彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路，包括脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊、功率放大模塊以及超聲換能器，所述脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊包括PWM波產(chǎn)生電路、方波產(chǎn)生電路、與門電路以及脈沖寬度調(diào)制電路，所述PWM波產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)的PWM波信號(hào)，所述方波產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生高頻方波信號(hào)，該高頻方波信號(hào)與所述PWM波信號(hào)經(jīng)過所述與門電路進(jìn)行調(diào)制，從而調(diào)節(jié)送入所述功率放大模塊的方波脈沖個(gè)數(shù)，所述脈沖寬度調(diào)制電路用于調(diào)整送入所述功率放大模塊的脈沖信號(hào)占空比。其顯著效果是：本電路實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)少，采用了E類功率放大器進(jìn)行處理，大大提高了功率放大效率，并實(shí)現(xiàn)了輸出超聲波功率的調(diào)節(jié)。
【專利說明】彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及到醫(yī)學(xué)超聲脈沖彈性成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，是一種彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路。

【背景技術(shù)】
[0002]醫(yī)學(xué)超聲輻射力彈性成像以其獨(dú)特的高分辨力、實(shí)時(shí)性檢測(cè)、使用便捷、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中不可或缺的檢測(cè)組織手段。
[0003]在現(xiàn)有超聲輻射力彈性成像技術(shù)中多采用電容式發(fā)射電路，產(chǎn)生的電壓脈沖信號(hào)主要通過引入外部升壓模塊對(duì)直流電壓進(jìn)行升壓，即將直流電先轉(zhuǎn)換成交流電，再經(jīng)過變壓環(huán)節(jié)將電壓提升，然后產(chǎn)生激發(fā)超聲換能器所需要的電壓脈沖，再通過超聲換能器講點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換為聲能量輸出。這種方法盡管比較成熟，但存在實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)多，功率放大效率低，電能利用效率低，功耗較大，輸出功率不可調(diào)等不足，在醫(yī)學(xué)超聲輻射力彈性成像等對(duì)功耗要求苛刻的場(chǎng)合，問題顯得尤為突出。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路，該電路實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)少，功率放大效率高，輸出功率可調(diào)。
[0005]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型表述一種彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路，包括脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊、功率放大模塊以及超聲換能器，所述脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生高頻電脈沖信號(hào)，所述功率放大模塊對(duì)高頻電脈沖信號(hào)的功率進(jìn)行放大，所述超聲換能器將功率放大模塊輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)輸出，其關(guān)鍵在于:所述脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊包括PWM波產(chǎn)生電路、方波產(chǎn)生電路、與門電路以及脈沖寬度調(diào)制電路，所述PWM波產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)的PWM波信號(hào)，所述方波產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生高頻方波信號(hào)，該高頻方波信號(hào)與所述PWM波信號(hào)經(jīng)過所述與門電路進(jìn)行調(diào)制，從而調(diào)節(jié)送入所述功率放大模塊的方波脈沖個(gè)數(shù)，所述脈沖寬度調(diào)制電路用于調(diào)整送入所述功率放大模塊的脈沖信號(hào)占空比。
[0006]首先脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊通過PWM波產(chǎn)生電路產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)的低頻PWM波信號(hào)，通過方波產(chǎn)生電路產(chǎn)生高頻方波信號(hào)，然后將低頻PWM波和高頻方波送入與門電路實(shí)現(xiàn)PWM波對(duì)高頻方波信號(hào)的調(diào)制，通過調(diào)節(jié)PWM波的脈沖寬度控制進(jìn)入功率放大模塊中的脈沖個(gè)數(shù)，從而調(diào)節(jié)輸出超聲波的功率，然后將與門電路輸出的間斷方波信號(hào)送入脈沖寬度調(diào)制電路，調(diào)整送入功率放大模塊的脈沖信號(hào)占空比，再采用功率放大模塊對(duì)調(diào)制后的電脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，最后超聲換能器將交流信號(hào)中的電能量轉(zhuǎn)換為超聲波聲能量輸出。本電路不用引入外部升壓模塊對(duì)直流電壓進(jìn)行升壓，實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)少，功率放大效率高，輸出超聲波的功率可調(diào)。
[0007]為了確保進(jìn)入功放模塊的脈沖信號(hào)占空比的準(zhǔn)確性，保證功率放大模塊輸出波形的效果，所述脈沖寬度調(diào)制電路包括SN74LVC1G123DCTR單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，該單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的信號(hào)輸入端串聯(lián)電容C12后和所述與門電路的信號(hào)輸出端相連，所述單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的控制輸入端串聯(lián)電容C5后接地，所述單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的控制輸入端還依次串聯(lián)電阻R1、可變電阻R2后與5V電源連接，所述單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的信號(hào)輸出端作為所述脈沖寬度調(diào)制電路的輸出端。
[0008]為了提高功率放大效率，所述功率放大模塊采用E類功率放大電路。
[0009]作為進(jìn)一步描述，所述E類功率放大電路包括開關(guān)管Q，開關(guān)管Q的柵極作為信號(hào)輸入端，開關(guān)管Q的源極接地，開關(guān)管Q的漏極串接電感線圈RFC后與直流電源連接，開關(guān)管Q的漏極還串接電容Cl后接地，開關(guān)管Q的漏極還依次串接電容CO與電感LO后接輸出負(fù)載R。
[0010]為了控制開關(guān)管工作，在所述開關(guān)管Q的柵極上連接有開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路，該開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路包括LM5114BMF開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)芯片，該開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)芯片的信號(hào)輸入端與所述脈沖寬度調(diào)制電路的信號(hào)輸出端相連，所述開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)芯片的拉電流輸出端串接電阻R4后和所述功率放大電路的信號(hào)輸入端相連，所述開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)芯片的灌電流輸出端串接電阻R5后與拉電流輸出端連接。
[0011]為了提高電路的負(fù)載能力，改善超聲波波形，在所述功率放大模塊與超聲換能器之間還連接有負(fù)載匹配電路，該負(fù)載匹配電路由電容C2與電感LI組成。
[0012]為了便于控制，所述PWM波產(chǎn)生電路采用AT89C51單片機(jī)模塊，所述方波產(chǎn)生電路采用AD9850模塊，該AD9850模塊的控制信號(hào)由所述AT89C51單片機(jī)模塊輸出。
[0013]本實(shí)用新型的顯著效果是:本電路實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)少，在功放部分采用了 E類功率放大器進(jìn)行處理，大大提高了功率放大效率；采用與門電路對(duì)脈沖寬度可調(diào)的PWM波與高頻方波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入功率放大電路的方波個(gè)數(shù)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電路輸出超聲波的功率可調(diào)，可以作為很好的醫(yī)學(xué)超聲輻射力彈性成像裝置的驅(qū)動(dòng)力源。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本實(shí)用新型的電路原理框圖；
[0015]圖2是PWM波產(chǎn)生電路與方波產(chǎn)生電路原理圖；
[0016]圖3是圖1中脈沖寬度調(diào)制電路與開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路原理圖；
[0017]圖4是圖1中功率放大電路原理圖；
[0018]圖5是圖1中負(fù)載匹配電路原理圖；
[0019]圖6是電源模塊中一次降壓電路原理圖；
[0020]圖7是電源模塊中二次降壓電路原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】以及工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022]如圖1所示，一種彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路，包括脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊、功率放大模塊以及超聲換能器，所述脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊包括PWM波產(chǎn)生電路、方波產(chǎn)生電路、與門電路以及脈沖寬度調(diào)制電路，所述PWM波產(chǎn)生電路采用單片機(jī)模塊產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)的PWM波，所述方波產(chǎn)生電路采用AD9850模塊產(chǎn)生高頻方波信號(hào)，該高頻方波信號(hào)與所述PWM波信號(hào)經(jīng)過所述與門電路進(jìn)行調(diào)制，從而調(diào)節(jié)送入所述功率放大模塊的方波脈沖個(gè)數(shù)，控制所述功率放大模塊輸出功率，所述脈沖寬度調(diào)制電路用于調(diào)整送入所述功率放大模塊的脈沖信號(hào)占空比，所述功率放大模塊對(duì)脈沖寬度調(diào)制電路輸出的高頻電脈沖信號(hào)的功率進(jìn)行放大，所述超聲換能器將功率放大模塊輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)輸出，在所述功率放大模塊與超聲換能器之間還連接有負(fù)載匹配電路。
[0023]參見附圖2，所述PWM波產(chǎn)生電路采用AT89C51單片機(jī)模塊，所述方波產(chǎn)生電路采用AD9850模塊，該AD9850模塊的控制信號(hào)由所述AT89C51單片機(jī)模塊輸出。如圖所示，單片機(jī)的P2.0引腳輸出脈沖寬度可調(diào)的PWM波，單片機(jī)的P1.0-P1.7引腳與AD9850模塊的D0-D7數(shù)據(jù)總線連接，作為AD9850模塊的并行數(shù)據(jù)輸入端口，輸出40位控制數(shù)據(jù)控制AD9850模塊工作。單片機(jī)的RX、TX引腳與AD9850模塊的W_CLK、FQ_UD引腳連接，作為I/O口輸出數(shù)據(jù)對(duì)AD9850模塊進(jìn)行控制。單片機(jī)的RESET引腳與AD9850的RESET引腳連接；
[0024]AD9850模塊完成40位控制數(shù)據(jù)的輸入后，首先從1UT引腳輸出頻譜純凈的正弦信號(hào)，經(jīng)過外圍低通濾波電路濾除低頻信號(hào)后，由VINP引腳進(jìn)入AD9850模塊內(nèi)部的高速比較器，最后由AD9850模塊的QOUTP弓丨腳輸出高頻方波信號(hào)。本方案中，該高頻方波信號(hào)的頻率設(shè)定為10MHz。如圖2所示，所述低通濾波電路由圖中的電阻23，電容C21、C22、C23、C24、C25以及電感L11、L12組成。AT89C51單片機(jī)模塊產(chǎn)生的低頻PWM波信號(hào)與AD9850模塊產(chǎn)生的1MHz高頻方波信號(hào)送入所述與門電路調(diào)制后形成間斷方波信號(hào)輸出，從而控制功率放大模塊工作。
[0025]其中，AD9850模塊可接入外部控制脈沖輸入引腳上的信號(hào)進(jìn)行控制。此時(shí)該信號(hào)可以是ARM、555自激多諧振蕩器或DSP等外部控制模塊產(chǎn)生的負(fù)脈沖信號(hào)，從而滿足更靈活的控制。
[0026]為了提高功率放大效率，所述功率放大模塊采用E類功率放大電路，為了保證輸入信號(hào)的占空比為50%，因此設(shè)計(jì)脈沖寬度調(diào)制電路對(duì)輸入信號(hào)的占空比進(jìn)行調(diào)整。如圖3所示，所述脈沖寬度調(diào)制電路包括SN74LVC1G123DCTR單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，該單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的信號(hào)輸入端串聯(lián)電容C12后和所述與門電路的信號(hào)輸出端相連，該單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的控制輸入端R/C串聯(lián)電容Cll后接地，所述單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的控制輸入端R/C還依次串聯(lián)電阻Rl與可變電阻R2后與5V電源連接，所述單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的信號(hào)輸出端與所述述功率放大模塊的信號(hào)輸入端相連。所述脈沖寬度調(diào)制電路輸出信號(hào)的占空比由電容Cll與電阻R1+R2的比值決定，通過調(diào)節(jié)可變電阻R2的阻值，使得脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊輸出信號(hào)的占空比嚴(yán)格符合50%，再送到后級(jí)進(jìn)行功放，這樣保證了功率放大模塊的輸出波形的效果。
[0027]從圖3中還可以看出，為了驅(qū)動(dòng)E類功放中的開關(guān)管工作，在功率放大電路的控制輸入端連接有開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路，該開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路包括LM5114BMF開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)芯片，該開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)芯片的信號(hào)輸入端IN與所述脈沖寬度調(diào)制電路的信號(hào)輸出端相連，所述開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)芯片的拉電流輸出端P-OUT串接電阻R4后和功率放大電路的信號(hào)輸入端相連，所述開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)芯片的灌電流輸出端N-OUT串接電阻R5后與拉電流輸出端P-OUT連接。
[0028]如圖4所示，所述E類功率放大電路包括開關(guān)管Q，開關(guān)管Q的柵極作為信號(hào)輸入端并與所述開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸出端連接，開關(guān)管Q的源極接地，開關(guān)管Q的漏極串接電感線圈RFC后與24V直流電源連接，開關(guān)管Q的漏極還串接電容Cl后接地，開關(guān)管Q的漏極還依次串接電容CO與電感LO后接輸出負(fù)載R，其中電容CO與電感LO組成LC諧振電路。RFC為電路提供穩(wěn)定的直流電流，減小輸入電流紋波；開關(guān)管Q工作頻率為10MHz，占空比為0.5 ；C1為并聯(lián)電容，主要起到儲(chǔ)能作用，Cl的大小決定漏極電壓波形的好壞，諧振回路中CO與LO的諧振頻率為1MHz。脈寬調(diào)制電路輸出的方波信號(hào)在功率放大電路中起到開關(guān)作用，當(dāng)輸入方波為高電平時(shí)，開關(guān)管處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，輸出電流波形；當(dāng)輸入方波為低電平時(shí)，開關(guān)管處于“截止”狀態(tài)，輸出電壓波形。由于開關(guān)管漏極輸出的信號(hào)為不純凈正弦波信號(hào)，需通過LC諧振回路濾掉低頻信號(hào)，然后輸出頻率為1MHz的純凈正弦波信號(hào)。
[0029]如圖5所示，所述負(fù)載匹配電路由電容C2與電感LI組成。通過該負(fù)載匹配電路可提高電路的負(fù)載能力，改善脈沖超聲波波形。
[0030]本實(shí)施例中，所述脈沖產(chǎn)生模塊與功率放大模塊均由電源模塊供電，該電源模塊包括24V外接直流電源、一次降壓電路與二次降壓電路，其中24V外接直流電源為所述功率放大電路提供直流電源。
[0031]如圖6所示，所述一次降壓電路為L(zhǎng)M2575HVS-ADJ穩(wěn)壓降壓芯片，該穩(wěn)壓降壓芯片的輸入端與24V外接直流電源正極連接，輸出7.5V電源為所述開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路供電。
[0032]如圖7所示，所述二次降壓電路為MC7805⑶2T降壓芯片，該降壓芯片的輸入端與所述一次降壓電路的輸出端連接，輸出5V電源為所述單片機(jī)模塊、AD9850模塊以及脈沖寬度調(diào)制電路供電。
[0033]本發(fā)射電路的工作原理為:
[0034]AT89C51單片機(jī)輸出控制信號(hào)，控制AD9850模塊完成40位控制數(shù)據(jù)的輸入后，由AD9850模塊的QOUTP引腳輸出得到所需頻率為1MHz的高頻方波信號(hào)，之后將AT89C51單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖寬度可調(diào)的PWM波信號(hào)與1MHz方波信號(hào)送入所述與門電路，實(shí)現(xiàn)PWM波對(duì)高頻方波信號(hào)的調(diào)制，然后通過調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制電路中可變電阻R2的阻值，對(duì)送入功率放大模塊的脈沖信號(hào)的占空比進(jìn)行調(diào)整，之后采用功率放大電路對(duì)調(diào)整占空比后的電信號(hào)的功率進(jìn)行放大，輸出頻率為1MHz的純凈正弦波形，最后通過超聲換能器將1MHz電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波輸出；
[0035]當(dāng)需要對(duì)輸出超聲波的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，通過調(diào)節(jié)PWM波信號(hào)的脈沖寬度，再經(jīng)過與門電路實(shí)現(xiàn)PWM波對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，改變送入所述脈沖寬度調(diào)制電路的方波脈沖個(gè)數(shù)，從而調(diào)節(jié)功率放大電路的輸出功率，實(shí)現(xiàn)輸出超聲波功率的調(diào)節(jié)。
【權(quán)利要求】
1.一種彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路，包括脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊、功率放大模塊以及超聲換能器，所述脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生高頻電脈沖信號(hào)，所述功率放大模塊對(duì)高頻電脈沖信號(hào)的功率進(jìn)行放大，所述超聲換能器將功率放大模塊輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)輸出，其特征在于:所述脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊包括PWM波產(chǎn)生電路、方波產(chǎn)生電路、與門電路以及脈沖寬度調(diào)制電路，所述PWM波產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)的PWM波信號(hào)，所述方波產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生高頻方波信號(hào)，該高頻方波信號(hào)與所述PWM波信號(hào)經(jīng)過所述與門電路進(jìn)行調(diào)制，從而調(diào)節(jié)送入所述功率放大模塊的方波脈沖個(gè)數(shù)，所述脈沖寬度調(diào)制電路用于調(diào)整送入所述功率放大模塊的脈沖信號(hào)占空比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路，其特征在于:所述脈沖寬度調(diào)制電路包括SN74LVC1G123DCTR單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，該單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的信號(hào)輸入端串聯(lián)電容C12后和所述與門電路的信號(hào)輸出端相連，該單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的控制輸入端串聯(lián)電容Cll后接地，所述單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的控制輸入端還依次串聯(lián)電阻R1、可變電阻R2后與5V電源連接，所述單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的信號(hào)輸出端作為所述脈沖寬度調(diào)制電路的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路，其特征在于:所述功率放大模塊采用E類功率放大電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路，其特征在于:所述E類功率放大電路包括開關(guān)管Q，開關(guān)管Q的柵極作為信號(hào)輸入端，開關(guān)管Q的源極接地，開關(guān)管Q的漏極串接電感線圈RFC后與直流電源連接，開關(guān)管Q的漏極還串接電容Cl后接地，開關(guān)管Q的漏極還依次串接電容CO與電感LO后接輸出負(fù)載R。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路，其特征在于:在所述開關(guān)管Q的柵極上連接有開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路，該開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路包括LM5114BMF開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)芯片，該開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)芯片的信號(hào)輸入端與所述脈沖寬度調(diào)制電路的信號(hào)輸出端相連，所述開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)芯片的拉電流輸出端串接電阻R4后和所述功率放大電路的信號(hào)輸入端相連，所述開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)芯片的灌電流輸出端串接電阻R5后與拉電流輸出端連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路，其特征在于:在所述功率放大模塊與超聲換能器之間還連接有負(fù)載匹配電路，該負(fù)載匹配電路由電容C2與電感LI組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性成像激發(fā)裝置超聲波發(fā)射電路，其特征在于:所述PWM波產(chǎn)生電路采用AT89C51單片機(jī)模塊，所述方波產(chǎn)生電路采用AD9850模塊，該AD9850模塊的控制信號(hào)由所述AT89C51單片機(jī)模塊輸出。
【文檔編號(hào)】A61B8/00GK203988125SQ201420422511
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】朱新建, 鄧思建, 張凱鐸, 吳寶明, 何慶華 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院