处于到导通状态或断开状态，即“0或1”的状态输入至与非门电路单元108的输入端，晶体振荡器单元109产生的基频信号“1”的状态输入至与非门的电路单元108的输入端，由于与非门电路单元108的输出端与MOS管控制单元110的控制端连接，进而通过PWM信号控制的光耦电路单元107输出的信号、晶体振荡器单元109产生的基频信号经过与非门电路单元108后输出对MOS管控制单元110的控制端的控制信号，并当MOS管导通时，为LC振荡电路105提供基频信号。

下面来详细介绍电路的结构以及原理。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，光耦电路单元107包括：第一电源芯片112、光耦113和第一电容C1，光耦113的第一端1和第二端2分别输入PWM波信号，光耦113的第三端3与第一电源芯片112的输出端连接，光耦113的第四端4接地，光耦113的第五端5与与非门电路单元108连接，第一电源芯片112为光耦113供电，第一电源芯片112的输出端还与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端接地。

其中，第一电源芯片112为光耦113供电，当光耦113的第一端1输入高电平，第二端2输入低电平时，光耦113导通，反之，当光耦113第一端1输入低电平，第二端2输入高电平时，光耦113断开。也就是说，光耦113的第一端1和第二端2输入的PWM波相差半个周期。当光耦113导通时，光耦113的第五端5输出高电平，当光耦113断开时，光耦113的第五端5输出低电平。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，与非门电路单元108包括：第一与非门114、第二与非门115、第三与非门116和第一电阻R1，第一与非门114的第一输入端1连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端与第二电源VDD2连接，第一与非门114的第一输入端1与第二输入端2连接，第一与非门114的第二输入端2与光耦113的第五端5连接；

第一与非门114的输出端3与第二与非门115的第一输入端1连接，第二与非门115的第二输入端2与晶体振荡器单元109连接，第二与非门115的输出端3分别与第三与非门116的第一输入端1和第二输入端2连接，第三与非门116的输出端3与MOS管控制单元110的输入端连接。

其中，当光耦113导通时，光耦113的第五端5输出高电平，进而输入至第一与非门114的第二输入端2，第一与非门114的第一输入端1和第二输入端2均为高电平，进而第一与非门114的输出端3输出的为低电平。当光耦113断开时，光耦113的第五端5输出低电平，进而输入至第一与非门114的第二输入端2，第一与非门114第一输入端1和第二输入端2均为低电平，此时第一与非门114的输出端3输出高电平。

当第一与非门114的输出端3为高电平时，即第二与非门115的第一输入端1为高电平，若第二与非门115的第二输入端2为低电平时，那么第二与非门115的输出端3为高电平；若第二与非门115的第二输入端2为高电平时，那么第二与非门115的输出端3为低电平。

当第一与非门114的输出端3为低电平时，即第二与非门115的第一输入端1为低电平，若第二与非门115的第二输入端2为低电平时，那么第二与非门115的输出端3为高电平；若第二与非门115的第二输入端2为高电平时，那么第二与非门115的输出端3为高电平。

当第二与非门115的输出端3为高电平时，第三与非门116的第一输入端1和第二输入端2均为高电平，则第三与非门116的输出端3为低电平。当第二与非门115的输出端3为低电平时，第三与非门116的第一输入端1和第二输入端2均为低电平，则第三与非门116的输出端3为高电平。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，晶体振荡器单元109包括：第四与非门117、第二电阻R2、第三电阻R3、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4，第二电容C2和第三电容C3的一端均接地，第二电容C2的另一端与第四电容C4的一端连接，第三电容C3的另一端与第四电容C4的另一端连接，第四电容C4的另一端还与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端与第四与非门117的输出端3连接，第四电容C4的一端还与第四与非门117的第一输入端1和第二输入端2连接，第三电阻R3的一端与第四与非门117的第一输入端1和第二输入端2连接，第三电阻R3的另一端与第四与非门117的输出端3连接，第四与非门117的输出端与第二与非门115的第二输入端2连接。

