FPGA超声相控阵高压发射精确延时设计

邓鹰飞，刘桂雄，唐文明

（1.梧州学院，广西 梧州 543002；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

FPGA超声相控阵高压发射精确延时设计

邓鹰飞1，刘桂雄2，唐文明2

（1.梧州学院，广西 梧州 543002；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

针对超声相控阵高压发射精确延时的关键技术，利用普通电压升压产生高压脉冲（负脉冲）发射，设计一种高压发射电路的精确延时电路。通过分析二极管高压钳位、相控阵发射聚焦、高压发射模块电路原理，应用FPGA软件聚焦方式改善发射电压、聚焦延时、上升脉冲等性能指标。FPGA仿真结果表明：钳位电路可对幅值为-100V的原始发射信号进行稳定钳位，发射脉冲上升时间约10ns，可明显改善发射信号的精确性和准确度。

超声相控阵；高压发射；精确延时；FPGA

0 引 言

超声相控阵技术是一种通过对超声阵列换能器中各阵元进行相位延时控制，获得灵活可控的合成波束以及随意控制聚焦点的位置，以实现动态聚焦、高速扫查、扇形扫描、可检测复杂形状物体的无损检测技术[1]。超声相控阵高压精确延时发射技术是超声相控阵仪器开发的核心与难点，国内外学者在超声相控阵发射精确延时聚焦方面开展很多有益研究[2-4]。王君琳等[5]提出一种计算相位差方法，可实时显示相位差变化，将稳定后相位差作为相控阵聚焦系统各发射阵元的初始相位，实现在预定位置的相控式高强度超声聚焦；Cruza等[6]应用动态聚焦技术，实现超声相控阵的精密聚焦延时；刘桂雄等[7-8]采用多级半带滤波器，在100 MHz采样率条件下已实现1.25ns延时精度，最大能减少21.4%运算量，在超声相控阵精确延时聚集方面已取得重大突破。以上研究均从软件算法方面进行技术处理，实现精确延时聚焦，基本未考虑信号的脉冲发射电压强度。从硬件电路上解决信号精确延时，关键在于解决激励阵元的脉冲发射电压强度，它直接影响回波信号的强弱、检测深度。国外一些研究表明，超声相控阵发射电压可达到50～200 V[9-10]，文献[11]基于高集成度超声相控发射电路的设计，利用FPGA内部锁相环的倍频、移相技术取代延时线，从提高电路集成度方面实现高压精确发射。PA2000型超声相控阵仪器基于高压聚焦原理，利用普通电压升压产生高压脉冲（负脉冲）发射，其发射电压高达上千伏，实现高压发射精确延时，并广泛应用于工业无损检测中。本文基于PA2000型超声相控阵仪器，设计一种高压发射精确延时电路，利用二极管高压钳位和FPGA软件聚焦方式改善发射电压、聚焦延时、上升脉冲等性能指标，进一步改善发射信号的准确性、准确度。

1 超声相控阵高压发射聚焦原理

超声相控阵技术采用阵列形式探头，各晶片激励均由软件控制，可发出一系列脉宽相同、相位不同的发射脉冲实现激励。压电复合晶片受激励后通过延时可聚焦于一点，产生超声波束。声束的参数均通过软件调整，不同脉冲最终聚焦于一点。

图1为超声相控阵仪器硬件系统框图，该系统由保护电路、前置放大、调理电路、转换电路、缓冲器、A/D转换电路、相位控制卡、超声激励电路等构成。超声相控阵激励的核心是换能器的电源激励，激励信号波形和功率直接影响整个硬件电路性能。由于压电传感器输出阻抗相当大，需要高电压（几十伏到几千伏）激励才能产生机械振动，从而发出声波并输出微弱信号。发射电路部分利用普通电压升压产生高压脉冲（负脉冲），以满足激励高压的要求，从而实现高压发射。

图1 超声相控阵硬件系统框图

图2为超声相控阵发射聚焦原理图，利用声波干涉原理，通过对不同阵元施加相位不同的发射脉冲信号，不同相位声波在不同位置叠加，从而产生超声聚焦。阵元越多、扫查线数越多，聚焦效果越好，故设计时常采用多阵元组合工作，发射、接收时相邻一组阵元同时工作，如果两束声波同时到达一点，则这两束波形在该点叠加，形成焦点。为实现不同中心阵元的波束在焦点聚焦，须精确控制声束通过每个阵元的时间，即聚焦延时。

图2 超声相控阵发射聚焦原理图

2 高压发射精确延时电路设计

2.1 高压钳位

超声相控阵二极管加电阻钳位电路能实现超声相控阵信号的钳位处理，使信号处于稳定、安全范围。图3为超声相控阵二极管高压钳位电路原理图。具体为：1）初始时刻周期脉冲信号uo（0+）=+E，uo产生一个幅值为E的正跳变；2）在0～t1之间，D1导通，C充电电流很大，电容电压uc很快达到+E，使uo=0；3）t1时刻，ui（t1）=0，uo=-E；4）在t1～t2之间，D1截止，C通过R放电（R取值很大），uc下降很慢，uo变化小；5）t2时刻，ui（t2）=+E，uo=+E；6）在t2～t3之间，D2导通，C重新充电，与0～t1间不同，C贮有大量电荷，充电持续时间更短，uo更迅速地降低到零。

