CN112003591A - 一种高频超声脉冲发生器及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频超声脉冲发生器及优化方法。该脉冲发生器包括：高速驱动电路接收TTL触发信号并将其转化为驱动信号；基于BJT雪崩导通的Marx电路接收驱动信号，根据驱动信号和供电电压驱动BJT雪崩导通，输出高压单极性激励脉冲；隔离电路接收高压单极性激励脉冲，隔离超声回波信号；换能器阻抗匹配电路对高频超声换能器进行阻抗匹配。该优化方法包括：建立高压单极性激励脉冲的三角波模型；建立高频超声换能器的冲激响应模型；幅值一定，遍历高压单极性激励脉冲，计算各高压单极性激励脉冲相对应的超声信号的峰值和峰值频率，得到目标单极性激励脉冲；根据目标单极性激励脉冲，优化高频超声脉冲发生器的电路参数。

Description

一种高频超声脉冲发生器及优化方法

技术领域

本发明涉及超声检测领域，特别涉及一种高频超声脉冲发生器及高频超声脉冲发生器优化方法。

背景技术

1924年E.Marx根据电容并联充电、串联放电原理提出了通过低压直流电源产生高压脉冲的Marx发生器，早期Marx发生器主要被应用于高能物理试验中。到了上世纪50年代，雪崩管开始进入纳秒脉冲技术领域，60年代，Bell、Prince、Hansen等人陆续开展了雪崩管Marx电路的研究，Marx发生器开始被广泛应用于激光***、超宽带雷达和核物理等领域。

目前，常规的超声激励方法主要有两种：(1)由双极型晶体管(Bipolar JunctionTransistor，BJT)或场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)组成高速开关电路产生高压脉冲激励超声换能器，这种激励方法通常搭配有相应的晶体管驱动电路；(2)使用高压数字脉冲发生器芯片直接激励超声换能器。由于元器件的限制，上述两种常规超声激励方法输出的激励脉冲上升时间为几十纳秒，下降时间则更长，不能很好地激励高频超声换能器。为了激励高频超声换能器，许多研究提出了减少单极性激励脉冲宽度和边沿时间的方法，致力于产生时域更窄、频域覆盖更宽的激励脉冲。考虑到BJT工作在雪崩区时，由于载流子的倍增效应，BJT的开关速度更快，1993年陈戈林采用单个雪崩管3DB2I产生脉宽5-10ns的单极性高压脉冲激励高频超声换能器，但是单个雪崩管的脉冲幅值和脉冲功率有限。2002年Jeremy A.Brown提出了一种应用于高频超声成像的低成本、高性能脉冲发生器，该脉冲发生器由三级电路组成，在50Ω负载下可输出宽度10ns，幅值110V的单极性激励脉冲。2012年Weibao Qiu采用Jeremy A.Brown的方法，实现了用于高频超声成像的多功能可重构脉冲发生器，该脉冲发生器输出的单极性脉冲6dB带宽为70MHz，宽度为11ns，幅值为165V。上述研究输出的激励脉冲宽度都在10ns左右，为了很好地激励200MHz甚至更高频率的高频超声换能器，需要脉冲发生器能够输出时域更窄、频域覆盖更宽的激励脉冲。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的缺陷。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例记载了一种高频超声脉冲发生器，该脉冲发生器包括：直流低压源，高速驱动电路，直流高压源，Marx电路，隔离电路和换能器阻抗匹配电路。

直流低压源向高速驱动电路提供工作电压；高速驱动电路接收TTL触发信号，将TTL触发信号转化为驱动信号；直流高压源向Marx电路提供供电电压；Marx电路基于BJT雪崩导通，用于接收驱动信号，根据驱动信号和供电电压驱动Marx电路内的BIT雪崩导通，输出高压单极性激励脉冲；隔离电路接收高压单极性激励脉冲，隔离超声回波信号带来的影响，输出消除回波信号影响的高压单极性激励脉冲；换能器阻抗匹配电路接收高压单极性激励脉冲，对高频超声换能器进行阻抗匹配，使得脉冲发生器的输出功率尽可能转化为换能器的发射功率，提高发射效率。

一个可实现的实施例中，供电电压趋近于Marx电路的BJT雪崩击穿电压。

一个可实现的实施例中，高速驱动电路由多路反转施密特触发器串联组成。

一个可实现的实施例中，隔离电路由两个反向并联的二极管组成。

一个可实现的实施例中，换能器阻抗匹配电路为L型匹配电路。

第二方面，本发明实施例记载了一种基于第一方面中高频超声脉冲发生器的优化方法，包括下列步骤：

建立高频超声脉冲发生器输出的高压单极性激励脉冲的三角波模型；采用高斯包络的余弦信号建立高频超声换能器的冲激响应的模型；幅值一定，遍历高压单极性激励脉冲，计算各高压单极性激励脉冲相对应的超声信号的峰值和峰值频率，得到目标单极性激励脉冲；根据目标单极性激励脉冲，优化高频超声脉冲发生器的电路参数。

