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电容式微机械超声换能器阵列的发射电路设计梁伟健;何常德;杜以恒;张文栋【摘要】针对以电容式微机械超声换能器(CMUT)为探头的超声成像系统,设计了基于FPGA的前端发射电路.由FP GA控制高压脉冲芯片产生8路激励脉冲,并通过高压模拟开关芯片分组激励16阵元换能器;设计收发隔离电路限制高压脉冲进入接收部分.搭建测试平台对电路功能进行验证,测试了每一阵元对应的激励脉冲.测试结果表明,实现了脉冲的发射及阵元选通的目的,实现线性扫查;并且收发隔离电路将高压脉冲限制在2.08 V.该电路具有控制方便,灵活性高的优点,为CMUT阵列成像应用提供硬件支持.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2019(000)005【总页数】4页(P30-33)【关键词】电容式微机械超声换能器;前端发射电路;FPGA;阵元选通;隔离电路【作者】梁伟健;何常德;杜以恒;张文栋【作者单位】中北大学,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051;中北大学,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051;中北大学,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051;中北大学,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051【正文语种】中文【中图分类】TB5520 引言近年来随着微电子技术、微机电系统的发展以及对超声设备小型化需求，基于MEMS技术的电容式微机电超声换能器(capacitor micromechanical ultrasonic transducer,CMUT)在国际上得到了广泛的研究与应用。
CMUT具有频带宽，机电转换效率、灵敏度高，易于阵列集成化的优点，使得其在水下及医疗超声领域有很好的发展前景[1-3]。
对于CMUT应用的电路研究方面，国外以实现了CMUT与IC电路的集成应用研究[3-4]，国内这方面的研究较少。
CMUT与IC电路的集成研究成本高、难度大，因此本文运用传统的超声成像系统发射电路方案[3-4]，结合CMUT的工作方式设计用于CMUT的超声发射电路，节约硬件资源，减小电路体积，为后续的线性扫和相控成像提供硬件支持。
超声波发射和接收电路在本设计中，我们设计的发射和接收电路都是分别只有一个，通过继电器进行顺、逆流方向收发电路的切换，这样做既降低了成本，又消除了非对称性电路误差，且发射脉冲通过使用单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，使换能器的发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号对接收的影响。
4.2.1超声波发射电路接收信号的大小和好坏直接取决于发射传感器的发射信号,由于使用收发共用型超声换能器，所以除了选用性能优良的超声波传感器外，发射电路和前级信号接收电路至关重要，它决定着整个系统的灵敏度和精度。
超声波测量最常用的换能器发射电路大体可分为三种类型：窄脉冲触发的宽带激励电路、调制脉冲谐振电路和单脉冲发射电路。
从早先国内进口的日本超声波流量计来看，基本都采用的是窄脉冲驱动电路。
这种电路在设计上一般是用一个极快速的电子开关通过对储能元件的放电来实现，这些开关器件通常为晶闸管或大功率场效应管（MOSFET）。
由于需要输出激励信号的瞬时功率大，因此开关器件必须由直流高压供电，一般要达到几十到一百伏以上，这在电池供电的系统中无法实现；此外，开关瞬间会产生高压脉冲，对整个电路的抗干扰设计不利。
而脉冲谐振电路设计起来比较简单，其基本方法是用振荡电路产生一个高频振荡，经过幅值和功率放大后接至换能器，使换能器发出超声波，确保高频振荡的频率与换能器固有频率一致，则可获得超声发射的最佳效果。
谐振电路能够使用较低的电压产生较强的超声波发射，适合使用电池供电的系统，而且它能精确地控制发射信号，效率高。
