CN220175140U - 一种脉冲发射电路*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种脉冲发射电路***，包括控制器、脉冲发射电路、双路高压模组，控制器与脉冲发射电路、双路高压模组连接，双路高压模组与脉冲发射电路连接，脉冲发射电路与换能器连接，控制器用于控制发射脉冲形状和脉冲重复发射频率，输出设定的逻辑时序电平驱动脉冲发射电路，脉冲发射电路用于实现设置好的脉冲形状以及激励换能器，双路高压模组用于给脉冲发射电路提供两种不同幅值的高压电源。本实用新型通过激励方式的变换以提高超声纵向分辨率，实现超声图像的提升；能够在不改变换能器情况下，提升分辨率，有更广的适应性；硬件电路***不仅能实现传统的矩形脉冲激励功能，且增加了两种不同幅值电平脉冲的发射形状功能，提升了应用场景。

Description

一种脉冲发射电路***

技术领域

本实用新型涉及超声成像技术领域，特别涉及一种脉冲发射电路***。

背景技术

超声具有无辐射、安全、实时性高等特点，在医疗成像和无损检测领域使用超声是最常用的方法之一。超声成像是利用超声波扫描检测部位，接收处理反射回来的信号，以获取被检测部位内部形态的图像。医疗成像的实现方式多为使用高压脉冲激励换能器使其发射超声脉冲波，超声脉冲波进入人体后，由于人体不同器官组织的声阻抗不同，使得超声波在不同组织或器官分界面被部分反射、折射、吸收等。利用换能器接收反射回来的超声波，并经过一系列电路和软件算法的处理，形成超声图像。无损检测基本原理和超声成像相同，利用空洞或者裂纹和原工件材料声阻抗不同，在交界的界面发生折射和反射信号，反射回来的信号被接收并识别。

上述成像和检测方式中分辨率是非常重要的参数，分辨率的高低直接决定超声图像能识别的最小间隔，对于成像设备和检测设备都至关重要。因此，提升超声分辨率具有很强的实用价值。

目前，提升超声分辨率的方式主要有以下几种：

1.提升超声频率，超声频率越高，超声波长越短，其分辨率越高，但是频率越高，衰减越快，可探测深度越浅；另一方面，提高超声频率需要更换更高频的超声换能器和高频的激励电路***，更高频率的换能器和电路***带来更高的设计和制造成本。

2.提升超声换能器带宽，使用大带宽换能器可以减少回波震荡，提升分辨率。但是高带宽换能器设计和加工难度高，使用成本大大增加。

在超声换能器参数已经固定的情况下，为了提升图像纵向分辨率，急需一种脉冲发射电路***，通过对发射脉冲的调整和优化，设置合适的激励脉冲形状，提高超声的分辨率。

实用新型内容

为了实现本实用新型的上述目的和其他优点，本实用新型的目的是提供一种脉冲发射电路***，包括控制器、脉冲发射电路、双路高压模组，所述控制器与所述脉冲发射电路、所述双路高压模组连接，所述双路高压模组与所述脉冲发射电路连接，所述脉冲发射电路与换能器连接，所述控制器用于控制发射脉冲形状和脉冲重复发射频率，输出设定的逻辑时序电平驱动所述脉冲发射电路，所述脉冲发射电路用于实现设置好的脉冲形状以及激励换能器，所述双路高压模组用于给所述脉冲发射电路提供两种不同幅值的高压电源。

进一步地，所述脉冲发射电路包括脉冲形状设置芯片、脉冲放大电路，所述脉冲放大电路包括第一增强型MOSFET对芯片、第二增强型MOSFET对芯片、第三增强型MOSFET对芯片；

所述控制器的选择引脚、使能引脚、第一高电平引脚、第一低电平引脚、第二高电平引脚、第二低电平引脚、嵌位功能引脚分别与所述脉冲形状设置芯片的选择引脚、使能引脚、第一高电平引脚、第一低电平引脚、第二高电平引脚、第二低电平引脚、嵌位功能引脚连接；

所述脉冲形状设置芯片的第一正输出引脚、第一负输出引脚分别与所述第一增强型MOSFET对芯片的第一栅极、第二栅极连接，所述第一增强型MOSFET对芯片的第一源极、第二源极分别与所述双路高压模组的电压输出端连接，所述第一增强型MOSFET对芯片的第一漏极和第二漏极与换能器接口连接；

所述脉冲形状设置芯片的第二正输出引脚、第二负输出引脚分别与所述第二增强型MOSFET对芯片的第一栅极、第二栅极连接，所述第二增强型MOSFET对芯片的第一源极、第二源极分别与所述双路高压模组的电压输出端连接，所述第二增强型MOSFET对芯片的第一漏极和第二漏极与换能器接口连接；

所述脉冲形状设置芯片的第三正输出引脚、第三负输出引脚分别与所述第三增强型MOSFET对芯片的第一栅极、第二栅极连接，所述第三增强型MOSFET对芯片的第一源极、第二源极均接地，所述第三增强型MOSFET对芯片的第一漏极和第二漏极与换能器接口连接。

进一步地，所述脉冲发射电路还包括保护电路，所述保护电路包括第一高压开关二极管、第二高压开关二极管，所述第一增强型MOSFET对芯片的第一漏极和第二漏极分别与所述第一高压开关二极管的第一正极、第一负极连接，所述第二增强型MOSFET对芯片的第一漏极和第二漏极分别与所述第一高压开关二极管的第二正极、第二负极连接，所述第一高压开关二极管的第三正极、第三负极与换能器接口连接，所述第三增强型MOSFET对芯片的第一漏极和第二漏极分别与所述第二高压开关二极管的第一正极、第一负极连接，所述第二高压开关二极管的第三负极与换能器接口连接。

进一步地，所述双路高压模组包括第一隔离式直流-直流转换器、第二隔离式直流-直流转换器，所述第一隔离式直流-直流转换器的正电源输入引脚接电源，所述第一隔离式直流-直流转换器的负电源输入引脚接地，所述第一隔离式直流-直流转换器的正电源输出引脚接地，所述第一隔离式直流-直流转换器的两个负电源输出引脚分别与所述第一增强型MOSFET对芯片的第一源极、所述第二增强型MOSFET对芯片的第一源极连接，所述第二隔离式直流-直流转换器的正电源输入引脚接电源，所述第二隔离式直流-直流转换器的负电源输入引脚接地，所述第二隔离式直流-直流转换器的正电源输出引脚与所述第一增强型MOSFET对芯片的第二源极连接，所述第二隔离式直流-直流转换器的两个负电源输出引脚分别与所述第二增强型MOSFET对芯片的第二源极、地连接。

进一步地，所述脉冲形状设置芯片为集成超声驱动器芯片。

进一步地，所述第一增强型MOSFET对芯片、所述第二增强型MOSFET对芯片、所述第三增强型MOSFET对芯片均集成两个高压MOS管，其中一个为N沟道MOS管，另一个为P沟道MOS管。

进一步地，所述第一高压开关二极管、所述第二高压开关二极管均为两个串联二极管电路连接形成的全波电桥。

进一步地，所述第一隔离式直流-直流转换器、所述第二隔离式直流-直流转换器均为三路输出直流-直流转换器。

进一步地，还包括T/R开关，所述T/R开关接在所述脉冲发射电路和回波接收器之间。

进一步地，所述控制器为FPGA控制器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供一种脉冲发射电路***，通过激励方式的变换以提高超声纵向分辨率，实现超声图像的提升；通过设定时间T和发射脉冲形状，能够在不改变换能器情况下，提升分辨率，从而有更广的适应性。本实用新型的硬件电路***不仅能实现传统的矩形脉冲激励功能，并且增加了两种不同幅值电平脉冲的发射形状功能，提升了应用场景。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为实施例1的脉冲发射原理示意图；

图2为实施例1的脉冲发射电路***框图；

图3为实施例1的FPGA控制逻辑输出电平示意图；

图4为实施例1的脉冲发射电路图；

图5为实施例1的增强型MOSFET对芯片示意图；

图6为实施例1的高压开关二极管示意图；

图7为实施例1的隔离式直流-直流转换器的输出电压配置表；

图8为实施例1的双路高压模组电路图；

图9为实施例1的脉冲形状设置芯片输出电平和最终输出脉冲示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例1

使用脉冲发射实现分辨率提升的原理主要是使用两个幅值不同的激励脉冲，通过两个脉冲的回波叠加实现回波信号快速停止震荡，从而提升图像的分辨率。通过发射两次幅值和间隔时间不同的激励脉冲信号，实现减小回波震荡时间，提升超声分辨率，具体原理如图1所示。若发射脉冲P1(图1(a)),其回波如图1(a1)所示；若发射脉冲P2(图1(b)),其回波如图(b1)所示；若发射波形为P3(图1(c))所示,其波形为发射脉冲P1后间隔时间T再次发射脉冲P2，其回波如图1(c1)，通过回波叠加，实现回波时域上长度减少，从而获得分辨率提高。

一种脉冲发射电路***，如图2所示，包括控制器、脉冲发射电路、双路高压模组，控制器与脉冲发射电路、双路高压模组连接，双路高压模组与脉冲发射电路连接，脉冲发射电路与换能器连接，控制器用于控制发射脉冲形状和脉冲重复发射频率，输出设定的逻辑时序电平驱动脉冲发射电路，以及通过串口与上位机进行通讯，用户可在上位机界面输入换能器频率F和间隔时间T，从而实现更大的灵活性和兼容性，可以适用不同主频的换能器。其中，间隔时间T优先设置为1/F，2/F，F为换能器中心频率。脉冲发射电路用于实现设置好的脉冲形状以及激励换能器，双路高压模组用于给脉冲发射电路提供两种不同幅值的高压电源，如将脉冲P1电压设置为72V，脉冲P2电压设置为48V。本实施例中，控制器为FPGA控制器，功效能耗较低，处理效率较高。

如图4所示，脉冲发射电路包括脉冲形状设置芯片、脉冲放大电路；脉冲放大电路包括第一增强型MOSFET对芯片、第二增强型MOSFET对芯片、第三增强型MOSFET对芯片；

本实施例中，脉冲形状设置芯片为集成超声驱动器芯片，如采用MD1711FG芯片。如图5所示，第一增强型MOSFET对芯片、第二增强型MOSFET对芯片、第三增强型MOSFET对芯片均集成两个高压MOS管，其中一个为N沟道MOS管，另一个为P沟道MOS管，如采用TC6320芯片。

FPGA控制器的选择引脚MD1711_SEL、使能引脚MD1711_EN、第一高电平引脚POS1A、第一低电平引脚NEG1A、第二高电平引脚POS2A、第二低电平引脚NEG2A、嵌位功能引脚CLAMPA分别与脉冲形状设置芯片IC2的选择引脚SEL、使能引脚EN、第一高电平引脚POSA/POS1A、第一低电平引脚NEGA/NEG1A、第二高电平引脚HVEN1A/POS2A、第二低电平引脚HVEN2A/NEG2A、嵌位功能引脚连接CLAMPA；

脉冲形状设置芯片IC2的第一正输出引脚OUT-PA1、第一负输出引脚OUT-NA1分别与第一增强型MOSFET对芯片IC1的第一栅极GN、第二栅极GP连接，第一增强型MOSFET对芯片IC1的第一源极SN、第二源极SP分别与双路高压模组的电压输出端连接，第一增强型MOSFET对芯片IC1的第一漏极DP_2、DP_1和第二漏极DN_2、DN_1与换能器接口连接；

脉冲形状设置芯片IC2的第二正输出引脚OUT-PA2、第二负输出引脚OUT-NA2分别与第二增强型MOSFET对芯片IC3的第一栅极GN、第二栅极GP连接，第二增强型MOSFET对芯片IC3的第一源极SN、第二源极SP分别与双路高压模组的电压输出端连接，第二增强型MOSFET对芯片IC3的第一漏极DP_2、DP_1和第二漏极DN_2、DN_1与换能器接口连接；

脉冲形状设置芯片IC2的第三正输出引脚OUT-PA3、第三负输出引脚OUT-NA3分别与第三增强型MOSFET对芯片IC4的第一栅极GN、第二栅极GP连接，第三增强型MOSFET对芯片IC4的第一源极SN、第二源极SP均接地，第三增强型MOSFET对芯片IC4的第一漏极DP_2、DP_1和第二漏极DN_2、DN_1与换能器接口连接。

FPGA控制器的逻辑管脚输出的高低电平信号如图3所示，用于驱动发射脉冲电路的MD1711FG芯片。具体的输入电平逻辑为MD1711_SEL为高电平，MD1711_EN在发射脉冲设置阶段为高电平，MD1711_EN拉高后，POS1A开始变为高电平，持续时间为1/2F，F为换能器的中心频率。随后CLAMPA变为高电平，持续时间为T，然后POS2A开始变为高电平，持续时间为1/2F，随后CLAMPA再变为高电平，持续时间为T，从而完成一次脉冲发射。本实施例的时间间隔T为1/F。

MD1711FG芯片的输入脚输入指定时序逻辑电平信号后，输出脚输出相应的10V中压控制信号，用于驱动增强型MOSFET对TC6320芯片。当TC6320芯片输入10V中压控制信号，可以控制输出高压脉冲信号(最大±100V)。

脉冲发射电路还包括保护电路，保护电路包括第一高压开关二极管U1、第二高压开关二极管U2。如图6所示，第一高压开关二极管、第二高压开关二极管均为两个串联二极管电路连接形成的全波电桥，如采用MMBD3004B芯片。高压开关二极管的作用是实现电压单向输出，由于TC6320芯片包含两个MOS管，为防止开启不当导致而引入，即其中一个MOS芯片输出击坏另一个MOS芯片，其主要功能为保护TC6320芯片。

第一增强型MOSFET对芯片IC1的第一漏极DP_2、DP_1和第二漏极DN_2、DN_1分别与第一高压开关二极管U1的第一正极(U1的1号引脚，图6中的A₁引脚)、第一负极(U1的5号引脚，图6中的C₁引脚)连接，第二增强型MOSFET对芯片IC3的第一漏极DP_2、DP_1和第二漏极DN_2、DN_1分别与第一高压开关二极管U1的第二正极(U1的2号引脚，图6中的A₂引脚)、第二负极(U1的4号引脚，图6中的C₂引脚)连接，第一高压开关二极管U1的第三正极(U1的3号引脚，图6中的AC₂引脚)、第三负极(U1的6号引脚，图6中的AC₁引脚)与换能器接口连接，第三增强型MOSFET对芯片IC4的第一漏极DP_2、DP_1和第二漏极DN_2、DN_1分别与第二高压开关二极管U2的第一正极(U2的1号引脚)、第一负极(U2的5号引脚)连接，第二高压开关二极管U2的第三负极(U2的6号引脚)与换能器接口连接。

如图8所示，双路高压模组包括第一隔离式直流-直流转换器PS2、第二隔离式直流-直流转换器PS1，本实施例的第一隔离式直流-直流转换器、第二隔离式直流-直流转换器均为三路输出直流-直流转换器，如采用NMT1272SC芯片,此芯片可以实现24V、48V以及72V正负电压输出。隔离式直流-直流转换器的输出电压配置表如图7所示。

第一隔离式直流-直流转换器PS2的正电源输入引脚+VIN接12V电源，第一隔离式直流-直流转换器的负电源输入引脚-VIN接地，第一隔离式直流-直流转换器的正电源输出引脚+VOUT接地，第一隔离式直流-直流转换器的两个负电源输出引脚分别与第一增强型MOSFET对芯片的第一源极、第二增强型MOSFET对芯片的第一源极连接，本实施例中，第一隔离式直流-直流转换器的第二负电源输出引脚-VOUT2、第三负电源输出引脚-VOUT3分别与第一增强型MOSFET对芯片IC1的第一源极SN、第二增强型MOSFET对芯片IC3的第一源极SN连接。第二隔离式直流-直流转换器PS1的正电源输入引脚+VIN接12V电源，第二隔离式直流-直流转换器的负电源输入引脚-VIN接地，第二隔离式直流-直流转换器的正电源输出引脚+VOUT与第一增强型MOSFET对芯片IC1的第二源极SP连接，第二隔离式直流-直流转换器的两个负电源输出引脚分别与第二增强型MOSFET对芯片的第二源极、地连接，本实施例中，第二隔离式直流-直流转换器的第一负电源输出引脚-VOUT1、第三负电源输出引脚-VOUT3分别与第二增强型MOSFET对芯片IC3的第二源极SP、地连接。

本实施例中，双路高压模组使用NMT1272SC芯片提供两路高压，PS1模组提供+48V(HVP2)和+72V(HVP1)电压，PS2模组提供-48V(HVM2)和-72V(HVM1)电压，并将对应电压接入IC1和IC3对应管脚，从而实现为高压MOSFET供电的功能。需要说明的是，脉冲发射电路***可以根据实际需求选择使用隔离式直流-直流转换器的输出引脚，实现不同幅值的电压的输出，并不仅限于输出上述实施例中的+48V、+72V、-48V和-72V电压。

脉冲发射电路中IC2芯片输出电平和最终连接接换能器端输出电压电平如图9所示。对于IC2，输入POS1A和NEG1A控制输出管脚为OUT-PA1和OUT-NA1，输入POS2A和NEG2A控制输出管脚为OUT-PA2和OUT-NA2，CLAMPA控制输出管脚为OUT-PA3和OUT-NA3。IC2输入管脚POS1A为高时，输出OUT-PA1为高电平，从而驱动IC1芯片6脚输出高电源HVP1(如72V)；IC2输入管脚POS2A为高时，输出OUT-PA2为高电平，从而驱动使得IC3芯片6脚输出高电源HVP2(如48V)。当IC2输入管脚CLAMPA为高时,输出OUT-PA2为高电平,从而驱动使得IC4芯片6脚输出电平为地电平(0V)。

为了保护回波接收器免受高压传输脉冲的影响，脉冲发射电路***还包括T/R开关，T/R开关接在脉冲发射电路和回波接收器之间，通常发射期间开关断开，接收回波期间开关导通。本实施例使用MD0101芯片作为T/R开关。

通过上述电路能够实现指定的脉冲形状，从而实现提高超声回波分辨率的目的。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变换。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲发射电路***，其特征在于：包括控制器、脉冲发射电路、双路高压模组，所述控制器与所述脉冲发射电路、所述双路高压模组连接，所述双路高压模组与所述脉冲发射电路连接，所述脉冲发射电路与换能器连接，所述控制器用于控制发射脉冲形状和脉冲重复发射频率，输出设定的逻辑时序电平驱动所述脉冲发射电路，所述脉冲发射电路用于实现设置好的脉冲形状以及激励换能器，所述双路高压模组用于给所述脉冲发射电路提供两种不同幅值的高压电源。

2.如权利要求1所述的一种脉冲发射电路***，其特征在于：所述脉冲发射电路包括脉冲形状设置芯片、脉冲放大电路，所述脉冲放大电路包括第一增强型MOSFET对芯片、第二增强型MOSFET对芯片、第三增强型MOSFET对芯片；

所述控制器的选择引脚、使能引脚、第一高电平引脚、第一低电平引脚、第二高电平引脚、第二低电平引脚、嵌位功能引脚分别与所述脉冲形状设置芯片的选择引脚、使能引脚、第一高电平引脚、第一低电平引脚、第二高电平引脚、第二低电平引脚、嵌位功能引脚连接；

所述脉冲形状设置芯片的第一正输出引脚、第一负输出引脚分别与所述第一增强型MOSFET对芯片的第一栅极、第二栅极连接，所述第一增强型MOSFET对芯片的第一源极、第二源极分别与所述双路高压模组的电压输出端连接，所述第一增强型MOSFET对芯片的第一漏极和第二漏极与换能器接口连接；

所述脉冲形状设置芯片的第二正输出引脚、第二负输出引脚分别与所述第二增强型MOSFET对芯片的第一栅极、第二栅极连接，所述第二增强型MOSFET对芯片的第一源极、第二源极分别与所述双路高压模组的电压输出端连接，所述第二增强型MOSFET对芯片的第一漏极和第二漏极与换能器接口连接；

所述脉冲形状设置芯片的第三正输出引脚、第三负输出引脚分别与所述第三增强型MOSFET对芯片的第一栅极、第二栅极连接，所述第三增强型MOSFET对芯片的第一源极、第二源极均接地，所述第三增强型MOSFET对芯片的第一漏极和第二漏极与换能器接口连接。

3.如权利要求2所述的一种脉冲发射电路***，其特征在于：所述脉冲发射电路还包括保护电路，所述保护电路包括第一高压开关二极管、第二高压开关二极管，所述第一增强型MOSFET对芯片的第一漏极和第二漏极分别与所述第一高压开关二极管的第一正极、第一负极连接，所述第二增强型MOSFET对芯片的第一漏极和第二漏极分别与所述第一高压开关二极管的第二正极、第二负极连接，所述第一高压开关二极管的第三正极、第三负极与换能器接口连接，所述第三增强型MOSFET对芯片的第一漏极和第二漏极分别与所述第二高压开关二极管的第一正极、第一负极连接，所述第二高压开关二极管的第三负极与换能器接口连接。

4.如权利要求2所述的一种脉冲发射电路***，其特征在于：所述双路高压模组包括第一隔离式直流-直流转换器、第二隔离式直流-直流转换器，所述第一隔离式直流-直流转换器的正电源输入引脚接电源，所述第一隔离式直流-直流转换器的负电源输入引脚接地，所述第一隔离式直流-直流转换器的正电源输出引脚接地，所述第一隔离式直流-直流转换器的两个负电源输出引脚分别与所述第一增强型MOSFET对芯片的第一源极、所述第二增强型MOSFET对芯片的第一源极连接，所述第二隔离式直流-直流转换器的正电源输入引脚接电源，所述第二隔离式直流-直流转换器的负电源输入引脚接地，所述第二隔离式直流-直流转换器的正电源输出引脚与所述第一增强型MOSFET对芯片的第二源极连接，所述第二隔离式直流-直流转换器的两个负电源输出引脚分别与所述第二增强型MOSFET对芯片的第二源极、地连接。

5.如权利要求2所述的一种脉冲发射电路***，其特征在于：所述脉冲形状设置芯片为集成超声驱动器芯片。

6.如权利要求2所述的一种脉冲发射电路***，其特征在于：所述第一增强型MOSFET对芯片、所述第二增强型MOSFET对芯片、所述第三增强型MOSFET对芯片均集成两个高压MOS管，其中一个为N沟道MOS管，另一个为P沟道MOS管。

7.如权利要求3所述的一种脉冲发射电路***，其特征在于：所述第一高压开关二极管、所述第二高压开关二极管均为两个串联二极管电路连接形成的全波电桥。

8.如权利要求4所述的一种脉冲发射电路***，其特征在于：所述第一隔离式直流-直流转换器、所述第二隔离式直流-直流转换器均为三路输出直流-直流转换器。

9.如权利要求1所述的一种脉冲发射电路***，其特征在于：还包括T/R开关，所述T/R开关接在所述脉冲发射电路和回波接收器之间。

10.如权利要求1所述的一种脉冲发射电路***，其特征在于：所述控制器为FPGA控制器。