一个可实现的实施例中，将各高压单极性激励脉冲与冲激响应进行卷积计算，得到相应的超声信号的峰值和峰值频率；根据超声信号的峰值和峰值频率，确定目标单极性激励脉冲。

一个可实现的实施例中，目标单极性激励脉冲的脉冲宽度d＝0.766/f₀，前沿宽度d₁和后沿宽度d₂相等。

本发明实施例的有益效果在于：将Marx发生器引入到高频超声激励领域，并对其进行了改进，提出了一种基于Marx结构的高频超声脉冲发生器。针对具体高频超声应用场景，单极性激励脉冲的宽度和前后边沿对超声信号的峰值和峰值频率有着重要影响，为了使得脉冲发生器输出的单极性激励脉冲与之匹配，实现最优激励，首先确定目标单极性激励脉冲，然后根据该激励脉冲对脉冲发生器的电路参数进行优化。

附图说明

图1为本发明实施例的一种高频超声脉冲发生器的示意性框图；

图2为本发明实施例的一种高频超声脉冲发生器优化方法流程图；

图3为本发明实施例的高压单极性激励脉冲的三角波模型；

图4为本发明实施例的Marx电路及隔离电路电路图；

图5为本发明实施例的储能电容放电等效电路图；

图6为本发明实施例的高速驱动电路示意图；

图7为本发明实施例的高压单极性激励脉冲波形图；

图8为本发明实施例的换能器阻抗匹配电路电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本技术领域的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，都属于本发明保护的范围。

为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

图1为本发明实施例的一种高频超声脉冲发生器的示意性框图。如图1所示，该高频超声脉冲发生器包括直流低压源、直流高压源、高速驱动电路、Marx电路、隔离电路和换能器阻抗匹配电路。

直流低压源向高速驱动电路提供工作电压V_DD。直流高压源向Marx电路提供趋近于Marx电路中BJT雪崩击穿电压BV_CES的供电电压V_CC。高速驱动电路接收TTL触发信号，并将该TTL触发信号转化为驱动信号后发送至Marx电路。Marx电路接收驱动信号，并根据驱动信号和Vcc驱动BIT雪崩导通，输出高压单极性激励脉冲至隔离电路。隔离电路接收高压单极性激励脉冲，并隔离超声回波信号带来的影响，输出消除回波信号影响的高压单极性激励脉冲。换能器阻抗匹配电路接收高压单极性激励脉冲，对高频超声换能器进行阻抗匹配，使得脉冲发生器的输出功率尽可能转化为换能器的发射功率。

在一个可行的实施例中，高速驱动电路由多路反转施密特触发器串联组成，以提高驱动能力。由于用于接收驱动信号的Marx电路是基于BJT雪崩导通的，触发BJT雪崩导通分为延迟和上升两个过程，为了减少延迟和上升的时间，要求高速驱动电路提供的驱动信号为具有较大驱动电压、驱动电流以及较快前沿的触发脉冲。

图2为本发明实施例的一种高频超声脉冲发生器优化方法流程图。如图2所示，该方法包括下列步骤：

步骤S211：建立高频超声脉冲发生器输出的高压单极性激励脉冲的三角波模型。

基于高频超声换能器的谐振特性，建立高压单极性激励脉冲x(t)的三角波模型。如图3所示，确定脉冲前沿的起点P₁，脉冲的波谷P₂以及脉冲后沿的终点P₃，将高压单极性激励脉冲的脉冲前沿用P₁及P₂之间的直线做近似代替，将高压单极性激励脉冲的脉冲后沿用P₂及P₃之间的直线做近似代替，高压单极性激励脉冲被近似为三角波。

步骤S212：采用高斯包络的余弦信号建立高频超声换能器的冲激响应的模型。

冲激响应h(t)的表达式为：

其中，ω₀＝2πf₀，f₀为高频超声换能器的中心频率，σ是与高频超声换能器的相对带宽B有关的常数，σ＝3.32/B，θ为初始偏移相位。对于高频超声换能器，其中心频率f₀大于20MHz，相对带宽B一般为0.3至1.0，根据高频超声换能器的中心频率f₀和相对带宽B，取初始偏移相位θ为0，可得到高频超声换能器的冲激响应h(t)。