在本设计中，超声发射电路采用了连续脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成，具体电路连接如图17所示。
单片机发出的方波信号经三极管放大和变压器升压，达到足够功率后推动换能器超声超声波，这里变压器的主要用途是升高脉冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载（超声换能器）阻抗匹配，变压器与探头接成单端激励方式。
图17超声波发射电路4.3.2 超声波接收电路发射换能器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收换能器，中间有杂 质和气泡等影响，强度不断减小，并且强度也不稳定。
一种高频超声波发射接收电路的设计摘要：本文在分析现有超声发射接收电路的基础上，设计了基于数字信号处理TMS320DM642的高频超声发射接收电路和回波信号转换电路，实现了较短的发射脉冲余波和高频窄脉冲超声波的发射与接收，所设计的超声发射接收电路具有较高的精度和实用性。
关键词：超声检测；高频超声波；发射接收电路0 前言目前在工业生产中，大量的金属构件的连接采用焊接工艺。
其中汽车制造是焊接工艺应用比较集中的领域。
汽车上的焊接件多为薄板焊件，厚度多为0.8mm~1.2mm，对这类焊接件上的焊缝进行无损检测属于工程上的近表面无损检测技术，技术难度高[1]，从综合性能上说，目前没有一种检测方法比其他方法更优越，但从技术的发展趋势看，超声检测技术是技术发展趋势之一。
使用超声反射或衍射法进行材料近表面无损探伤需要向材料内部发射高频超声波并接收发射或衍射回波，这不仅需要有高频超声探头，同时需要能够发射和接收高频宽带电脉冲信号的硬件电路，以激励超声探头或接收回波信号。
本文在分析现有超声发射接收电路的基础上，设计了基于数字信号处理TMS320DM642的高频超声发射接收电路和回波信号转换电路，包括超声波发射接收电路、回波放大与滤波电路、A/D转换电路等，解决了高频超声检测中出现的发射超声脉冲余波过长从而干扰到脉冲回波接收质量的问题，所设计的超声发射接收电路具有较高的精度和实用性。
1 系统组成点焊缺陷超声检测系统组成框图如图1所示，该系统由超声波换能器、超声波发射接受电路、回波放大电路、带通滤波电路、模/数转换电路、数字信号处理器TMS320DM642和显示电路等组成。
数字信号处理器TMS320DM642为整个测量系统的核心部件，控制各部分电路协调工作。
TMS320DM642发出20MHz的宽带窄脉冲，送给超声波发射电路，经功率放大后产生高电压脉冲加到超声换能器上，从而驱动超声换能器发出超声波；超声波由换能器进入被测工件，经多次反射和投射，产生随时间呈衰减变化的多次超声回波被换能器接收；超声回波信号很微弱，通常只有几十毫伏，且回波信号中伴有噪声干扰，所以回波信号需要经过放大和滤波处理后方可送至A/D转换电路，转换为数字信号；数字信号处理器实时采集和存储A/D转换电路输出的信号，信号采集完成后，TMS320DM642调用点焊缺陷检测算法程序，对回波信号进行处理后得出被测工件缺陷特性；最后将重要的处理结果进行存储或送至显示电路。
40kHZ超声波发射/接收电路综述40kHZ超声波发射电路(1)40kHZ超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。
F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。
电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。
电路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。
电源用9V叠层电池。
测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。
发射超声波信号大于8m。
40kHZ超声波发射电路(2)40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。
T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。
T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。