其中，当对第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4充电时，第四与非门117的第一输入端1和第二输入端2均为高电平，输出端3为低电平；当第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4充满电时，第四与非门117的第一输入端1和第二输入端2均为低电平，输出端3为高电平；当第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4充满电进行放电时，第四与非门117的第一输入端1和第二输入端2均为高电平，输出端3为低电平。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，MOS管控制单元110包括：第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第五电容C5、第六电容C6、第一开关管Q1和第二开关管Q2，其中，第四电阻R4和第五电容C5并联的一端与第三与非门116的输出端3连接，另一端分别与第一开关管Q1和第二开关管Q2的控制端连接，第一开关管Q1的源极连接第三电源VDD3和第六电容C6的一端，第六电容C6的另一端接地，第一开关管Q1的漏极分别与第二开关管Q2的漏极和第五电阻R5的一端连接，第二开关管Q2的源极接地，第五电阻R5的另一端分别与MOS管111的控制端和第六电阻R6的一端连接，第六电阻R6的另一端接地。

其中，第一开关管Q1为NPN三极管，第二开关管Q2为PNP三极管，MOS管111为NMOS管。当第三与非门116的输出端3输出高电平时，第一开关管Q1导通，第二开关管Q2断开，MOS管111导通。当第三与非门116的输出端3输出低电平时，第一开关管Q1断开，第二开关管Q2关闭，MOS管111断开。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，LC振荡电路105包括第一LC振荡电路单元和第二LC振荡电路单元，第一LC振荡电路单元的输入端用于输入直流源信号，第一LC振荡电路的输出端分别与第二LC振荡电路的输入端和MOS管111的第二端连接，MOS管111的第三端接地，第二LC振荡电路的输出端与相控阵超声换能器106相应的阵元连接。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，第一LC振荡电路单元包括：惠斯通电桥118、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第七电阻R7、第一电感L1、第一二极管D1，惠斯通电桥118的第一端1和第二端2分别连接直流源信号，惠斯通电桥118的第四端4接地，惠斯通电桥118的第三端3分别与第七电容C7的一端、第七电阻R7的一端连接，第七电容C7的另一端接地，第七电阻R7的另一端分别与第四电源VCC和第一二极管D1的阴极连接，第一二极管D1的阳极与第一电感L1的第一端1连接，第一电感L1的第二端2接地，第一电感L1的第三端3分别与第八电容C8的一端、第七电容C7的一端连接，第八电容C8的另一端接地，第一电感L4的第四端4分别与第九电容C9的一端和第二LC振荡电路单元连接，第九电容C9的另一端接地。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，第二LC振荡电路单元包括：第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第二电感L2、第二二极管D2，第十电容C10的一端连接第九电容C9的另一端，第十电容C10的另一端连接第二电感L2的第一端1，第二电感L2的第二端2连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极与第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端与第九电阻R9和第十一电容C11并联的一端连接，第九电阻R9和第十一电容C11并联的另一端与第二电感L2的第三端3连接，第二电感L2的第四端4分别与第十二电容C12的一端连接，第十二电容C12的另一端与第十三电容C13的一端连接，第十二电容C12的另一端接地，第十三电容C13的另一端与第十电阻R10的一端连接，第十电阻R10的一端接地，第十电阻R10的另一端与第九电阻R9和第十一电容C11并联的另一端连接，第二电感L2的第四端4还与第十四电容C14的一端连接，第十四电容C14的另一端接地，第十四电容C14的一端与相控阵超声换能器106连接。

其中，MOS管111在高电平时导通，使得第一LC振荡电路单元与第二LC振荡电路单元中间的连接点v点的电位为零，此时，第一电感L1和第二电感L2均存在电流，其值等于通过MOS管111的电流，起到保护MOS管111不被烧坏的作用。当MOS管111导通后，LC振荡电路105相当于并联谐振。

当MOS管111在低电平时断开，使得第一LC振荡电路单元与第二LC振荡电路单元中间的连接点v点的电位不为零，当MOS管111断开后，LC振荡电路105相当于串联谐振。进而输出高幅值的正弦波。

