CN108614271B - 一种带反馈校正的多通道超声波任意波形信号发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带反馈校正的多通道超声波任意波形信号发生器，包括PC端、JTAG接口、FPGA、有源晶振、DAC模块、滤波模块、反馈模块和启动键；本发明采用DDS技术并行产生m路相位信号；并在滤波电路后加上反馈模块和反馈信号处理模块；其特点在于只用一个m路选择器和ADC模块对多路信号进行检测，大大降低了资源的消耗，使得结构更加紧凑；同时反馈信号处理模块能对多路信号实际初始相位进行检测；其仅用一个零点检测模块能依次得到所有通道初始相位并结合查表的方式进行振幅与相位的转换，极大地减少了反馈信号处理所占的资源。

Description

一种带反馈校正的多通道超声波任意波形信号发生器
技术领域
本发明涉及一种多通道DDS信号发生器，尤其涉及一种带反馈校正的多通道超声波任意波形信号发生器。
背景技术
超声相控阵技术通过控制阵列换能器各阵元的发射，形成合成声束的聚焦、扫描等各种效果，从而进行超声成像。在相控阵超声发射状态下，阵列换能器中各阵元按一定延时规律顺序激发，产生的超声发射子波束在空间合成，形成聚焦点和指向性。改变各阵元激发的延时规律，可以改变焦点位置和波束指向，形成在一定空间范围内的扫描聚焦。超声相控阵***中的关键数字技术主要是指波束的时空控制，采用先进的数字电子技术和微计算机技术，对发射状态的相控波束进行精确控制，以获得最佳的发射波束特性。
直接数字频率合成器(DDS)与传统的频率合成器相比，在频率合成、任意波形产生方面有很多优势,比如频率转换快、输出信号建立时间短、频谱纯度高、极高的频率精度和分辨率以及易于控制各种调制方式等优点。FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)作为一种高性能的可编程逻辑器件能够为多种电路提供优良的解决方案对数字频率合成来说，用FPGA实现将更加灵活易控。而且由于FPGA的集成度特别高，能够将整个***下载至同一芯片中，实现所谓的片上***(So C)，从而大大小产品的体积，提高***的可靠性。
现有的多通道超声波信号发射技术，每个通道的基本结构由相位累加器(PD)、波形存储器(RAM)、数模转换器(DAC)和低通滤波器(LPF)组成，形成相互独立具有一定相位差的多通道信号发生器。
上述超声波相控阵发射技术存在以下不足：一、由于布线以及芯片之间的延时差异造成实际相位与理想相位之间的相位误差大。二、带反馈的多通道信号发生器在多通路时需要多个相位累加器(PD)、波形存储器(RAM)、数模转换器(DAC)和滤波电路以及模数转换器(ADC)造成电路复杂，难以实现。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种带反馈校正的多通道超声波任意波形信号发生器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种带反馈校正的多通道超声波任意波形信号发生器，包括PC端、JTAG接口、FPGA、DAC模块、滤波模块、反馈模块；
所述PC端通过JTAG接口将超声波波形的相位和幅值映射数据存储到m个波形查找表RAM中，其中m表示通道数，将幅值和相位映射数据存到两个相位查找表RAM中，第一相位查找表存储第一象限和第四象限的相位信息，第二相位查找表存储第二象限和第三象限的相位信息，相位信号和幅值信号的数据类型为二进制无符号数，定义最高位表示符号位，其余位表示数据位；
所述FPGA通过JTAG接口接收相应RAM中的映射数据、通道控制信号、频率控制信号和初始相位信号；在FPGA内部利用DDS，根据通道控制信号和频率控制信号形成m个通道，m个通道的信号依次从相应的波形查找表中进行查找，得到相位所对应的幅值信号，再将幅值信号连接到DAC模块中进行数模转换，之后利用滤波模块对输出波形进行滤波，滤波后的各通道连接到反馈模块中；
所述反馈模块由一个多路选择器和一个ADC模块组成；多路选择器与ADC模块依次对各通道进行采样，并将采样后的信号输送到FPGA内的反馈信号处理模块中；