S是电源开关，按一下S，便能驱动T40-16发射出一串40kHZ超声波信号。
电路工作电压9V，工作电流约25mA。
发射超声波信号大于8m。
电路不需调试即可工作。
40kHZ超声波发射电路(3)40kHZ超声波发射电路之三，由VT1、VT2组成正反馈回授振荡器。
电路的振荡频率决定于反馈元件的T40-16，其谐振频率为40kHZ±2kHZ。
频率稳定性好，不需作任何调整，并由T40-16作为换能器发出40kHZ的超声波信号。
电感L1与电容C2调谐在40kHZ起作谐振作用。
本电路适应电压较宽（3~12V），且频率不变。
电感采用固定式，电感量5.1mH。
整机工作电流约25mA。
发射超声波信号大于8m。
40kHZ超声波发射电路(4)40kHZ超声波发射电路之四，它主要由四与非门电路CC4011完成振荡及驱动功能，通过超声换能器T40-16辐射出超声波去控制接收机。
超声换能器阵列的多路激发电路设计，有句子不能重复超声换能器阵列是一类多路电子设备，能够实现对多种信号的收发。
由于其应用范围日益广泛，超声换能器阵列的电路设计一直是研究人员探讨的热点。
超声换能器阵列的多路激发电路设计是多路超声换能器阵列的基础研究内容之一，也是该领域最为重要的内容之一。
首先提出的超声多路激发电路是以固定波形电路为基础，其包含延迟线路、滤波器、夹层线圈和共模抑制等元器件。
此类电路能够将复杂的多频信号同步输出，且输出质量高，并可实现宽带的收发功能。
然而，在此基础上，研究人员还发展了基于改进的放大器、锁相环以及全数字实现的多路电路激发技术。
基于改进放大器超声换能器阵列多路激发电路是研究人员提出的改进激发方案，主要由将多种信号串联放大器、滤波器和高增益电路构成，并实现了多频信号发射方式的切换，可以实现对信号的微调及多路放大和输出功能。
第三种超声换能器阵列多路激发电路是基于锁相环的，主要分为滤波器、发生器、波形取样器、多种发射频率同步激发器和功率放大器等模块，通过发生器和波形取样器实现了多频信号同步发射；通过功率放大器实现了多频信号的有损增益放大，可满足多种发射功能要求。
最后一种多路激发电路是用数字信号处理技术实现的全数字多频多路电路，如基于DSP的超声换能器阵列电源，其核心部件由数字放大器、高通滤波器、发生器以及宽带放大器等构成，可实现高质量的超声发射。
综上所述，超声换能器阵列的多路激发电路是多路超声换能器阵列设计中必不可少的一环，研究者已经提出了基于固定波形、改进放大器以及锁相环等多种多路激发技术，并且结合数字信号处理技术运用了全数字技术，为超声换能器阵列的设计带来了更大便利。
电子电路设计与方案0 引言随着现代建筑楼层的增高，当发生火灾、地震等灾害时，高楼层居民逃生难度日益增大[1]。
若在高楼层安装智能降落伞，在逃生者使用过程中对周围进行障碍物探测，并智能提醒逃生者如何正确调整降落方向，将会大大减轻救灾压力、减少伤亡人数。
本文设计的超声波测距[2]阵列即可用于智能降落伞对四周障碍物的探测，并在探测到需要躲避的障碍物后，在该方位发出报警信号，提示使用者向正确的方位降落。
1 系统介绍本系统通过软硬件组合实现对四个方位的障碍物循环探测。
硬件部分由四个超声波测距模块HY-SRF05构成探测阵列，通过肖特基二极管构成的信号整形电路将探测阵列的探测返回信号整合，作为单片机一个I/O的输入，单片机通过以输入捕获为核心的程序实现对信号的处理，最终向指示模块发出控制信号。
系统供电采用5V直流便携式电池，通过USB接口为系统供电[3]。
2 硬件设计与制作■2.1 制作材料超声波智能探测装置的制作材料包括：PCB板、HY-SRF05超声波模块、金属膜电阻器、肖特基二极管、发光二极管、导线等。
本装置制作过程中使用的器材有：电烙笔、焊锡丝、剪线钳、斜口钳、镊子。
本装置的制作成本在60元左右。
■2.2 系统设计2.2.1 设计方案超声波智能探测装置包括：超声波探测装置、预警指示灯。
系统设计采用超声波探测模块。
超声波模块可通过电平调节探测范围，探测精度达毫米级。
2.2.2 电路设计本系统采用四块超声波探测模块对外界障碍进行探测，将HY-SRF05超声波探测模块分别焊接于四块独立PCB板。
通过对I/O口的配置，单片机向超声波模块Trig端输入一个脉冲宽度大于10μs的正脉冲信号，作为超声波测距模块的使能信号。
