0 引言

　　超声成像技术以其结构简单、成本低廉等优点被广泛应用于医疗成像中。但超声成像的发展一直受限于成像深度不够和分辨率较差等问题[1]。随着超声技术的发展，采用不同的发射信号用于成像已成为一个重要的研究方向，如采用LFM（Linear Frequency Modulated Wave），二相编码信号等。在传统的超声系统中，不同的波形往往都由不同的电路产生。本文在研究新体制成像方法中[2]，提出MIMO成像方法，其中采用LFM调制伪码波形。为了便于成像方法研究，设计一款基于PWM调制的H桥超声发射电路，可用于产生脉冲波、正弦脉冲波、编码等波形。经理论仿真和实物制作测试验证本电路产生波形满足设计要求，并可以用于超声探测和成像系统。

1 超声发射电路系统设计

　　1.1 系统总体设计框图

　　超声发射系统分为：FPGA主控模块、H桥功率放大模块、LPF(Low Pass Filter)模块、USB通信模块以及变压器和探头，系统结构如图1所示。超声发射系统原理：PC将需要发射的波形数据通过USB模块传递给FPGA，由FPGA产生PWM调制波，再通过H桥功率放大模块将所需信号进行功率放大，利用低通滤波器将高频载波滤除后送入变压器进行信号电压放大，最后将需要的波形信号加载到探头发射。同时FPGA还负责与PC通信和实际回波的数据存储的功能。

　1.2 PWM产生

　　采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果相同[3]。本系统采用的方法是当前较为成熟的SPWM法，该方法以上面提到的理论为基础，根据当前波形信号而产生脉冲宽度变化等效的PWM波形即波形对发射信号与预设的对比信号进行比较，使其输出的脉冲电压的面积与所希望的波形信号在同样时间内取得面积相等，同时系统输出的信号的频率和大小可以通过改变调制波的频率和幅值来调节。

　　本系统PWM调制采用工业上较为常用的三角波比较采样方法, 该方法一般用于以正弦波做为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高的多的等腰三角波为载波[4]。同时结合1.3节的H桥电路有上下两个方向通路的优点，如图2所示，将需要发射的信号根据信号正负幅值分解成正向信号与逆向信号，这样不仅可以简化PC给FPGA发送发射信号的难度，还可以降低PWM调制的复杂性。

　　为了方便分析，把正向三角波用分段函数表达式[5]：

　　令调制比M=Us/Uc，载波比N=Wc/Ws(M≤1，N为正整数且N≥5)SPWM波形的采样点为发射信号与三角波交点，即式(2)大于式(1)时，此时输出为当前的电源电压。同理，当式(2)小于式(1)时，输出则为0。当调制的电源电压为E时，SPWM波形的时间函数UL(t)：

　　为了适应不同的发射系统，就需要对任意的波形可以调制和发射。本系统选取如图2所示不规则的编码信号，经过PWM调制后的正反向信号即为图3所示。

　　1.3 H桥功率放大电路

　　采用H型桥式的D型放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出特性，并可以减少干扰，所以H桥电路被广泛应用于数字功放中[6-7]。本文的H桥功率放大电路如图4所示，由4个开关MOS管与低通滤波器组成。其中Q1与Q4为P沟道开关管，Q2与Q3为N沟道开关管。H桥的通路特性为正向的PWM信号控制Q1与Q3打开，此时发射信号通过低通滤波器正向通过变压器，反之Q2与Q4导通，电流方向相反。

　　本系统所采用的开关模式管器件为FDS4559，因为P沟道与N沟道的开关管的本身特性，所以其开关的开通和关断时间也存在着差异。其中P沟道开通上升沿时间为38 ns，下降沿时间为50 ns，N沟道开通上升沿时间则为34 ns，下降沿时间为56 ns，所以该H桥可以实现(1/60 ns)对10 MHz以内的信号进行功率放大。当信号频率改变时，只需根据所需要的频率来调节相应的低通滤波器，无需对硬件模块进行较大的改动。

　　同时系统的通断也由PWM信号控制，当系统没有信号输入时，Q1与Q4均保持关闭状态。当同时给P沟道与N沟道开通信号时，由于N沟道较P沟道导通时间快，所以先与地相通做好回路开通准备，而当关断信号开通时，P沟道先于N沟道关闭，这样可以避免逆向控制信号串入造成Q1与Q2直接导通造成短路的情况。