所述反馈信号处理模块包括缓存器、零点检测模块、相位补偿单元、相位差计算单元、状态检测单元和相位修正单元；
所述零点检测模块由一个比较器和m位进制的计数器组成，零点检测模块的计数器开始计数，将采样到的幅值信号与m个通道中的最小幅值信号进行比较，若检测出幅值大于最小幅值则将幅值信号记作wi，由计数器得到其所对应的通道序号i，依次将其后m-1个幅值信号记作：wi+1 wi+2 …wm w1 w2…wi-1，其所对应的通道序数记作：i+1 i+2 … 1 2 …i-1；再依次取一个计数周期后各通道的值：w′i w′i+1 w′i+2 … w′m w′1 w′2 … w′i-1；将所得的数据送到状态检测单元中，将各通道前一个幅值信号与后一个幅值信号相减，其最高位即符号位的值用A表示；若前一个幅值信号的幅值大于后一个幅值信号的幅值，则A＝0，若小于则A＝1；同时将m路幅值信号wi wi+1 wi+2 … wm w1 w2 … wi-1送入相位补偿单元，利用查表法从相位查找表中获得相应的相位值，若A＝1，则从第一相位查找表中查询相应的相位；若A＝0，则从第二相位查找表中查询相应的相位值；并对各通道的相位进行补偿；
所述相位差计算单元将补偿后的相位值与预设的初始相位信号进行相减得到各通道相位差，其最高位即符号位的值用B表示；若补偿后的相位值大于初始相位，则B＝0，若小于则B＝1；再依据相位差计算单元来修改初始相位；B＝0则表示相位超前，B＝则表示相位滞后；若超前则根据相位修正单元将通道的初始相位减去该相位差，若滞后则根据相位修正单元将初始相位加上该相位差的补码，最后将其反馈给DDS进行修正。
进一步地，利用MATLAB在PC端生成相位转幅值的.mif文件以及幅值转相位的.mif文件，通过Quartus Ⅱ软件中的IP核功能生成RAM IP核，并将生成的.mif文件数据导入其中；将控制指令和发射参数通过JTAG接口传入FPGA中。
进一步地，通过有源晶振产生时钟信号fcLk，并分别连接到FPGA、DAC模块、反馈模块的多路选择器和ADC上。
进一步地，所述通道控制信号包括用户选择的通道序号和通道数m，所述频率控制信号为用户设定的发射超声波波形的频率信号，所述初始相位信号为用户设定的发射超声波波形的初始相位信号。
进一步地，所述FPGA接收通道控制信号和频率控制信号生成一个对应的相位累加器，将相位累加器输出的数据送入相应的m个加法器中与接收的初始相位信号进行累加，得到每个通道的地址信息，根据地址信息到其对应的波形查找表中，查找相位对应的幅值信号。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明采用DDS技术并行产生m路相位信号。并在滤波电路后加上反馈模块和反馈信号处理模块。其特点在于只用一个m路选择器和ADC模块对多路信号进行检测，大大降低了资源的消耗，使得结构更加紧凑。同时反馈信号处理模块能对多路信号实际初始相位进行检测。其仅用一个零点检测模块能依次得到所有通道初始相位并结合查表的方式进行振幅与相位的转换，提高了检测相位的精度，极大地减少了反馈信号处理所占的资源。
附图说明
图1是本发明整体结构的示意图；
图2是FPGA内部的工作原理图；
图3是DDS的工作原理图；
图4是反馈模块的示意框图；
图5是反馈信号处理的示意框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明可以利用MATLAB在PC(个人计算机)端生成相位转幅值的.mif文件以及幅值转相位的.mif文件。通过Altera公司提供的QuartusⅡ软件中丰富的IP核(知识产权核)功能，生成RAM IP核并将生成的.mif文件数据导入其中。编写控制程序和发射参数，通过JTAG接口将其传入Altera公司FPGA(现场可编程门阵列)芯片的开发板中，使其相应的相位和幅值信息存入相应的波形查找表(RAM)和相位查找表(RAM)中，并在FPGA内部形成专用的电路。