综合考虑电子元器件的可靠性与系统的循环速度，本系统中使能信号设置为脉冲宽度为20μs的正脉冲信号。
超声波测距模块收到使能信号后，向正前方发射8个40kHz的方波，并自动检测是否由信号返回。
若有信号返回，超声波模块Echo端输出高电平信号，该高电平信号的持续时间为从方波信号发出到接受到返回信号的时间[4]。
高频超声腔内换能器的多阵元设计与成像高频超声腔内换能器是一种用于医学诊断和治疗的重要器械，它能够将电能转化为超声波能量并将其传输到人体内部。
为了提高成像质量和探测能力，多阵元设计成为了当前研究的热点之一。
本文将从多阵元的原理、设计方法以及成像效果三个方面进行探讨。
1. 多阵元的原理多阵元是指在一个超声换能器中有多个小元件组成的阵列。
每个小元件都能够独立发射和接收超声波信号，通过控制单个小元件的相位和幅度，可以实现波束的形成和调控。
相比于传统的单阵元系统，多阵元系统具有更好的定位和成像能力。
2. 多阵元的设计方法多阵元的设计方法主要包括几何构建、阵列布局和电路设计三个步骤。
首先是几何构建，根据需要设计的超声换能器的尺寸和形状，选择合适的材料和工艺，进行超声换能器的几何构建。
常用的材料有铅锆钛酸钛（PZT）和聚合物等。
其次是阵列布局，通过合理的阵列布局可以实现波束的形成和调控。
常用的阵列布局方式有线性、面阵和圆形等。
线性和面阵布局适用于近场成像，而圆形布局适用于远场成像。
最后是电路设计，通过控制每个小元件的相位和幅度，可以产生不同方向的超声波束。
常用的电路设计有模拟电路和数字电路两种。
模拟电路具有简单和实时性的优点，而数字电路则可以实现更高的控制精度和灵活性。
3. 多阵元的成像效果多阵元的设计可以显著提高超声成像的分辨率和对深部结构的穿透能力。
通过合理的相位和幅度控制，可以实现波束的聚焦和扫描，进而获得更清晰的图像。
此外，多阵元还可以实现三维成像和多普勒成像等高级功能。
三维成像可以提供更全面的解剖结构信息，多普勒成像可以用于血流动力学的研究。
这些功能的实现对于诊断和治疗的进一步发展具有重要意义。
总结起来，高频超声腔内换能器的多阵元设计与成像是一项关键技术，它能够显著提高超声成像的精度和便捷性。
通过合理的几何构建、阵列布局和电路设计，可以实现更好的成像效果。
未来的研究还应该关注如何进一步提高成像质量，降低成本和增加功能，以满足临床应用的需求。
电子设计工程Electronic Design Engineering第26卷Vol.26第2期No.22018年1月Jan.2018收稿日期：2017-06-02稿件编号：201706014基金项目：四川省重点实验室开放基金（13zxtk06）作者简介：樊祥（1991—），女，四川成都人，硕士研究生。
研究方向：超声信号检测。
核工业环境是最具挑战性的机器人工作环境之一。
在执行核应急处置、核废物处理、核设施退役等操作时，现场的环境比较恶劣。
尽管在正常情况下超声成像质量远不及光学方法，但其在黑暗、物体透明、核辐射等特殊环境中却有无可比拟的优势。
超声阵列在进行信号处理的过程中可以根据需要变换波束所面对的空间方向、抑制其他方向的干扰，同时还可以根据需要以变换不同空间位置处的信号增益[1]。
驱动电路和回波接收电路的设计是其中的关键问题，目前在超声阵列的硬件设计上，国内外研究人员也开展了探索性的研究。
Attarzadeh [2]等设计了一款用于与电容式微加工超声波换能器的低功耗，低噪声接口。
Kaald [3]通过将混频器整合到调制器前端，可以移位输入信号的相位和频率，从而实现改进的转换效率和窄带波束成形。
胡适[4]等在搭建了超声用于特殊环境下成像的超声阵列接收电路设计樊祥1，2，杨涛1，2（1.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010；2.特殊环境机器人技术四川省重点实验室四川绵阳621010）摘要：设计并制作了一种用于核辐射等传统光学设备效果不理想的环境下场景成像数据采集的超声波相控阵接收电路。
相控阵系统的发射端采用DDS 信号发生器得到40kHz 正弦波信号，接收端首先对信号进行前置放大和二阶带通滤波，通过对不同强度信号进行调理放大后，通过32路A/D 转换将信号存储到FIFO ，主控芯片最后通过分时复用的方式读取数据进行成像处理。