步骤S220：幅值一定，遍历高压单极性激励脉冲，计算各高压单极性激励脉冲相对应的超声信号的峰值和峰值频率，得到目标单极性激励脉冲。其中，超声信号为高压单极性激励脉冲与冲激响应的卷积。

在幅值相同的情况下，以一定精度遍历不同脉冲宽度d、前沿宽度d₁和后沿宽度d₂的高压单极性激励脉冲。将各个高压单极性激励脉冲x(t)与冲激响应h(t)进行卷积计算，得到相应的各超声信号y(t)的峰值和峰值频率。根据各超声信号y(t)的峰值和峰值频率，确定目标单极性激励脉冲。

在一个可行的实施例中，当高频超声换能器的相对带宽B不大于0.75，目标单极性激励脉冲满足d＝0.766/f₀、d₁＝d₂时，可使得超声信号的峰值最大。此时，超声信号的峰值频率fm接近高频超声换能器的中心频率f₀(即两者间的频率差f₀-f_m＜0.1f₀)，即用于确定目标单极性激励脉冲的超声信号的峰值和峰值频率。

在一个可行的实施例中，当高频超声换能器的相对带宽B大于0.75，目标单极性激励脉冲满足d＝0.766/f₀、d₁＝d₂时，虽然可以使得超声信号的峰值最大，但此时超声信号的峰值频率f_m较低，使得峰值频率f_m与高频超声换能器的中心频率f₀的频率差f₀-f_m≥0.1f₀。若想提高超声信号的峰值频率f_m，则需适当减小目标单极性激励脉冲的脉冲宽度d。具体地，减小脉冲宽度d的具体数值，由预计得到的峰值频率f_m的具体数值确定。

步骤S230：根据目标单极性激励脉冲，优化高频超声脉冲发生器的电路参数。

在一个可行的实施例中，目标单极性激励脉冲的判定依据为该单极性激励脉冲的前沿宽度和后沿宽度。

高频超声脉冲发生器的高压单极性激励脉冲的前沿宽度d₁表达式为：

d₁＝1.24×2/(2πf_α) (公式2)

其中，f_α为高频超声脉冲发生器中Marx电路的BJT的共基截止频率。一般地，从BJT产品手册即可得到的特征频率f_T。在BJT中，特征频率f_T、共基截止频率f_α和共射截止频率f_β的关系为：f_α＝(1+β₀)f_β，f_T＝β₀f_β，其中，β₀为BJT低频时的共射电流放大系数，一般约为百数量级，因此f_α≈f_T，公式2可写为：

d₁＝1.24×2/(2πf_T) (公式3)

由此可知，前沿宽度d₁受BJT的特征频率f_T。可通过选择特定的BJT型号，确定前沿宽度d₁，使前沿宽度d₁满足目标单极性激励脉冲的要求。

Marx电路中的BJT雪崩导通后，等效为导通电阻R_N和导通电感L_N串联。以5级Marx电路为例，如图4所示，当BJT(T₁-T₅)依次雪崩导通后，储能电容C₁-C₅串联快速放电，等效电路图如图5所示，忽略掉导通电感L_N和导线的影响，可得储能电容C₁-C₅两端总的电压表达式为：

其中，R＝R_L+5R_N，R_L为负载电阻，5为Marx结构级数，储能电容的总容量C＝C₁//C₂//C₃//C₄//C₅，为了提高末级Marx结构放电速度，末级储能电容C₅的电容值小于其他各级储能电容。因此，电容放电时间常数τ＝RC＝(R_L+5R_N)·C。因此，高频超声脉冲发生器的高压单极性激励脉冲的后沿宽度d₂表达式为：

d₂＝k·τ＝k·(R_L+5R_N)·C (公式5)

其中，k通常取3～5，导通电阻R_N很小，约为数欧姆至数十欧姆。

需要理解，当存在m级Marx结构时，R＝R_L+mR_N，C＝C₁//C₂//......//C_m，d₂＝k·τ＝k·(R_L+mR_N)·C。

因此，单极性激励脉冲的后宽度受储能电容影响，可通过改变储能电容的电容值，使单极性激励脉冲的后沿宽度满足最优条件。

此外，高压单极性激励脉冲的幅值与供电电压V_CC、Marx电路级数、储能电容有关，可通过改变供电电压V_CC和/或Marx电路级数，消除由于通过调整储能电容改变后沿宽度对高压单极性激励脉冲的幅值造成的影响。

