脉冲数字式超声相控阵发射系统设计

　　1引言

　　超声相控阵检测技术以其灵活的声束偏转和聚焦性能越来越引起人们的重视。为了实现声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。数字式延迟由于精度高、控制方便,稳定性好等优点,因此本文研制了多通道、高精度、脉冲数字式超声相控阵发射系统,阐明了电路原理和结构,对关键问题提出了解决方案。该系统适用于中心频率为0.1~10MHz相控阵换能器,能够根据实际检测要求,灵活地控制每个通道的延迟时间和脉冲宽度。

　　2超声相控阵发射系统总体设计及组成

　　组成超声相控阵发射系统是超声相控阵检测系统中重要的组成部分,由于脉冲式激励提供了更好的轴向分辨率,因此本文研制了8通道、脉冲数字式发射系统。其工作原理图如图1所示,主要由基于现场可编程门阵列(FPGA)发射波束形成器、可编程延迟电路和脉冲电压放大电路及保护电路组成。

　　在发射系统设计中,为了满足不同的检测要求,选择Altera公司的可编程逻辑器件EP2C8Q208,通过编程分别给每个发射通道提供延迟和脉宽可调的脉冲波。

　　为了实现10ns以内的细延迟,本文选用延迟精度为1ns的DS1020-100芯片,每个通道采用三个芯片串联的方式,在串行可编程模式下,从串行端口D输入的8位数值确定延迟时间;并且由于DS1020输出脉冲宽度和输入脉冲宽度是相等的, 因此只需在FPGA内调整脉冲宽度,就能在DS1020输出期望的脉冲宽度,使电路设计更加简单。

　　在发射系统中,需要高压输出脉冲激励超声换能器,因此经过细延迟后的脉冲信号必须经过放大才能驱动换能器。高压脉冲产生电路是各种脉冲超声检测仪器的核心电路, 利用分立元件搭建的高压脉冲放大电路, 不仅会占用更多的印刷电路板面积,而且性能也受到一定的影响,因此本文利用HV732单片集成芯片设计高压脉冲发生器。

　　设计原理图如图2所示,其中PIN、NIN分别为脉冲信号的输入引脚,DAMP是使信号快速归零的输入引脚,输出端经过两个二极管BAV99差动输出。

　　由于在发射和接收方式下使用相同的换能器,换能器也要连接到接收电路的放大器,因此在发射高压脉冲波过程中,接收系统的放大器必须避免高压源的破坏, 而且在接收回波过程中,最好在电路中去除高压源来消除脉冲发生器的噪声。因此本文在发射端采用交叉二极管电桥式保护电路,来隔离发射高压脉冲。

　　3关键技术

　　3.1相位延迟

　　在相控发射中,需要精确控制相位延迟,实现动态聚焦、偏转和声束形成等各种相控效果。相控延迟精度对声束特性的影响很大,就声束的旁瓣声压而言,研究表明延迟量化误差产生离散的误差旁瓣,从而降低图像的动态范围。其均方根延迟量化误差与主瓣振幅之比为公式(1)所示: