彈性成像激發裝置超聲波發射電路的製作方法
2023-09-16 05:08:45
彈性成像激發裝置超聲波發射電路的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種彈性成像激發裝置超聲波發射電路，包括脈衝信號產生模塊、功率放大模塊以及超聲換能器，所述脈衝信號產生模塊包括PWM波產生電路、方波產生電路、與門電路以及脈衝寬度調製電路，所述PWM波產生電路用於產生脈衝寬度可調的PWM波信號，所述方波產生電路用於產生高頻方波信號，該高頻方波信號與所述PWM波信號經過所述與門電路進行調製，從而調節送入所述功率放大模塊的方波脈衝個數，所述脈衝寬度調製電路用於調整送入所述功率放大模塊的脈衝信號佔空比。其顯著效果是：本電路實現環節少，採用了E類功率放大器進行處理，大大提高了功率放大效率，並實現了輸出超聲波功率的調節。
【專利說明】彈性成像激發裝置超聲波發射電路
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及到醫學超聲脈衝彈性成像【技術領域】，具體地說，是一種彈性成像激發裝置超聲波發射電路。
【背景技術】
[0002]醫學超聲輻射力彈性成像以其獨特的高分辨力、實時性檢測、使用便捷、價格低廉等優點，已成為現代醫學中不可或缺的檢測組織手段。
[0003]在現有超聲輻射力彈性成像技術中多採用電容式發射電路，產生的電壓脈衝信號主要通過引入外部升壓模塊對直流電壓進行升壓，即將直流電先轉換成交流電，再經過變壓環節將電壓提升，然後產生激發超聲換能器所需要的電壓脈衝，再通過超聲換能器講點能量轉換為聲能量輸出。這種方法儘管比較成熟，但存在實現環節多，功率放大效率低，電能利用效率低，功耗較大，輸出功率不可調等不足，在醫學超聲輻射力彈性成像等對功耗要求苛刻的場合，問題顯得尤為突出。
實用新型內容
[0004]針對現有技術的不足，本實用新型的目的是提供一種彈性成像激發裝置超聲波發射電路，該電路實現環節少，功率放大效率高，輸出功率可調。
[0005]為達到上述目的，本實用新型表述一種彈性成像激發裝置超聲波發射電路，包括脈衝信號產生模塊、功率放大模塊以及超聲換能器，所述脈衝信號產生模塊用於產生高頻電脈衝信號，所述功率放大模塊對高頻電脈衝信號的功率進行放大，所述超聲換能器將功率放大模塊輸出的電信號轉換為超聲波信號輸出，其關鍵在於:所述脈衝信號產生模塊包括PWM波產生電路、方波產生電路、與門電路以及脈衝寬度調製電路，所述PWM波產生電路用於產生脈衝寬度可調的PWM波信號，所述方波產生電路用於產生高頻方波信號，該高頻方波信號與所述PWM波信號經過所述與門電路進行調製，從而調節送入所述功率放大模塊的方波脈衝個數，所述脈衝寬度調製電路用於調整送入所述功率放大模塊的脈衝信號佔空比。
[0006]首先脈衝信號產生模塊通過PWM波產生電路產生脈衝寬度可調的低頻PWM波信號，通過方波產生電路產生高頻方波信號，然後將低頻PWM波和高頻方波送入與門電路實現PWM波對高頻方波信號的調製，通過調節PWM波的脈衝寬度控制進入功率放大模塊中的脈衝個數，從而調節輸出超聲波的功率，然後將與門電路輸出的間斷方波信號送入脈衝寬度調製電路，調整送入功率放大模塊的脈衝信號佔空比，再採用功率放大模塊對調製後的電脈衝信號進行功率放大，最後超聲換能器將交流信號中的電能量轉換為超聲波聲能量輸出。本電路不用引入外部升壓模塊對直流電壓進行升壓，實現環節少，功率放大效率高，輸出超聲波的功率可調。
[0007]為了確保進入功放模塊的脈衝信號佔空比的準確性，保證功率放大模塊輸出波形的效果，所述脈衝寬度調製電路包括SN74LVC1G123DCTR單穩態多諧振蕩器，該單穩態多諧振蕩器的信號輸入端串聯電容C12後和所述與門電路的信號輸出端相連，所述單穩態多諧振蕩器的控制輸入端串聯電容C5後接地，所述單穩態多諧振蕩器的控制輸入端還依次串聯電阻R1、可變電阻R2後與5V電源連接，所述單穩態多諧振蕩器的信號輸出端作為所述脈衝寬度調製電路的輸出端。