通过发射连续正弦波和正弦脉冲波测试实验，验证了设计电路对毫伏级回波信号的提取效果，并实现了大容量数据存储、连续有效读取多路信号的要求。
关键词：超声波；接收电路；数据采集；多路复用；成像中图分类号：TN98文献标识码：A文章编号：1674-6236（2018）02-0113-05Design of receiving circuit for ultrasonic imaging in special environmentFAN Xiang 1，2，YANG Tao 1，2（1.School of Information Engineering ，Southwest University of Science and Technology ，Mianyang 621010，China ；2.Key Laboratory of Special Environmental Robotics ，Sichuan Province ，Mianyang621010，China ）Abstract:An ultrasonic phased array receiver circuit was designed and fabricated for scene imaging inspecial environment especially with nuclear radiation where the effects of optical devices are not satisfactory.The transmitter of the system used the DDS to realize the signal generator ，which produced40kHz sine wave signal.The receiver performed second-order band-pass filter and amplification on the signal ，and 32-channel the signal was stored in the FIFO after the conditioning circuit and the A/D conversion.The signal was ultimately sent to the control unit for imaging.By testing the continuous sine wave and sinusoidal pulse ，the extraction effect of the design circuit on the millivolt echo signal wasverified ，and the requirement of high capacity data storage and continuous reading of the multi-channel effective signal is realized.Key words:ultrasonic ；receiving circuit ；data acquisition ；multiplexing ；imaging--113《电子设计工程》2018年第2期硬件平台的基础上，对回波信号进行了放大滤波处理，并对回波处理和传输的模块进行了仿真和功能验证。
邓鹰飞[5]等对接收信号的模拟滤波器进行仿真，分析了ADC 采集发生混迭的原因和整个ADC 的增益动态范围，采用MATLAB 软件进行抗混叠后的频谱仿真，验证分析结果的准确性。
王海涛[6]等设计了超声发射和接收电路，并通过超声标准试块验证单通道超声检测电路的可行性。
王瑞[7]等提出了一种基于FPGA 技术和VHDL 语言描述的8通道超声相控阵系统接收装置的硬件设计方法。
上述方法都存在无法进行细粒度空间扫描、医学高频信号居多且多为仿真数据等缺点。
针对上述方法存在的问题，杨涛[8-9]等进行了一维、二维大阵元数目稀疏相控阵的声场仿真和优化，本文在此基础上搭建了用于空气中特殊环境下成像数据采集的超声阵列接收电路。
1系统设计超声回波信号是一种非平稳时变信号，信号既包含了有用的信号，也耦合了大量的噪声信号。
