H橋超聲發(fā)射電路設(shè)計范文

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超聲成像技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡單、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題[1]。隨著超聲技術(shù)的發(fā)展，采用不同的發(fā)射信號用于成像已成為一個重要的研究方向，如采用LFM（LinearFrequencyModulatedWave），二相編碼信號等。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，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)物制作測試驗證本電路產(chǎn)生波形滿足設(shè)計要求，并可以用于超聲探測和成像系統(tǒng)。

1超聲發(fā)射電路系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計框圖超聲發(fā)射系統(tǒng)分為：FPGA主控模塊、H橋功率放大模塊、LPF(LowPassFilter)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USB模塊傳遞給FPGA，由FPGA產(chǎn)生PWM調(diào)制波，再通過H橋功率放大模塊將所需信號進(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)行信號電壓放大，最后將需要的波形信號加載到探頭發(fā)射。同時FPGA還負(fù)責(zé)與PC通信和實(shí)際回波的數(shù)據(jù)存儲的功能。

1.2PWM產(chǎn)生采樣控制理論中有一個重要的結(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，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)前波形信號而產(chǎn)生脈沖寬度變化等效的PWM波形即波形對發(fā)射信號與預(yù)設(shè)的對比信號進(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在同樣時間內(nèi)取得面積相等，同時系統(tǒng)輸出的信號的頻率和大小可以通過改變調(diào)制波的頻率和幅值來調(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。同時結(jié)合1.3節(jié)的H橋電路有上下兩個方向通路的優(yōu)點(diǎn)，如圖2所示，將需要發(fā)射的信號根據(jù)信號正負(fù)幅值分解成正向信號與逆向信號，這樣不僅可以簡化PC給FPGA發(fā)送發(fā)射信號的難度，還可以降低PWM調(diào)制的復(fù)雜性。

1.3H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。本文的H橋功率放大電路如圖4所示，由4個開關(guān)MOS管與低通濾波器組成。其中Q1與Q4為P溝道開關(guān)管，Q2與Q3為N溝道開關(guān)管。H橋的通路特性為正向的PWM信號控制Q1與Q3打開，此時發(fā)射信號通過低通濾波器正向通過變壓器，反之Q2與Q4導(dǎo)通，電流方向相反。本系統(tǒng)所采用的開關(guān)模式管器件為FDS4559，因為P溝道與N溝道的開關(guān)管的本身特性，所以其開關(guān)的開通和關(guān)斷時間也存在著差異。其中P溝道開通上升沿時間為38ns，下降沿時間為50ns，N溝道開通上升沿時間則為34ns，下降沿時間為56ns，所以該H橋可以實(shí)現(xiàn)(1/60ns)對10MHz以內(nèi)的信號進(jìn)行功率放大。當(dāng)信號頻率改變時，只需根據(jù)所需要的頻率來調(diào)節(jié)相應(yīng)的低通濾波器，無需對硬件模塊進(jìn)行較大的改動。同時系統(tǒng)的通斷也由PWM信號控制，當(dāng)系統(tǒng)沒有信號輸入時，Q1與Q4均保持關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)同時給P溝道與N溝道開通信號時，由于N溝道較P溝道導(dǎo)通時間快，所以先與地相通做好回路開通準(zhǔn)備，而當(dāng)關(guān)斷信號開通時，P溝道先于N溝道關(guān)閉，這樣可以避免逆向控制信號串入造成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減少諧波含量。本設(shè)計中的低通濾波器采用現(xiàn)在較為成熟的T型無源濾波器[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又不會引起諧振問題,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。

2仿真及實(shí)驗結(jié)果

2.1仿真結(jié)果本設(shè)計仿真采用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100kΩ電阻代替，H橋功率放大由N溝道的RF9530和P溝道的RF9550兩對對管構(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500kHz頻率)，正向信號源采用幅值12V、頻率500kHz的方波信號，逆向信號源則通過對正向信號延時半個周期獲得。軟件示波器測試經(jīng)過低通濾波器后進(jìn)入變壓器前的信號，以及經(jīng)過變壓器進(jìn)行電壓放大后加載到探頭上的波形信號。測試的波形為圖7所示，信道A為變壓器原邊波形，信道B則為通過變壓器后加載到探頭的波形，從圖上可以看出經(jīng)過變壓器波形信號為500kHz的正弦波，保持了頻率不變的特性，信號的幅值也由12V的轉(zhuǎn)變?yōu)椤?40V，達(dá)到了驅(qū)動探頭的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2實(shí)驗結(jié)果為驗證本系統(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500kHz的正弦脈沖波調(diào)制成的兩個正半周期，兩個負(fù)半周期的不規(guī)則發(fā)射波形，測試單一通道的效果。實(shí)際測試的探頭為福州大禹超聲公司的DYW-500-E型號500K水聲探頭，該探頭的起振電壓為±150V，峰值電壓為±800V。本系統(tǒng)采用的電源電壓為48V，加載到探頭上的波形信號為圖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)制兩個正半周期，兩個負(fù)半周期相同，同時波形峰峰值達(dá)到±242V，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)動電路功率高，可實(shí)現(xiàn)軟啟動，正逆向通道可以簡化發(fā)射信號產(chǎn)生；同時該電路與上位機(jī)軟件結(jié)合，不僅可以實(shí)現(xiàn)在10MHz頻率以內(nèi)的幾乎任意波形的調(diào)制發(fā)射，還可以方便拓展多個通道，適應(yīng)多種超聲發(fā)射的場合。最后通過軟件仿真和實(shí)驗對比的方式驗證該發(fā)射電路的有效性。

作者：李鵬 陳賽 柴文兵 單位：南京信息工程大 學(xué) 電子與信息工程學(xué)院 南京信息工程大 學(xué) 江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗室 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心