[0008]為了提高功率放大效率，所述功率放大模塊採用E類功率放大電路。
[0009]作為進一步描述，所述E類功率放大電路包括開關管Q，開關管Q的柵極作為信號輸入端，開關管Q的源極接地，開關管Q的漏極串接電感線圈RFC後與直流電源連接，開關管Q的漏極還串接電容Cl後接地，開關管Q的漏極還依次串接電容CO與電感LO後接輸出負載R。
[0010]為了控制開關管工作，在所述開關管Q的柵極上連接有開關管驅動電路，該開關管驅動電路包括LM5114BMF開關管柵極驅動晶片，該開關管柵極驅動晶片的信號輸入端與所述脈衝寬度調製電路的信號輸出端相連，所述開關管柵極驅動晶片的拉電流輸出端串接電阻R4後和所述功率放大電路的信號輸入端相連，所述開關管柵極驅動晶片的灌電流輸出端串接電阻R5後與拉電流輸出端連接。
[0011]為了提高電路的負載能力，改善超聲波波形，在所述功率放大模塊與超聲換能器之間還連接有負載匹配電路，該負載匹配電路由電容C2與電感LI組成。
[0012]為了便於控制，所述PWM波產生電路採用AT89C51單片機模塊，所述方波產生電路採用AD9850模塊，該AD9850模塊的控制信號由所述AT89C51單片機模塊輸出。
[0013]本實用新型的顯著效果是:本電路實現環節少，在功放部分採用了 E類功率放大器進行處理，大大提高了功率放大效率；採用與門電路對脈衝寬度可調的PWM波與高頻方波信號進行調製，實現對輸入功率放大電路的方波個數的控制，進而實現了整個電路輸出超聲波的功率可調，可以作為很好的醫學超聲輻射力彈性成像裝置的驅動力源。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型的電路原理框圖；
[0015]圖2是PWM波產生電路與方波產生電路原理圖；
[0016]圖3是圖1中脈衝寬度調製電路與開關管驅動電路原理圖；
[0017]圖4是圖1中功率放大電路原理圖；
[0018]圖5是圖1中負載匹配電路原理圖；
[0019]圖6是電源模塊中一次降壓電路原理圖；
[0020]圖7是電源模塊中二次降壓電路原理圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】以及工作原理作進一步詳細說明。
[0022]如圖1所示，一種彈性成像激發裝置超聲波發射電路，包括脈衝信號產生模塊、功率放大模塊以及超聲換能器，所述脈衝信號產生模塊包括PWM波產生電路、方波產生電路、與門電路以及脈衝寬度調製電路，所述PWM波產生電路採用單片機模塊產生脈衝寬度可調的PWM波，所述方波產生電路採用AD9850模塊產生高頻方波信號，該高頻方波信號與所述PWM波信號經過所述與門電路進行調製，從而調節送入所述功率放大模塊的方波脈衝個數，控制所述功率放大模塊輸出功率，所述脈衝寬度調製電路用於調整送入所述功率放大模塊的脈衝信號佔空比，所述功率放大模塊對脈衝寬度調製電路輸出的高頻電脈衝信號的功率進行放大，所述超聲換能器將功率放大模塊輸出的電信號轉換為超聲波信號輸出，在所述功率放大模塊與超聲換能器之間還連接有負載匹配電路。
[0023]參見附圖2，所述PWM波產生電路採用AT89C51單片機模塊，所述方波產生電路採用AD9850模塊，該AD9850模塊的控制信號由所述AT89C51單片機模塊輸出。如圖所示，單片機的P2.0引腳輸出脈衝寬度可調的PWM波，單片機的P1.0-P1.7引腳與AD9850模塊的D0-D7數據總線連接，作為AD9850模塊的並行數據輸入埠，輸出40位控制數據控制AD9850模塊工作。單片機的RX、TX引腳與AD9850模塊的W_CLK、FQ_UD引腳連接，作為I/O口輸出數據對AD9850模塊進行控制。單片機的RESET引腳與AD9850的RESET引腳連接；