图3 二极管高压钳位电路

二极管钳位电路由两个二极管反向并联构成。工作时一只二极管导通而另一只截止，此时二级管正反压降被钳制在正向导通压降0.7V，通过两只二极管使钳位电压控制在-1.4 V左右。输出信号顶部被限定在0.7V，故该电路称为零电平正峰钳位电路。若将二极管反接，可将输出脉冲信号的底部钳位在-0.7V，形成零电平负峰钳位电路。200Ω电阻作为限流器，起保护二极管的作用。

为实现高压钳位，系统只要选择不同的耐压二极管就可对不同电压幅值的负脉冲进行钳位。本设计采用二极管钳位-100V，且-100V脉冲可调节，并加于接收回路，通过改变发射脉冲的相位、脉宽、幅值，通过FPGA控制-100 V脉冲的发射和聚焦延时发射相位，达到精确延时的效果。图4为超声相控阵二极管高压发射脉冲、钳位实测波形。

图4 超声相控阵二极管高压发射脉冲、钳位实测波形

2.2 发射聚焦

图5 超声相控阵发射聚焦Modelsim仿真

为验证高精准超声相控阵高压发射延时聚焦，设置晶片数为9片，晶片距离为0.1 mm，声速为5 920m/s（钢），波束采用自动发射聚焦、扫描，采用fs=200 MHz时钟控制发射脉冲，发射聚焦脉冲波形由FPGA发出数字0，1实现，精度由时钟决定，通过采用双数据速率输入输出DDRIO作为时钟倍增器，等效于400MHz发射时钟（周期T=2.5ns），实现波束2.5s延时。图5为超声相控阵发射聚焦Modelsim仿真结果，故脉冲延时最小可达2.5ns，所有脉冲同时到达焦点P的时间越准确，越能更好满足干涉条件，则聚焦效果越好。

2.3 高压发射电路模块

图6为高压发射电路，其中电容C10起关键作用，利用其两端电压不会突变的原理，在TX_CHA和TX_CHB产生一个2.5V（由FPGA控制）脉冲，分别通过R1、C1和R2、C2进行RC滤波整形，消除脉冲信号干扰。预处理后的信号通过ADP3624驱动器实现高电流、双通道高速驱动。该驱动器可驱动两个独立的N、P沟道功率MOSFET，改善高速开关性能，使系统可靠性更高。该驱动器采用+5V、-5V供电，电源引脚均通过1μF电容进行电源滤波。驱动器输出信号经R5、C7、R6、C8进行RC滤波整形再经图中Q3、Q4（N沟道、Q沟道MOSFET）形成推挽电路，使得响应速度更快，驱动器和底部的TX_100V引脚可提供C10电容两端瞬时-100V脉冲电势差，并通过二极管电路进行脉冲处理，最后输出-100 V脉冲电压。电容C10充放电数学表达式为

图6 高压发射电路原理图

为模拟超声相控阵发射电路的电压脉冲效果，通过FPGA仿真产生2.5V脉冲CMOS电压，经发射电路产生-100 V电脉冲信号，并利用示波器分析发射脉冲的上升时间，图7为电容放电脉冲波形。可知发射脉冲上升时间约10ns，满足设计要求。

图7 电容放电脉冲波形

3 结束语

1）应用超声相控阵高压发射聚焦原理，利用普通电压升压产生高压脉冲（负脉冲）发射，满足高压激励探头要求，实现超声相控阵高压发射。

2）二极管加电阻钳位电路可对超声相控阵信号-100V电脉冲实现钳位，通过改变-100V脉冲的相位、脉宽、幅值、脉冲重复频率，达到高压发射聚焦目的；采样FPGA控制发射脉冲的相位、脉宽，能达到准确2.5ns延时。

3）FPGA仿真结果表明，钳位电路可对幅值为-100V的发射信号进行稳定钳位，送往接收电路，使得发射脉冲的上升时间约10ns，可明显改善发射信号的精确性和准确度。

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Design of high voltage and accurate delay transmission circuit in ultrasonic phased array based on FPGA

DENG Yingfei1，LIU Guixiong2，TANG Wenming2
（1.Wuzhou University，Wuzhou 543002，China；2.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

The key of ultrasonic phased array is launching high voltage and precision delay. Generating high voltage pulse（negative pulse）with a normal voltage，we design a high voltage transmission circuit of precision delay.Through analyzing the diode voltage clamp，phased array focused，and high voltage transmitter module principle，we had gotten use of programming FPGA to improve the emission voltage，focused delay，and pulse.The results of FPGA simulation show that:the clamp circuit can clamp the original signal of-100 V，the rise time of pulse is less than 10ns.The accuracy of emission signals can be a significantly improved.

ultrasonic phased array；high voltage clamp；accurate delay；FPGA

A

：1674-5124（2015）05-0083-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.021

2015-01-28；

：2015-02-25

国家重大科学仪器设备开发专项（2013YQ230575）

邓鹰飞（1979-），女，广西南宁市人，讲师，硕士，主要从事现代检测技术与应用研究。