图1是本发明整体结构示意图，本发明主要包括PC端、JTAG接口、FPGA、有源晶振、DAC模块、滤波模块、反馈模块和启动键。其中PC端通过JTAG接口将超声波波形的相位和幅值映射数据存储到m个波形查找表中，其中m表示通道数，将幅值和相位映射数据存到两个相位查找表中，第一个幅值和相位映射的相位查找表存储第一象限和第四象限的相位信息，第二个幅值和相位映射的相位查找表存储第二象限和第三象限的相位信息。并在FPGA内部形成相应的专用电路。有源晶振产生的时钟信号fcLk分别连接到FPGA、DAC模块和反馈模块上。
图2给出了FPGA内部的工作原理图。FPGA通过JTAG接口接收相应RAM中的映射数据、通道控制信号、频率控制信号和初始相位信号；所述通道控制信号包括用户选择的通道序号和通道数m，所述频率控制信号为用户设定的发射超声波波形的频率信号，所述初始相位信号为用户设定的发射超声波波形的初始相位信号；当数据传输完成后，按下启动键；在FPGA内部利用DDS(直接数字频率合成器)，根据通道控制信号和频率控制信号形成m个通道，m个通道的信号依次从相应的波形查找表i中，得到相位所对应的幅值信号，再将幅值信号连接到DAC(数字模拟转换器)模块中进行数模转换，之后对输出波形进行滤波，滤波后的各通道连接到反馈模块中，将其反馈模块输出的信号连接到FPGA内的反馈信号处理模块。
图3给出了DDS的工作原理图。FPGA接收通道控制信号和频率控制信号生成一个对应的相位累加器，将相位累加器输出的数据送入相应的m个加法器中与接收的初始相位信号进行累加，得到每个通道的地址信息，根据地址信息到其对应的波形查找表i中，查找相位对应的幅值信号。
图4给出了本发明中反馈模块的示意框图。其由一个多路选择器和一个ADC模块组成。多路选择器与ADC模块采用相同的频率fcLk的时钟信号。其依次对各通道进行采样，并将采样后的信号输送到FPGA内的反馈信号处理模块中。
图5给出了本发明反馈信号处理的示意框图。零点检测模块由一个比较器和m位进制的计数器组成，m的数值由通道控制信号确定。其工作原理是计数器开始计数，将采样到的幅值信号与m个通道中的最小幅值信号进行比较。若检测出幅值大于该最小值则将幅值信号记作wi，由计数器得到其所对应的通道序号i，依次将数据存入到存储器中，并将其后m-1个幅值信号记作：wi+1 wi+2 … wm w1 w2 … wi-1，其所对应的通道序数记作：i+1 i+2 …1 2 … i-1；再依此取一个计数周期后各通道的值：w′i w′i+1 w′i+2 … w′m w′1 w′2 …w′i-1。将所得的数据送到状态检测单元中，将各通道前一个幅值信号与后一个幅值信号进行相减，其最高位即符号位的值用A表示。若前一个幅值信号的幅值大于后一个幅值信号的幅值，则A＝0，若小于则A＝1。
同时将m路幅值信号wi wi+1 wi+2 … wm w1 w2 … wi-1送入相位补偿单元，利用查表法从相位查找表中获得相应的相位值pi，若A＝1，则从第一相位查找表中查询相应的相位值。若A＝0，则从第二相位查找表中查询相应的相位值。并对各通道的相位进行补偿：即通道i的相位为pi-0，第二个通道相位为pi+1-1，依次最后一个通道的相位为pi-1-(m-1)。
相位差计算单元将补偿后的相位值与预设的初始相位信号进行相减得到各通道相位差，其最高位即符号位的值用B表示，若补偿后的相位值大于初始相位则B＝0，若小于则B＝1。再依据相位差计算单元来修改初始相位。比如说，B＝0则表示相位超前；B＝1则表示相位滞后。若超前则通道的初始相位减去该相位差，若滞后则初始相位加上该相位差的补码，最后将其反馈给DDS进行修正。
在此说明书中，应当指出，本发明实施例中提供的是多通道的信号发生器，仅是本发明的一个具体例子，显然，本发明的技术方案不限于上例所述的信号发生器，实际上，本发明的技术方案可还可以做出各种修改、变换和变形。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改和等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种带反馈校正的多通道超声波任意波形信号发生器，其特征在于，包括PC端、JTAG接口、FPGA、DAC模块、滤波模块、反馈模块；
