基于DDS的电子相控聚焦系统的设计

　　1 引言

　　利用超声的穿透度深、加热场准确和聚焦性强等优势,产生的高强度聚焦超声热疗新技术,可以从体外深入体内,实现深部组织的无损治疗。采用电子相控聚焦方式,可实现超声焦点自动扫描,实施快速准确地治疗,将极大地提高高强度聚焦超声加热和控制能力[1]。

　　现场可编程门阵列(FPGA)具有现成的母片,功能现场编程是一种多用途、高密度的可重复编程逻辑门阵列,与传统的逻辑门阵列相比,FPGA既有掩膜可编程门阵列的高逻辑密度和通用性,又有PLD的可编程特性[2]。通过FPGA编程的方法实现直接数字合成的设计,可极大地提高芯片的研制效率、降低开发费用。由于FPGA便于调试,应用非常灵活,不涉及到半导体加工,比较适合于我国现阶段的国情。

　　本文利用FPGA芯片XCS30并行流水特点[3]实现为换能器阵列提供多路可控的驱动信号,从而实现对每一个单元的换能器不仅在相位上,而且在幅值上均能实现有效的控制,完成不同强度、不同位置以及不同数量的声焦点和移动。为了节省FPGA内部逻辑资源,获得最佳性能价格比,在外部配置了PROM,用来存储数据,从而使整个系统达到最佳。

　　2 直接数字合成原理

　　激励信号可以描述为

　　其中相位ω=2πf。

　　对于给定的参考间隔Dt,相位变化为

　　可以得到

　　用时间间隔的时钟频率(fclk=1πδt)代入上式,

　　图1说明相位累加器产生输出相位分量,把相位增量作为输入Δ[phase]=Pin(n),则相位累加器可以看作为n-bit的加法器。在一个周期内,相位变化的范围为2'',及2π=2''。那么,产生信号频率可表示为

　　3 相控激励信号产生方案

　　电子相控聚焦的目的是为后端的超声换能器阵列提供可控的驱动信号,从而实现对每一个单元的换能器不仅在相位上,而且在幅值上均能实现有效的控制,完成不同强度、不同位置以及不同数量的声焦点和移动。归纳相位及幅值量化精度的研究结果[1],对阵元激励信号的相位和幅值的控制提出如下要求:

　　①相位调控范围:0°~360°;

　　②相位分辨率:22.5°;

　　③幅值调控范围:0~5V;

　　④幅值分辨率:0.3125V。

　　以XCS30为主体构成的电子相控聚焦系统的基本功能框图如图2所示,其中虚线框内的功能模块全部集中在XCS30芯片内。模拟部分根据环境要求,将16路540 kHz的脉冲信号经过功率放大器,送到超声换能器阵列。

　　整个电子相控聚焦系统的数字部分集中在一片XCS30芯片中,在数据获取控制单元的协调下,锁定输入信号并进入输入存储器。为了实现脉冲信号的数字延时,利用计数器定时进行触发。由于充分利用了FPGA内部的分布模式功能模块的优点,使得信号处理的速度得到较大提高。