一种用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统

1.本发明涉及相控阵超声换能器技术领域，尤其涉及一种用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。虽然相关技术中可以实际输出频率为499.7-500.3khz，但是各个信号通道输出的信号之间有延时，无法适用于凹面阵换能器。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，以解决相关技术中的激励系统无法适用于凹面阵换能器的问题。
6.为实现上述目的，本发明实施例提出了一种用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，包括：
7.信号产生模块、多个信号处理模块和多个锁相环模块；所述信号产生模块分别与各所述信号处理模块和各所述锁相环模块连接，各所述信号处理模块分别与两个所述锁相环模块连接；
8.所述信号产生模块用于产生第一激励信号；所述信号处理模块用于对所述第一激励信号进行运算放大输出两个第二激励信号，还用于分别对两个所述第二激励信号进行功率放大输出对应的两个第三激励信号；每个所述锁相环模块用于基于所述信号产生模块输入的参考信号，选择与所述参考信号相位相同的所述第三激励信号进行滤波并输出至相控阵超声换能器相应的通道。
9.可选地，所述信号产生模块包括：
10.依次连接的pc机、聚焦延时模块、dds信号发生模块；所述聚焦延时模块与各所述锁相环模块连接，所述dds信号发生模块与各所述信号处理模块连接；
11.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；所述聚焦延时模块还用于向所述锁相环模块输入参考信号和使能信号。
12.可选地，所述聚焦延时模块为stm32h743聚焦延时模块。
13.可选地，所述信号处理模块包括：一级运算放大模块和二级功率放大模块；
14.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、相位相反的所述第二激励信号，所述二级功率放大模块用于对两个所述幅值相同、相位相反的所述第二激励信号进行功率放大后形成所述第三激励信号。
15.可选地，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。
16.可选地，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信号产生模块，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。
17.可选地，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，输出端连接相应锁相环模块的一端；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，输出端连接相应锁相环模块的一端。
18.可选地，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，并输出至所述锁相环模块。
19.可选地，各所述锁相环模块包括：滤波单元、参考信号单元和锁相环控制单元，所述信号产生模块分别与所述参考信号单元和所述锁相环控制单元连接，所述信号处理模块与所述锁相环控制单元连接，所述锁相环控制单元分别与所述滤波单元和所述参考信号单元连接；
20.所述参考信号单元用于接收所述信号产生模块输入的参考信号；所述锁相环控制单元基于所述参考信号，选择与所述参考信号相位相同的所述第三激励信号，控制所述滤波单元进行滤波，并输出至所述相控阵超声换能器相应的通道中。
21.可选地，所述锁相环控制单元为adf4351bcpz芯片。
22.根据本发明实施例提出的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，包括：信号产生模块、多个信号处理模块和多个锁相环模块；信号产生模块分别与各信号处理模块和各锁相环模块连接，各信号处理模块分别与两个锁相环模块连接；信号产生模块用于产生第一激励信号；信号处理模块用于对第一激励信号进行运算放大输出两个第二激励信号，
还用于分别对两个第二激励信号进行功率放大输出对应的两个第三激励信号；每个锁相环模块用于基于信号产生模块输入的参考信号，选择与参考信号相位相同的第三激励信号进行滤波并输出至相控阵超声换能器相应的通道。从而，通过上述激励系统可以使得各个信号同时到达相控阵超声换能器的阵元，以在激励信号的频率精度较高的基础上，可以适应于凹面阵超声换能器。
23.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明实施例提出的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统的方框示意图；
26.图2是本发明一个实施例提出的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统的方框示意图；
27.图3是本发明另一个实施例提出的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统的方框示意图；
28.图4是本发明实施例提出的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统的中运算放大单元的电路原理图；
29.图5是本发明又一个实施例提出的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统的方框示意图；
30.图6是本发明实施例提出的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统的中功率放大单元的电路原理图；
31.图7是本发明再一个实施例提出的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统的方框示意图；
32.图8是本发明实施例提出的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统的中锁相环模块的电路原理图；
33.图9是本发明实施例提出的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统的部分电路原理图；