1.4 滤波器设计

　　目前的逆变技术主要采用脉宽调制方式，由于PWM调制本身的特性决定着逆变器的输出电压中含有较多的高次谐波分量，因此需要在逆变器的输出端加上低通滤波器来减少谐波含量。本设计中的低通滤波器采用现在较为成熟的T型无源滤波器[8]，如图5，该滤波器的截止频率为：

　　为了使变压器端更接近正弦同时又不会引起谐振问题,故谐振频率必须要远小于载波中所含有的最低次谐波频率,同时又要远大于基波频率。参照实际中较为成熟的PWM方案, 为了达到比较优良的性能,最好满足以下关系[9]：

　　10f1

　　其中：f1为基波频率，fs为PWM的载波频率。本系统所用的探头中心频率为500 kHz，载波为50 MHz，故fc选取为5 MHz。

2 仿真及实验结果

　　2.1 仿真结果

　　本设计仿真采用NI公司的Multisim仿真软件进行仿真，该仿真软件包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。仿真模型如图6所示，超声探头用100 k?赘电阻代替，H桥功率放大由N沟道的RF9530和P沟道的RF9550两对对管构成，变压器的变比根据实际的变压器设置为1：5(兼容500 kHz频率)，正向信号源采用幅值12 V、频率500 kHz的方波信号，逆向信号源则通过对正向信号延时半个周期获得。软件示波器测试经过低通滤波器后进入变压器前的信号，以及经过变压器进行电压放大后加载到探头上的波形信号。测试的波形为图7所示，信道A为变压器原边波形，信道B则为通过变压器后加载到探头的波形，从图上可以看出经过变压器波形信号为500 kHz的正弦波，保持了频率不变的特性，信号的幅值也由12 V的转变为±540 V，达到了驱动探头的标准。

　2.2 实验结果

　　为验证本系统的任意波形发射，制作了实际电路并进行测试。实际的发射电路采用FDS4559与MD5055构成的16路通道，发射的波形采用500 kHz的正弦脉冲波调制成的两个正半周期，两个负半周期的不规则发射波形，测试单一通道的效果。实际测试的探头为福州大禹超声公司的DYW-500-E型号500K水声探头，该探头的起振电压为±150 V，峰值电压为±800 V。本系统采用的电源电压为48 V，加载到探头上的波形信号为图8所示，从图上可以清楚看出加载到探头上的波形与期望调制两个正半周期，两个负半周期相同，同时波形峰峰值达到±242 V，满足探头的起振条件。

3 结论

　　本文提出的超声发射电路采用PWM调制发射，具有频率稳定性好、方便调节的特点；H桥功率驱动电路功率高，可实现软启动，正逆向通道可以简化发射信号产生；同时该电路与上位机软件结合，不仅可以实现在10 MHz频率以内的几乎任意波形的调制发射，还可以方便拓展多个通道，适应多种超声发射的场合。最后通过软件仿真和实验对比的方式验证该发射电路的有效性。

参考文献

　　[1] 李鹏.医学超声成像中若干新技术的研究与实现[D].杭州：浙江大学，2009.

　　[2] LI P，CAI Y，SHEN X，et al.An accurate detection for dynamic liquid level based on MIMO ultrasonic transducer array[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measure-ment，2015，64(3)：582-595.

　　[3] 李旭，谢运祥.PWM技术实现方法综述[J].电源技术应用，2005(2)：51-55.

　　[4] 黄海宏，王海欣，张毅，等.PWM整流电路的原理分析[J].电气电子教学学报，2007，29(4)：28-30.

　　[5] 徐顺刚，许建平，曹太强.SPWM逆变电源输出谐波分析及抑制方法研究[J].电子科技大学学报，2010，39(5)：701-705.

　　[6] 毛兴武.D类功率放大器及其第三代调制技术[J].电子元器件应用，2004(7)：30-33.

　　[7] 王妍，刘帅威，金丽洁.基于D类放大的高效率音频功率放大器设计[J].电子设计工程，2011，19(11)：152-155.

　　[8] 伍家驹，章义国.单相PWM逆变器的滤波器的一种设计方法[J].电气传动，2003，33(3)：12-15.

　　[9] 谢运祥，蒋麟征.消谐控制逆变器的输出滤波参数分析及设计[J].华南理工大学学报：自然科学版，2004，32(5)：1-4.