详细推导过程如下：

当MOS管导通时，v为零，第一LC振荡电路单元和第二LC振荡电路单元并联。此时，

也即，

也即，

当MOS管断开时，第一LC振荡电路单元和第二LC振荡电路单元串联，此时，

其中，根据伏秒平衡条件ΔI₁＝ΔI₂＝ΔI。

由于，

又由于

所以，

进而，t_on＝t_off，又由于t_on+t_off＝T，所以t_on＝t_off＝ΔT，所以，

又由于

进而v＝2v_in。

进而，当MOS管断开时，以原先2v_in的幅值输入，从而，提高了最终输出的正弦波的幅值，幅值约为±200V。

具体来说，如图3所示，信号输出装置119的第一端1和第二端2输出直流源信号，第三端3和第四端4输出PWM波，第五端5和第六端6悬空即不接入信号，当光耦113的第一端1输入高电平，第二端2输入低电平时，光耦113导通，光耦的第五端5输出高电平，第一与非门114的第一输入端1和第二输入端2均为高电平，输出端3输出低电平，第二与非门115的第一输入端1为低电平，此时，不管晶体振荡器单元109中第四与非门117的输出端3输出的是高电平还是低电平，第二与非门115的输出端3为高电平，第三与非门的第一输入端1和第二输入端2均为高电平，输出端3为低电平，此时，第二开关管Q2导通，第一开关管Q1断开，MOS管111断开，第一LC振荡电路单元和第二LC振荡电路单元串联。

当光耦113的第一端1输入低电平，第二端2输入高电平时，光耦113断开，光耦的第五端5输出低电平，第一与非门114的第一输入端1和第二输入端2均为低电平，输出端3输出高电平，第二与非门115的第一输入端1为高电平，此时，当晶体振荡器单元109中第四与非门117输出端3输出的是高电平时，第二与非门115的输出端3为低电平，第三与非门的第一输入端1和第二输入端2均为低电平，输出端3为高电平，此时，第二开关管Q2断开，第一开关管Q1导通，MOS管111导通，第一LC振荡电路单元和第二LC振荡电路单元并联。当晶体振荡器单元109中第四与非门117的输出端3输出的是低电平，第二与非门115的输出端3为高电平，第三与非门的第一输入端1和第二输入端2均为高电平，输出端3为低电平，此时，第二开关管Q2导通，第一开关管Q1断开，MOS管111断开，第一LC振荡电路单元和第二LC振荡电路单元串联。

总的来说，当光耦113导通时，不论晶体振荡器单元109是否输出基频信号，MOS管111均处于断开状态；当光耦113断开时，只有晶体振荡器单元109输出基频信号时，MOS管111才处于导通状态，在其他的时候，MOS管111均处于断开状态，由此，光耦113的导通与断开以及晶体振荡器单元109输出的基频信号决定了MOS管111是否导通。光耦113在该电路系统中起到开关作用。在光耦113处于导通时，LC振荡电路105由于未接收到基频信号，进而不进行振荡正弦的工作，换言之，整个系统处于不工作状态。在光耦113处于断开时，LC振荡电路105接收到基频信号时，即MOS管导通时，不进行振荡正弦，当LC振荡电路105接收到基频信号后，即MOS管导通又断开后，进行振荡正弦。也就是说，FPGA聚焦延时模块102输出的PWM波仅仅只控制光耦113的导通与断开，并无其他作用。

而由于LC振荡电路105的输入信号为直流源信号，幅值高于现有技术中的方波信号的幅值。传统相控阵超声换能器可提供±20～±50V幅值高频正弦激励，±100V的方波激励，而本系统激励的正弦波为±200V的高频正弦，功率是传统激励源的16倍。

需要说明的是，基频控制电路104与LC振荡电路105中还包括稳压电路单元120，如图3所示，该稳压电路单元120包括第十五电容C15，第十六电容C16，第十七电容C17和稳压器121。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，用于提高幅值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120，硬件延时补偿模块120的输入端与多个LC振荡电路105的输出端连接，硬件延时补偿模块120的输出端与相控阵超声换能器106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120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。

本发明实施例提出的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统100，可以提高TMAS使用的聚焦声场强度，进而提高TMAS电场，该用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统100还可广泛应用于所有具有特有频率的超声相控阵换能器中，可提供更高幅值以激励超声换能器提供更大声强。也就是当晶体振荡器单元的基频发生改变时，可以振荡出不同频率的正弦波。

另外，本发明实施例提出的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统100与传统相控阵超声换能器激励系统不同，该用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统100将激励信号发生装置与激励信号放大装置合二为一，不做时序信号放大，直接由FPGA发射PWM波进行多通道脉冲聚焦控制，且使用晶体振荡器固定频率，不同型号的晶体振荡器可提供不同频率的正弦脉冲，由该高压高频正弦电路直接作用于相控阵超声换能器两端进行换能器聚焦激励。