[0024]AD9850模塊完成40位控制數據的輸入後，首先從1UT引腳輸出頻譜純淨的正弦信號，經過外圍低通濾波電路濾除低頻信號後，由VINP引腳進入AD9850模塊內部的高速比較器，最後由AD9850模塊的QOUTP弓丨腳輸出高頻方波信號。本方案中，該高頻方波信號的頻率設定為10MHz。如圖2所示，所述低通濾波電路由圖中的電阻23，電容C21、C22、C23、C24、C25以及電感L11、L12組成。AT89C51單片機模塊產生的低頻PWM波信號與AD9850模塊產生的1MHz高頻方波信號送入所述與門電路調製後形成間斷方波信號輸出，從而控制功率放大模塊工作。
[0025]其中，AD9850模塊可接入外部控制脈衝輸入引腳上的信號進行控制。此時該信號可以是ARM、555自激多諧振蕩器或DSP等外部控制模塊產生的負脈衝信號，從而滿足更靈活的控制。
[0026]為了提高功率放大效率，所述功率放大模塊採用E類功率放大電路，為了保證輸入信號的佔空比為50%，因此設計脈衝寬度調製電路對輸入信號的佔空比進行調整。如圖3所示，所述脈衝寬度調製電路包括SN74LVC1G123DCTR單穩態多諧振蕩器，該單穩態多諧振蕩器的信號輸入端串聯電容C12後和所述與門電路的信號輸出端相連，該單穩態多諧振蕩器的控制輸入端R/C串聯電容Cll後接地，所述單穩態多諧振蕩器的控制輸入端R/C還依次串聯電阻Rl與可變電阻R2後與5V電源連接，所述單穩態多諧振蕩器的信號輸出端與所述述功率放大模塊的信號輸入端相連。所述脈衝寬度調製電路輸出信號的佔空比由電容Cll與電阻R1+R2的比值決定，通過調節可變電阻R2的阻值，使得脈衝信號產生模塊輸出信號的佔空比嚴格符合50%，再送到後級進行功放，這樣保證了功率放大模塊的輸出波形的效果。
[0027]從圖3中還可以看出，為了驅動E類功放中的開關管工作，在功率放大電路的控制輸入端連接有開關管驅動電路，該開關管驅動電路包括LM5114BMF開關管柵極驅動晶片，該開關管柵極驅動晶片的信號輸入端IN與所述脈衝寬度調製電路的信號輸出端相連，所述開關管柵極驅動晶片的拉電流輸出端P-OUT串接電阻R4後和功率放大電路的信號輸入端相連，所述開關管柵極驅動晶片的灌電流輸出端N-OUT串接電阻R5後與拉電流輸出端P-OUT連接。
[0028]如圖4所示，所述E類功率放大電路包括開關管Q，開關管Q的柵極作為信號輸入端並與所述開關管驅動電路的信號輸出端連接，開關管Q的源極接地，開關管Q的漏極串接電感線圈RFC後與24V直流電源連接，開關管Q的漏極還串接電容Cl後接地，開關管Q的漏極還依次串接電容CO與電感LO後接輸出負載R，其中電容CO與電感LO組成LC諧振電路。RFC為電路提供穩定的直流電流，減小輸入電流紋波；開關管Q工作頻率為10MHz，佔空比為0.5 ；C1為並聯電容，主要起到儲能作用，Cl的大小決定漏極電壓波形的好壞，諧振迴路中CO與LO的諧振頻率為1MHz。脈寬調製電路輸出的方波信號在功率放大電路中起到開關作用，當輸入方波為高電平時，開關管處於「導通」狀態，輸出電流波形；當輸入方波為低電平時，開關管處於「截止」狀態，輸出電壓波形。由於開關管漏極輸出的信號為不純淨正弦波信號，需通過LC諧振迴路濾掉低頻信號，然後輸出頻率為1MHz的純淨正弦波信號。
[0029]如圖5所示，所述負載匹配電路由電容C2與電感LI組成。通過該負載匹配電路可提高電路的負載能力，改善脈衝超聲波波形。
[0030]本實施例中，所述脈衝產生模塊與功率放大模塊均由電源模塊供電，該電源模塊包括24V外接直流電源、一次降壓電路與二次降壓電路，其中24V外接直流電源為所述功率放大電路提供直流電源。
[0031]如圖6所示，所述一次降壓電路為LM2575HVS-ADJ穩壓降壓晶片，該穩壓降壓晶片的輸入端與24V外接直流電源正極連接，輸出7.5V電源為所述開關管驅動電路供電。
[0032]如圖7所示，所述二次降壓電路為MC7805⑶2T降壓晶片，該降壓晶片的輸入端與所述一次降壓電路的輸出端連接，輸出5V電源為所述單片機模塊、AD9850模塊以及脈衝寬度調製電路供電。