34.图10是本发明实施例提出的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统的激励信号图；
35.图11是相关技术中门控rf激励波形图。
具体实施方式
36.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
37.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.图1是本发明实施例提出的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统的方框示意图。如图1所示，用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，包括：信号产生模块20、多个信号处理模块30和多个锁相环模块40；信号产生模块20分别与各信号处理模块30和各锁相环模块40连接，各信号处理模块30与两个锁相环模块40连接；
39.信号产生模块20用于产生第一激励信号；信号处理模块30用于对第一激励信号进行运算放大输出两个第二激励信号，还用于分别对两个第二激励信号进行功率放大输出对应的两个第三激励信号；锁相环模块40用于基于信号产生模块20输入的参考信号，选择与参考信号相位相同的第三激励信号进行滤波并输出至相控阵超声换能器106相应的通道。
40.可以理解的是，通过锁相环模块40可以将信号处理模块30处理后的信号锁相至与信号产生模块20产生的参考信号相位一致，由于相控阵超声换能器106为凹面阵，进而通过锁相环模块40的激励信号可以自相控阵超声换能器106的阵心同时到达凹面阵的各个阵元，完成聚焦，避免相关技术中由于信号延时造成的无法聚焦的情况出现。
41.下面依次介绍各个模块的组成以及工作原理。
42.可选地，如图2所示，信号产生模块20包括：
43.依次连接的pc机101、聚焦延时模块102、dds信号发生模块103；聚焦延时模块102与各锁相环模块40连接，dds信号发生模块103与各信号处理模块30连接；
44.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；聚焦延时模块102还用于向锁相环模块40输入参考信号和使能信号。
45.其中，聚焦延时模块为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。
46.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。
47.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。
48.pc机101可以使用keiluversion5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。第一激励信号经过信号处理模块30处理后输出至相应的锁相环模块40，锁相环模块40可以将信号处理模块30处理后的信号锁相至与信号产生模块20发出的参考信号相位一致，由于相控阵超声换能器106为凹面阵，进而通过锁相环模块40的信号可以自相控阵超声换能器106的阵心同时到达凹面阵的各个阵元。
49.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。
50.可选地，如图3所示，信号处理模块30包括：一级运算放大模块104和二级功率放大模块105；
51.一级运算放大模块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形成第三激励信号。
52.可选地，如图4所示，一级运算放大模块104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(p2sma)连接信号产生模块20，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。
53.如图4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。
54.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。
55.继续参考图4，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；
56.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(p3sma)连接；
57.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。
58.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。
59.继续参考图4，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。
60.继续参考图4，一级运算放大模块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。
61.如图5所示，二级功率放大模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，输出端连接相应锁相环模块40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，输出端连接相应锁相环模块40一端。
62.如图6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，并输出至锁相环模块40。
63.继续参考图6，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；
64.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。
65.继续参考图6，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；
66.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；
67.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。
68.其中，继续参照图6，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。
69.继续参考图6，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。
70.继续参考图6，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。
71.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。
72.继续参考图6，输出级电路114包括：ocl功率放大电路。
73.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。
74.,可选地，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。
75.继续参见图6，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。
76.可选地，如图7和图8所示，各锁相环模块40均包括：滤波单元123、参考信号单元124和锁相环控制单元125，信号产生模块20分别与参考信号单元124和锁相环控制单元125连接，信号处理模块30与锁相环控制单元125连接，锁相环控制单元125分别与滤波单元123和参考信号单元124连接；
77.参考信号单元124用于接收信号产生模块20发出的参考信号；锁相环控制单元125基于第一激励信号，选择与参考信号相位相同的第三激励信号，控制滤波单元123进行滤波，并输出至相控阵超声换能器106相应的通道中。
78.可选地，锁相环控制单元为adf4351bcpz芯片。
79.参考图8，参考信号单元124的bnc端口与聚焦延时模块102连接，锁相环控制单元125的1端口和3端口连接聚焦延时模块102，2端口连接二级功率放大模块105的输出端，锁相环控制单元125在聚焦延时模块102的使能端即3端口的控制下，进入工作状态，将2端口接收到的二级功率放大模块105的输出的第三激励信号与参考信号单元124接收到的参考信号相比较，获取与参考信号单元124接收到的参考信号相位相同的第三激励信号，并经过滤波单元123滤波后，通过压控振荡器输出给相控阵超声换能器106。滤波单元123为环路滤波器，即无源三阶滤波器以减小引入噪声，相关电路搭建参考图8，此处，不再赘述。
80.基于上述电路连接，结合图1至图8，下面来详述该用于自聚焦的相控阵超声换能器激励系统的工作原理。
81.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(p2sma)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。
82.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。
83.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。
84.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。
85.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，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，进而，第一二级功率放大单元1051的p1smb端口可以连接运算放大器单元108的p3sma口，第二二级功率放大单元1052的p1smb端口可以连接运算放大器单元108的p4sma口，第一二级功率放大单元1051输出第一第三激励信号，第二二级功率放大单元1052输出第二第三激励信号，第一第三激励信号进入第一锁相环模块，第二第三激励信号进入第二锁相环模块。
86.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(outputcapacitorless)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。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。
87.由此，当激励自聚焦相控阵超声换能器，发射超声换能器激励指令时，stm32h743单片机，向各通道锁相环模块输出使能信号1，输出clk时钟信号，向超声换能器激励系统各通道发射pwm门控信号。当激励平面阵相控阵超声换能器，发射超声换能器激励指令时，stm32h743单片机，向各通道锁相环模块输出使能信号0，不输出clk时钟信号，向超声换能器激励系统各通道发射带有延时的pwm门控聚焦信号，使相控阵超声换能器聚焦。
88.进而，如图9所示，聚焦延时模块102下发各使能信号1，使得各个锁相环模块40处于工作状态，聚焦延时模块102下发第一参考信号至第一锁相环模块，第一锁相模块基于第一参考信号选择与其相位相同的第一第三激励信号，滤波后输出至相控阵超声换能器106
的一端，聚焦延时模块102下发第二参考信号至第二锁相环模块，第二锁相模块基于第二参考信号选择与其相位相同的第二第三激励信号，滤波后输出至相控阵超声换能器106的另一端，其中，第一参考信号和第二参考信号的相位相差180
°
，并且第一参考信号的相位与第一第三激励信号接近，第二参考信号的相位与第二第三激励信号接近。通过锁相环模块的一个第三激励信号接入相控阵超声换能器106的一端，另一个第三激励信号接入相控阵超声换能器106的另一端，即采取正负，以及负正的反接方式，使得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。
89.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。并且由于锁相环模块的设置，使得各激励信号可以同时到达凹面阵超声换能器的各个阵元。
90.采用本技术的方案输出的激励信号，频率特性精确，杂波干扰小，调制脉冲放大准确，波形失真度低。比较结果如图10和图11所示，图10中为自制标准正弦激励源激励超声换能器激励波形及水听器测量结果；图11门控rf放大器激励源激励波形及水听器测量结果。使用本文提出的超声换能器激励系统与门控rf放大器ga-2500进行比较。可以看出本文的输出脉冲更纯净，激励效率更高，显然更适用于神经调控技术。再使用锁相环模块进行输出脉冲相位锁定，保证其输出时序或相位的绝对精确性，该精准锁相正弦电路直接作用于自聚焦相控阵超声换能器两端进行换能器聚焦激励可获得最好的聚焦效果。并且对自聚焦相控阵超声换能器设计，在固定的z方向可产生远超平面阵相控阵超声换能器的聚焦分辨率，发射频率，相位，波形精确性均极高。