再者，本发明实施例提出的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统100具有以下优点，1)使用晶体振荡器决定激励脉冲的正弦频率，具有稳定，抗干扰性能良好的优点且由于使用逻辑门控制晶体振荡器，故可使用多种晶体振荡器开关相连使该系统频率可调，而不需要改变电路，克服了晶振电路频率固定的缺点。2)传统相控阵超声换能器可提供±20～±50V幅值高频正弦激励，±100V的方波激励，本模块使用LC振荡电路可提供最高±200V高频正弦激励，功率是传统激励源的16倍，且正弦激励相较方波激励具有零高频分量，可减少负载发热以及压电陶瓷震动损耗，可显著提高超声相控阵换能器使用寿命。3)传统激励系统发射带有时序信息的正弦脉冲，而本激励系统使用FPGA发射PWM波控制正弦波的发射与终止，使用与非逻辑门，PWM波高电平控制正弦信号发射，PWM波低电平控制正弦信号结束，使实际使用时调制正弦脉冲编程更加简单，方便。4)本系统将激励信号发生装置与激励信号放大装置合二为一，通过使用晶体振荡器提供电路基准频率，LC谐振调制正弦，相较其他激励系统组装更加简单，重量更低，可用于扩展更多通道的相控阵换能器聚焦控制。

总的来说，(1)本系统使用LC振荡电路振荡出正弦脉冲进行脉冲激励，其他系统通常使用方波直接激励或SPWM，三态波模拟正弦激励。(2)本系统只需要输入PWM指令信号，一级直流电源，可通过模拟电路直接振荡出正弦，传统其他系统需进行编辑正弦，正弦放大两部分，本系统更加方便，快捷。(3)本系统不需要搭建功率放大器，输出幅度不依赖MOSFET和高频变压器的性能，相较其他系统可提供更大的电压幅值。

即言，本系统可通过PC机编程设置换能器相关参数以及预期发射正弦调制脉冲的占空比等数值通过发射PWM波的方式由硬件模拟电路直接转化为正弦，对超声相控阵换能器进行精准的正弦聚焦激励，该方法输出正弦幅值更高，正弦波形精确性由LC振荡电路决定，编程简单，方便，只需要发射高地电平控制逻辑1/0即可。

综上所述，根据本发明实施例提出用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统，包括：PC机、FPGA聚焦延时模块、I/O通道扩展模块、多个基频控制电路和多个LC振荡电路，基频控制电路与LC振荡电路一一对应；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，FPGA聚焦延时模块用于根据各个通道的聚焦激励参数计算各个通道的聚焦延时数据，并结合各个通道的聚焦延时数据输出与各个通道对应的携带聚焦延时数据的PWM波，各个通道对应的携带聚焦延时数据的PWM波经I/O通道扩展模块输入至相应的基频控制电路中，各个LC振荡电路依据基频控制电路输出的基频信号，将直流源信号振荡为正弦波信号并输出至相控阵超声换能器的相应通道中。以通过该激励系统激励出高幅值的正弦波，具有零高频分量，可以减少负载发热以及压电陶瓷震动损耗，可显著提高相控阵超声换能器的使用寿命。

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 (10)

1.一种用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，包括：

PC机、FPGA聚焦延时模块、I/O通道扩展模块、多个基频控制电路和多个LC振荡电路，所述基频控制电路与所述LC振荡电路一一对应；

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FPGA聚焦延时模块用于根据所述各个通道的聚焦激励参数计算各个通道的聚焦延时数据，并结合所述各个通道的聚焦延时数据输出与各个通道对应的携带聚焦延时数据的PWM波，各个通道对应的携带聚焦延时数据的PWM波经所述I/O通道扩展模块输入至相应的所述基频控制电路中，各个所述LC振荡电路依据所述基频控制电路输出的基频信号，将直流源信号振荡为正弦波信号并输出至所述相控阵超声换能器的相应通道中。

2.根据权利要求1所述的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述基频控制电路包括：

光耦电路单元、与非门电路单元、晶体振荡器单元、MOS管控制单元和MOS管，所述光耦电路单元输入端与所述I/O通道扩展模块连接，所述光耦电路单元的输出端与所述与非门电路单元的输入端连接，所述晶体振荡器单元的输出端与所述与非门电路单元的输入端连接，所述与非门电路单元的输出端与所述MOS管控制单元连接，所述MOS管根据所述MOS管控制单元输出的电平信号处于打开状态或关闭状态，以为所述LC振荡电路提供基频信号。

