数字B超发射波束合成器设计与实现

　　1 概述

　　发射波束合成器是一个数字B超系统的重要组成部件，它通过驱动超声探头完成多通道超声信号的发射，并通过控制各通道信号发射时间的先后顺序完成超声波聚焦。因此，一个发射波束合成器由超声发射电路和发射控制器构成，发射控制器产生激励信号激励发射电路，发射电路产生多路高压脉冲驱动超声探头产生超声波。

　　2 总体方案设计

　　超声发射硬件电路要实现阵列换能器中参与发射的阵元的选择切换、高压脉冲信号的产生、调制，超声换能器的驱动，整体结构如图1所示。

　　其中发射控制器由FPGA完成，通过脉冲驱动高速mosfet驱动晶片进行超声波信号的发送，高速阵列开关用于选择探头中的子阵。在实际的电路设计中，包括高压脉冲调制电路，高速阵列选择开关两部分。

　　3 发射硬件电路设计

　　本文选择采用集成的mosfet驱动器MD1811和集成了nmos和pmos的集成芯片TC6320进行设计，设计电路如图2所示，最大的特点是系统结构简单，性能稳定，占用PCB空间小。高速阵列开关完成换能器阵元与激励信号的选通关系，该文选择选择HV2701来实现，它是一款16通道的模拟高压开关集成芯片，适用于低压控制高压信号开关的场合，其原理图设计如图3所示。

　　4 发射控制器设计

　　发射控制器通过控制32对激励脉冲的发射时间的延迟关系完成超声波聚焦，需要控制高压开关和发射调制电路。

　　4.1 发射激励聚焦设计

　　根据系统要求4段发射聚焦可调(不同聚焦段影响发射通道数和各通道发射延迟关系)，并且聚焦的延迟精度小于8ns，综合考虑到激励脉冲宽度的要求，发射波束合成器选择160M的工作频率，延迟最小的时间可调精度为6.25ns，满足系统延迟精度的要求，160M的时钟由50M板级时钟经FPGA内部PLL倍频得到，设计如图5所示。

　　脉冲产生模块在激励同步信号的触发下，根据探头类型和工作频率的选择产生精度为6.25ns的一定宽度的脉冲信号，脉冲信号经过延迟聚焦模块扩展为多组具有延迟关系的脉冲信号(其本质上是一个大的移位寄存器)，这些脉冲信号在组合发射模块根据当前扫描的线号以及聚焦段将多种延迟信号分配到32对激励通道上，聚焦段在这里主要是作为发射变孔径控制使用，控制当前工作阵元组的打开。仿真情况如图6所示。

　　4.2 高压开关控制

　　每片HV2701包含16个控制通道，因此128个阵元的控制由8片HV2701组合完成。该芯片内部有一个16位的移位寄存器和16位的锁存器，外部输入串行数据DATA IN在CLOCK的上升沿被移入到寄存器内，在—LE上升沿移位寄存器中的数据被锁存至锁存器中完成开关的控制。在PCB设计时，8片HV2701的时钟线CLOCK、清除线CLR、锁存信号线----LE 分别被链接至一起，数据输入线DATAIN分别连接。