实施例一

构建如图1所示的高频超声脉冲发生器，该脉冲发生器包括直流低压源、直流高压源、高速驱动电路、Marx电路、隔离电路和换能器阻抗匹配电路。

直流低压源向高速驱动电路提供工作电压V_DD。

直流高压源向Marx电路提供趋近于Marx电路中BJT雪崩击穿电压BV_CES的供电电压V_CC。

高速驱动电路由4路反转施密特触发器串联组成，接收TTL触发信号，并将该TTL触发信号转化为驱动信号后发送至Marx电路。如图6所示，高速驱动电路使用74AHCT14D芯片，该芯片为高速硅栅CMOS器件，最多可以提供6个具有施密特触发器功能的反转缓冲器。

Marx电路由5级Marx结构组成，使用BJT作为开关，根据供电电压V_CC使BJT导通时工作在雪崩区。如图4所示，Marx电路包括限流电阻R_C1-R_C5和R_E1-R_E4，NPN型BJT开关T₁-T₅，隔直电容C₀，以及储能电容C₁-C₅。其中，第1级Marx结构包括R_C1、T₁、C₀和C₁。R_C1第一端连接V_CC，R_C1第二端连接C₁的第一端和T₁的集电极，C₀的第一端连接驱动信号，C₀的第二端连接T₁的基极、发射极和接地，C₁的第二端连接下一级Marx结构(即C₁的第二端作为第1级Marx结构的输出端)。第2-5级的Marx结构具备相同的器件连接关系，以第5级Marx结构为例进行说明，第2-4级的Marx结构不再赘述。第5级Marx结构包括R_C5、R_E4、T₅和C₅。R_C5第一端连接V_CC，R_C5第二端连接C₅的第一端和T₅的集电极，T₅的基极连接T₅的发射极，限流电阻R_E4的第一端和上一级Marx结构的输出端，限流电阻R_E4的第二端接地，C₅的第二端连接后续电路(即C₅的第二端作为第5级Marx结构的输出端)。

需要说明，为了提高末级Marx结构(即第5级Marx结构)放电速度，末级Marx结构中的储能电容C₅的电容值小于其他各级储能电容。

如图4所示，隔离电路由二极管D₁、D₂反向并联构成。其中，D₁的输入端连接D₂的输出端和C₅的第二端(即Marx电路的输出端)，D₁的输出端连接D₂的输入端并作为隔离电路的输出端输出高压单极性激励脉冲。隔离电路接收高压单极性激励脉冲，并隔离超声回波信号带来的影响，输出高压单极性激励脉冲。

在图4所示的电路未施加驱动信号时，T₁-T₅处于截止状态，C₁-C₅并联充电，C₁-C₅的电压均为供电电压V_CC，供电电压V_CC临近雪崩击穿电压BV_CES。在高速驱动电路输出驱动信号之后，T₁触发雪崩导通，此后T₂-T₅依次发生过压雪崩导通，在隔离电路的输出端(即D₁的输出端)产生瞬时负高压，即很陡峭的脉冲前沿，之后储能电容C₁-C₅串联快速放电，在隔离电路的输出端产生很陡峭的脉冲后沿。放电等效电路如图5所示，其中，R_N1-R_N5分别为T₁-T₅的导通电阻，L_N1-L_N5分别为T₁-T₅的导通电感，R₀为导线电阻，L₀为导线电感，R_L为负载电阻。如此便产生了时域更窄、频域覆盖更宽的高压单极性负脉冲，脉冲形状如图7所示。

如图8所示，换能器阻抗匹配电路采用L型匹配网络，通过并联电容C和串联电感L，实现阻抗匹配。其中，L的第一端连接隔离电路的输出端，L的第二端连接C的第一端，C的第二端接地，高频超声换能器并联在C的两端。换能器阻抗匹配电路接收高压单极性激励脉冲，对高频超声换能器进行阻抗匹配，使得脉冲发生器的输出功率尽可能转化为换能器的发射功率。

实施例二

采用如图2所示的方法对实施例一的高频超声脉冲发生器进行优化。确定与并联电容C并联的负载为200MHz高频超声换能器，经测试，该高频超声换能器的中心频率f₀为177.5MHz，相对带宽B为0.726。

根据高频超声换能器的中心频率f₀，确定目标单极性激励脉冲的脉冲宽度d＝0.766/f₀＝4.315ns。并且当d₁＝d₂＝2.158ns时，超声信号峰值最大。此时，超声信号峰值频率f_m接近换能器中心频率f₀(即f₀-f_m＜0.1f₀)，超声信号具备最优的峰值和峰值频率。