3.根据权利要求2所述的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述光耦电路单元包括：第一电源芯片、光耦和第一电容，所述光耦的第一端和第二端分别输入所述PWM波信号，所述光耦的第三端与所述第一电源芯片的输出端连接，所述光耦的第四端接地，所述光耦的第五端与所述与非门电路单元连接，所述第一电源芯片为所述光耦供电，所述第一电源芯片的输出端还与所述第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述与非门电路单元包括：第一与非门、第二与非门、第三与非门和第一电阻，所述第一与非门的第一输入端连接所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端与第二电源连接，所述第一与非门的第一输入端与第二输入端连接，所述第一与非门的第二输入端与所述光耦的第五端连接；

所述第一与非门的输出端与所述第二与非门的第一输入端连接，所述第二与非门的第二输入端与所述晶体振荡器单元连接，所述第二与非门的输出端分别与第三与非门的第一输入端和第二输入端连接，所述第三与非门的输出端与所述MOS管控制单元的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述晶体振荡器单元包括：第四与非门、第二电阻、第三电阻、第二电容、第三电容和第四电容，所述第二电容和所述第三电容的一端均接地，所述第二电容的另一端与所述第四电容的一端连接，所述第三电容的另一端与所述第四电容的另一端连接，所述第四电容的另一端还与第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第四与非门的输出端连接，所述第四电容的一端还与所述第四与非门的第一输入端和第二输入端连接，所述第三电阻的一端与所述第四与非门的第一输入端和第二输入端连接，所述第三电阻的另一端与所述第四与非门的输出端连接，所述第四与非门的输出端与所述第二与非门的第二输入端连接。

6.根据权利要求4所述的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述MOS管控制单元包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻、第五电容、第六电容、第一开关管和第二开关管，其中，所述第四电阻和所述第五电容并联的一端与所述第三与非门的输出端连接，另一端分别与所述第一开关管和所述第二开关管的控制端连接，所述第一开关管的源极连接第三电源和第六电容的一端，所述第六电容的另一端接地，所述第一开关管的漏极分别与所述第二开关管的漏极和第五电阻的一端连接，所述第二开关管的源极接地，所述第五电阻的另一端分别与所述MOS管的控制端和所述第六电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端接地。

7.根据权利要求2所述的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述LC振荡电路包括第一LC振荡电路单元和第二LC振荡电路单元，所述第一LC振荡电路单元的输入端用于输入所述直流源信号，所述第一LC振荡电路的输出端分别与所述第二LC振荡电路的输入端和所述MOS管的第二端连接，所述MOS管的第三端接地，所述第二LC振荡电路的输出端与所述相控阵超声换能器相应的阵元连接。

8.根据权利要求7所述的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述第一LC振荡电路单元包括：惠斯通电桥、第七电容、第八电容、第九电容、第七电阻、第一电感、第一二极管，所述惠斯通电桥的第一端和第二端分别连接所述直流源信号，所述惠斯通电桥的第四端接地，所述惠斯通电桥的第三端分别与所述第七电容的一端、所述第七电阻的一端连接，所述第七电容的另一端接地，所述第七电阻的另一端分别与第四电源和第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极与所述第一电感的第一端连接，所述第一电感的第二端接地，所述第一电感的第三端分别与所述第八电容的一端、所述第七电容的一端连接，所述第八电容的另一端接地，所述第一电感的第四端分别与所述第九电容的一端和所述第二LC振荡电路单元连接，所述第九电容的另一端接地。

9.根据权利要求8所述的用于提高幅值的相控阵超声换能器激励系统，其特征在于，所述第二LC振荡电路单元包括：第十电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第十四电容、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第二电感、第二二极管，所述第十电容的一端连接所述第九电容的另一端，所述第十电容的另一端连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接所述第二二极管的阳极，所述第二二极管的阴极与所述第八电阻的一端连接，所述第八电阻的另一端与所述第九电阻和所述第十一电容并联的一端连接，所述第九电阻和所述第十一电容并联的另一端与所述第二电感的第三端连接，所述第二电感的第四端分别与所述第十二电容的一端连接，所述第十二电容的另一端与所述第十三电容的一端连接，所述第十二电容的另一端接地，所述第十三电容的另一端与所述第十电阻的一端连接，所述第十电阻的一端接地，所述第十电阻的另一端与所述第九电阻和所述第十一电容并联的另一端连接，所述第二电感的第四端还与所述第十四电容的一端连接，所述第十四电容的另一端接地，所述第十四电容的一端与所述相控阵超声换能器连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述的用于提高幅值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的输入端与多个所述LC振荡电路的输出端连接，所述硬件延时补偿模块的输出端与所述相控阵超声换能器连接。

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