91.综上所述，根据本发明实施例提出的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，包括：信号产生模块、多个信号处理模块和多个锁相环模块；信号产生模块分别与各信号处理模块和各锁相环模块连接，各信号处理模块分别与两个锁相环模块连接；信号产生模块用于产生第一激励信号；信号处理模块用于对第一激励信号进行运算放大输出两个第二激励信号，还用于分别对两个第二激励信号进行功率放大输出对应的两个第三激励信号；每个锁相环模块用于基于信号产生模块输入的参考信号，选择与参考信号相位相同的第三激励信号进行滤波并输出至相控阵超声换能器相应的通道。从而，通过上述激励系统可以使得各个信号同时到达相控阵超声换能器的阵元，以在激励信号的频率精度较高的基础上，可以适应于凹面阵超声换能器。
92.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
93.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明
白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，其特征在于，包括：信号产生模块、多个信号处理模块和多个锁相环模块；所述信号产生模块分别与各所述信号处理模块和各所述锁相环模块连接，各所述信号处理模块分别与两个所述锁相环模块连接；所述信号产生模块用于产生第一激励信号；所述信号处理模块用于对所述第一激励信号进行运算放大输出两个第二激励信号，还用于分别对两个所述第二激励信号进行功率放大输出对应的两个第三激励信号；每个所述锁相环模块用于基于所述信号产生模块输入的参考信号，选择与所述参考信号相位相同的所述第三激励信号进行滤波并输出至相控阵超声换能器相应的通道。2.根据权利要求1所述的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，其特征在于，所述信号产生模块包括：依次连接的pc机、聚焦延时模块、dds信号发生模块；所述聚焦延时模块与各所述锁相环模块连接，所述dds信号发生模块与各所述信号处理模块连接；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；所述聚焦延时模块还用于向所述锁相环模块输入参考信号和使能信号。3.根据权利要求2所述的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，其特征在于，所述聚焦延时模块为stm32h743聚焦延时模块。4.根据权利要求1所述的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：一级运算放大模块和二级功率放大模块；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、相位相反的所述第二激励信号，所述二级功率放大模块用于对两个所述幅值相同、相位相反的所述第二激励信号进行功率放大后形成所述第三激励信号。5.根据权利要求1所述的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，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。6.根据权利要求4所述的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，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信号产生模块，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。7.根据权利要求4所述的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，其特征在于，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，输出端连接相应锁相环模块的一端；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，输出端连接相应锁相环模块的一端。8.根据权利要求7所述的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，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，并输出至相应的所述锁相环模块。9.根据权利要求1所述的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，其特征在于，各所述锁相环模块包括：滤波单元、参考信号单元和锁相环控制单元，所述信号产生模块分别与所述参考信号单元和所述锁相环控制单元连接，所述信号处理模块与所述锁相环控制单元连接，所述锁相环控制单元分别与所述滤波单元和所述参考信号单元连接；所述参考信号单元用于接收所述信号产生模块输入的参考信号；所述锁相环控制单元基于所述参考信号，选择与所述参考信号相位相同的所述第三激励信号，控制所述滤波单元进行滤波，并输出至所述相控阵超声换能器相应的通道中。10.根据权利要求9所述的用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，其特征在于，所述锁相环控制单元为adf4351bcpz芯片。

技术总结
本发明公开了一种用于自聚焦相控阵超声换能器的激励系统，包括：信号产生模块、多个信号处理模块和多个锁相环模块；信号产生模块分别与各信号处理模块和各锁相环模块连接，各信号处理模块分别与两个锁相环模块连接；信号产生模块用于产生第一激励信号；信号处理模块用于对第一激励信号进行运算放大输出两个第二激励信号，还用于分别对两个第二激励信号进行功率放大输出对应的两个第三激励信号；每个锁相环模块用于基于信号产生模块输入的参考信号，选择与参考信号相位相同的第三激励信号进行滤波并输出至相控阵超声换能器相应的通道。从而，通过上述激励系统可以使得各个信号同时到达相控阵超声换能器的阵元，可以适应于凹面阵超声换能器。阵超声换能器。阵超声换能器。


技术研发人员：刘志朋 刘煦 殷涛 马任 周晓青 张顺起
受保护的技术使用者：中国医学科学院生物医学工程研究所
技术研发日：2022.12.27
技术公布日：2023/7/19