根据公式3得到：d₁＝1.24×2/(2πf_T)＝2.158ns。由此得到BJT特征频率f_T＝183.0MHz。根据特征频率f_T对BJT进行选型，确定实施例一的高频超声脉冲发生器中的T₁-T₅使用安森美半导体公司的2SC4617，使得单极性激励脉冲的前沿宽度满足目标单极性激励脉冲。具体地，2SC4617的特征频率f_T＝180MHz，击穿电压BV_CEO＝50V。

根据公式5得到：d₂＝k·(R_L+5R_N)·C＝2.158ns。取k＝3，R_L＝50Ω，R_N＝20Ω，由此得到C＝C₁//C₂//C₃//C₄//C₅＝4.796pF。为了提高末级放电速度，设置末级储能电容C₅的电容值小于其他各级储能电容，确定实施例一的高频超声脉冲发生器中C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝100pF，C₅＝5.934pF，，从而使得单极性激励脉冲的后沿宽度满足目标单极性激励脉冲。

通过上述调整，针对上述高频超声换能器，完成了脉冲发生器的参数优化，使之输出的单极性激励脉冲与高频超声换能器相匹配，达到最优激励效果。

本发明实施例的一种高频超声脉冲发生器及优化方法，将Marx发生器引入到高频超声激励领域，并对其进行了改进，提出了一种基于Marx结构的高频超声脉冲发生器。针对具体高频超声应用场景，单极性激励脉冲的宽度和前后边沿对超声信号的峰值和峰值频率有着重要影响，为了使得脉冲发生器输出的单极性激励脉冲与之匹配，实现最优激励，首先确定目标单极性激励脉冲，然后根据该激励脉冲对脉冲发生器的电路参数进行优化。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所以理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式之一而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高频超声脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲发生器包括：

直流低压源，用于向高速驱动电路提供工作电压；

高速驱动电路，用于接收TTL触发信号，将所述TTL触发信号转化为驱动信号；

直流高压源，用于向Marx电路提供供电电压；

Marx电路，基于BJT雪崩导通，用于接收所述驱动信号，根据所述驱动信号和供电电压驱动所述Marx电路内的BJT雪崩导通，输出高压单极性激励脉冲；

隔离电路，用于接收所述高压单极性激励脉冲，隔离超声回波信号带来的影响，输出消除回波信号影响的所述高压单极性激励脉冲；

换能器阻抗匹配电路，用于接收隔离超声回波信号影响的所述高压单极性激励脉冲，对高频超声换能器进行阻抗匹配，使得所述脉冲发生器的输出功率转化为所述高频超声换能器的发射功率。

2.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于，所述供电电压趋近于所述Marx电路的BJT雪崩击穿电压。

3.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于，所述高速驱动电路由多路反转施密特触发器串联组成。

4.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于，所述隔离电路由两个反向并联的二极管组成。

5.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于，所述换能器阻抗匹配电路为L型匹配电路。

6.一种基于如权利要求1所述高频超声脉冲发生器的优化方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

建立所述高频超声脉冲发生器输出的高压单极性激励脉冲的三角波模型；采用高斯包络的余弦信号建立高频超声换能器的冲激响应的模型；

幅值一定，遍历所述高压单极性激励脉冲，计算各所述高压单极性激励脉冲相对应的超声信号的峰值和峰值频率，得到目标单极性激励脉冲；

根据所述目标单极性激励脉冲，优化所述高频超声脉冲发生器的电路参数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，幅值一定，遍历所述高压单极性激励脉冲，计算各所述高压单极性激励脉冲相对应的超声信号的峰值和峰值频率，得到目标单极性激励脉冲，具体包括：

将各所述高压单极性激励脉冲与所述冲激响应进行卷积计算，得到相应的超声信号的峰值和峰值频率；根据所述超声信号的峰值和峰值频率，确定所述目标单极性激励脉冲。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述目标单极性激励脉冲的脉冲宽度d＝0.766/f₀，前沿宽度d₁和后沿宽度d₂相等。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述前沿宽度d₁表达式为：

d₁＝1.24×2/(2πf_T)

其中，f_T为所述高频超声脉冲发生器中BJT的特征频率。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述高频超声脉冲发生器中BJT雪崩导通后，所述高频超声脉冲发生器中Marx电路的各级Marx结构等效为导通电阻R_N、导通电感L_N和储能电容的串联；

所述后沿宽度d₂表达式为：

d₂＝k·τ＝k·(R_L+mR_N)·C

其中，k为常数，τ为所述储能电容放电时间常数，R_L为负载电阻，m为Marx电路中Marx结构的级数，C为Marx电路中m个储能电容总容量。

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