[0033]本發射電路的工作原理為:
[0034]AT89C51單片機輸出控制信號，控制AD9850模塊完成40位控制數據的輸入後，由AD9850模塊的QOUTP引腳輸出得到所需頻率為1MHz的高頻方波信號，之後將AT89C51單片機產生的脈衝寬度可調的PWM波信號與1MHz方波信號送入所述與門電路，實現PWM波對高頻方波信號的調製，然後通過調節脈衝寬度調製電路中可變電阻R2的阻值，對送入功率放大模塊的脈衝信號的佔空比進行調整，之後採用功率放大電路對調整佔空比後的電信號的功率進行放大，輸出頻率為1MHz的純淨正弦波形，最後通過超聲換能器將1MHz電信號轉換為超聲波輸出；
[0035]當需要對輸出超聲波的功率進行調節時，通過調節PWM波信號的脈衝寬度，再經過與門電路實現PWM波對方波信號進行調製，改變送入所述脈衝寬度調製電路的方波脈衝個數，從而調節功率放大電路的輸出功率，實現輸出超聲波功率的調節。
【權利要求】
1.一種彈性成像激發裝置超聲波發射電路，包括脈衝信號產生模塊、功率放大模塊以及超聲換能器，所述脈衝信號產生模塊用於產生高頻電脈衝信號，所述功率放大模塊對高頻電脈衝信號的功率進行放大，所述超聲換能器將功率放大模塊輸出的電信號轉換為超聲波信號輸出，其特徵在於:所述脈衝信號產生模塊包括PWM波產生電路、方波產生電路、與門電路以及脈衝寬度調製電路，所述PWM波產生電路用於產生脈衝寬度可調的PWM波信號，所述方波產生電路用於產生高頻方波信號，該高頻方波信號與所述PWM波信號經過所述與門電路進行調製，從而調節送入所述功率放大模塊的方波脈衝個數，所述脈衝寬度調製電路用於調整送入所述功率放大模塊的脈衝信號佔空比。
2.根據權利要求1所述的彈性成像激發裝置超聲波發射電路，其特徵在於:所述脈衝寬度調製電路包括SN74LVC1G123DCTR單穩態多諧振蕩器，該單穩態多諧振蕩器的信號輸入端串聯電容C12後和所述與門電路的信號輸出端相連，該單穩態多諧振蕩器的控制輸入端串聯電容Cll後接地，所述單穩態多諧振蕩器的控制輸入端還依次串聯電阻R1、可變電阻R2後與5V電源連接，所述單穩態多諧振蕩器的信號輸出端作為所述脈衝寬度調製電路的輸出端。
3.根據權利要求1或2所述的彈性成像激發裝置超聲波發射電路，其特徵在於:所述功率放大模塊採用E類功率放大電路。
4.根據權利要求3所述的彈性成像激發裝置超聲波發射電路，其特徵在於:所述E類功率放大電路包括開關管Q，開關管Q的柵極作為信號輸入端，開關管Q的源極接地，開關管Q的漏極串接電感線圈RFC後與直流電源連接，開關管Q的漏極還串接電容Cl後接地，開關管Q的漏極還依次串接電容CO與電感LO後接輸出負載R。
5.根據權利要求4所述的彈性成像激發裝置超聲波發射電路，其特徵在於:在所述開關管Q的柵極上連接有開關管驅動電路，該開關管驅動電路包括LM5114BMF開關管柵極驅動晶片，該開關管柵極驅動晶片的信號輸入端與所述脈衝寬度調製電路的信號輸出端相連，所述開關管柵極驅動晶片的拉電流輸出端串接電阻R4後和所述功率放大電路的信號輸入端相連，所述開關管柵極驅動晶片的灌電流輸出端串接電阻R5後與拉電流輸出端連接。
6.根據權利要求1所述的彈性成像激發裝置超聲波發射電路，其特徵在於:在所述功率放大模塊與超聲換能器之間還連接有負載匹配電路，該負載匹配電路由電容C2與電感LI組成。
7.根據權利要求1所述的彈性成像激發裝置超聲波發射電路，其特徵在於:所述PWM波產生電路採用AT89C51單片機模塊，所述方波產生電路採用AD9850模塊，該AD9850模塊的控制信號由所述AT89C51單片機模塊輸出。
【文檔編號】A61B8/00GK203988125SQ201420422511
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】朱新建, 鄧思建, 張凱鐸, 吳寶明, 何慶華 申請人:中國人民解放軍第三軍醫大學第三附屬醫院