为了减弱噪声对后续信号处理的影响，本文先通过电阻、电容以及运算放大器等电子器件构成带通滤波器和放大电路，滤除信号中频率高于45kHz 以及低于35kHz 的部分并放大有用信号，然后将经过模数转换器离散后的信号再进行后续的软件处理。
在发射阵列的设计基础之上，结合双向辐射原理，可以实现由32路电路组成的接收阵列设计。
系统主要由PC 机、发射驱动电路和接收阵列信号处理电路组成。
在FPGA 控制器的作用下产生信号可调的正弦波信号激励探头产生超声波束，接收阵列信号处理电路提取反射的回波信号传给上位机，用于空气中特殊环境下成像的超声阵列电路系统结构框如图1所示。
图1超声阵列电路系统结构图系统的工作流程如下：发射控制器接收到主机的触发信号之后，驱动发射换能器产生40kHz 的正弦波激励信号，接着发射控制器进入休眠状态等待下一次触发信号的到来，然后接收控制器控制数据采集单元完成回波信号的调理、采样、存储以及上传数据到主控制器，由主控制器完成成像算法，最终在PC 端显示。
2单通道接收电路设计单通道接收电路主要由超声波接收换能器、前置放大电路、带通滤波模块、可变增益放大模块、信号调理模块、模数转换模块、FIFO 存储模块、数据通信模块及控制器等部分组成，文中主要叙述前面几部分。
2.1前置放大电路由于声波在传播过程中，幅度会随着距离的增加而减小，可通过前置放大器将超声波换能器接收到的回波信号进行电压放大再将放大后的信号输入到带通滤波电路中。
由于超声换能器具有比较大的输出阻抗，故而前置放大器的输入阻抗要比超声波换能器的输出阻抗大，这样前置放大器能够获得与空载时超声波换能器相近的信号电压，从而减小了信号电压的损失。
基于阻抗方面考虑，本文采用双运放放大器TL082C 芯片，为了使后一级的工作点不受前一级的影响，又能使交流信号顺利地从前一级传给后一级，在输入端添加了耦合电容。
2.2滤波电路在对微弱信号进行前置放大后的同时也同样的把噪声放大了很多倍，所以需要经过带通滤波电路，以消除与系统中心频率不同的噪声，该带通滤波电路由RC 阻容网络和运算放大器构成，电路图如图2所示。
图2带通滤波电路电路输出的中心频率计算公式为：f 0=（1）电路通带宽度B 为：--114B =1C 4（1R 4+2R 5-R8R 6R 7）（2）电路通带增益为：A =R 6+R 8R 6R 4C 4B（3）通过计算和测试，验证了该滤波电路可以滤除信号中频率高于45kHz 以及低于35kHz 的部分。
2.3可变增益放大电路由于在带通滤波的过程中，信号会出现衰减，为了避免信号失真，需要对滤波后的电压信号进行电压补偿放大。
滤波器后置放大电路与前置放大电路都是用于电压放大，因此采用双通道放大芯片TL082C 的两路相同的电路结构，区别仅在于产生不同的电压增益的元件参数不同，后置放大电路如图3所示。
图3后置放大电路该单元由运算放大器、电位器MCP41010[10]以及电压比较器MAX9013等3部分组成。
该类电位器具有10kΩ、50kΩ以及100kΩ3种电阻选择，通过选择相应电阻，计算后可实现阻值的精细化调节，具体参数如下。
V out =V in (1+RB R A)（4）R A =R AB （256-D n ）256（5）R B =R AB D n 256（6）其中V out为TL082C 输出端电压，D n 为电位器MCP41010的256个抽头中的某一个值，AB 为电位器的两端。
比较器通常用于比较一路输入电压和一路固定的电压基准，考虑环境温度的变化和基准源的类型，集成基准源的精度一般在1%至4%。
对于精度要求较高的应用，可以考虑选用MAX90XX 系列产品。
为便于使用，有些比较器（例如：MAX9012/MAX9013）还提供互补输出，即对应于输入的变化，两路变化方向相反的输出。
综合考虑，设计选用超高速电压比较器MAX9013芯片。
当运算放大器输出信号的电压大于1V 时，MAX9013输出3.3V ，输出的信号经过D 1稳压后直接发送给控制器的中断端口，然后由控制器实现精细化调节MCP41010电位器的值，直到输出信号范围在-1V 至+1V 之间。
2.4调理电路该信号调理模块由上述可变增益升压电路和限幅电路两部分组成。
由TL082C 组成的升压电路，通过调节滑动变阻器MCP41010的值，使得输出的信号大小在ADC 输入值的范围内；同时，用两个二极管构成限幅电路，防止模数转换器的溢出和器件受到损坏，该电路设计如图4所示。