所述PC端通过JTAG接口将超声波波形的相位和幅值映射数据存储到m个波形查找表RAM中，其中m表示通道数，将幅值和相位映射数据存到两个相位查找表RAM中，第一相位查找表存储第一象限和第四象限的相位信息，第二相位查找表存储第二象限和第三象限的相位信息，相位信号和幅值信号的数据类型为二进制无符号数，定义最高位表示符号位，其余位表示数据位；
所述FPGA通过JTAG接口接收相应RAM中的映射数据、通道控制信号、频率控制信号和初始相位信号；在FPGA内部利用DDS，根据通道控制信号和频率控制信号形成m个通道，m个通道的信号依次从相应的波形查找表中进行查找，得到相位所对应的幅值信号，再将幅值信号连接到DAC模块中进行数模转换，之后利用滤波模块对输出波形进行滤波，滤波后的各通道连接到反馈模块中；
所述反馈模块由一个多路选择器和一个ADC模块组成；多路选择器与ADC模块依次对各通道进行采样，并将采样后的信号输送到FPGA内的反馈信号处理模块中；
所述反馈信号处理模块包括缓存器、零点检测模块、相位补偿单元、相位差计算单元、状态检测单元和相位修正单元；
所述零点检测模块由一个比较器和m位进制的计数器组成，零点检测模块的计数器开始计数，将采样到的幅值信号与m个通道中的最小幅值信号进行比较，若检测出幅值大于最小幅值则将幅值信号记作wi，由计数器得到其所对应的通道序号i，依次将其后m-1个幅值信号记作：wi+1 wi+2 … wm w1 w2 … wi-1，其所对应的通道序数记作：i+1 i+2 … 1 2 …i-1；再依次取一个计数周期后各通道的值：w′i w′i+1 w′i+2 … w′m w′1 w′2 … w′i-1；将所得的数据送到状态检测单元中，将各通道前一个幅值信号与后一个幅值信号相减，其最高位即符号位的值用A表示；若前一个幅值信号的幅值大于后一个幅值信号的幅值，则A＝0，若小于则A＝1；同时将m路幅值信号wi wi+1 wi+2 … wm w1w2 … wi-1送入相位补偿单元，利用查表法从相位查找表中获得相应的相位值，若A＝1，则从第一相位查找表中查询相应的相位值；若A＝0，则从第二相位查找表中查询相应的相位值；并对各通道的相位进行补偿；
所述相位差计算单元将补偿后的相位值与预设的初始相位信号进行相减得到各通道相位差，其最高位即符号位的值用B表示；若补偿后的相位值大于初始相位，则B＝0，若小于则B＝1；再依据相位差计算单元来修改初始相位；B＝0则表示相位超前，B＝则表示相位滞后；若超前则根据相位修正单元将通道的初始相位减去该相位差，若滞后则根据相位修正单元将初始相位加上该相位差的补码，最后将其反馈给DDS进行修正。
2.根据权利要求1所述的一种带反馈校正的多通道超声波任意波形信号发生器，其特征在于，利用MATLAB在PC端生成相位转幅值的.mif文件以及幅值转相位的.mif文件，通过QuartusⅡ软件中的IP核功能生成RAM IP核，并将生成的.mif文件数据导入其中；将控制指令和发射参数通过JTAG接口传入FPGA中。
3.根据权利要求1所述的一种带反馈校正的多通道超声波任意波形信号发生器，其特征在于，通过有源晶振产生时钟信号fcLk，并分别连接到FPGA、DAC模块、反馈模块的多路选择器和ADC上。
4.根据权利要求1所述的一种带反馈校正的多通道超声波任意波形信号发生器，其特征在于，所述通道控制信号包括用户选择的通道序号和通道数m，所述频率控制信号为用户设定的发射超声波波形的频率信号，所述初始相位信号为用户设定的发射超声波波形的初始相位信号。
5.根据权利要求1所述的一种带反馈校正的多通道超声波任意波形信号发生器，其特征在于，所述FPGA接收通道控制信号和频率控制信号生成一个对应的相位累加器，将相位累加器输出的数据送入相应的m个加法器中与接收的初始相位信号进行累加，得到每个通道的地址信息，根据地址信息到其对应的波形查找表中，查找相位对应的幅值信号。
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