一种基于PWM的H桥超声发射电路设计.doc

一种基于PWM的H桥超声发射电路设计摘 要：设计了一种脉冲宽度调制的H桥超声发射电路，该电路由 PWM电路、H桥功率放大电路、低通滤波电路组成该发射电路具有结构 简单、输出功率高、可对大部分的波形进行调制发射、易于多通道拓展的 优点通过对该电路进行仿真和实际电路的测试，证明所产生波形满足设 计要求，并可以用于超声探测和成像系统关键词：超声发射；脉冲宽度调制；H桥功率放大0引言超声成像技术以其结构简单、成本低廉等优点被广泛应用于医疗成像 中但超声成像的发展…直受限于成像深度不够和分辨率较差等问题［1］ 随着超声技术的发展，采用不同的发射信号用于成像已成为一个重要的研 究方向,如采用 LFM (Linear Frequency Modulated Wave),二相编码信号 等在传统的超声系统中，不同的波形往往都由不同的电路产生本文在 研究新体制成像方法中［2］,提出MIMO成像方法，其中釆用LFM调制伪 码波形为了便于成像方法研究，设计一款基于PWM调制的H桥超声发 射电路，可用于产生脉冲波、正弦脉冲波、编码等波形经理论仿真和实 物制作测试验证本电路产生波形满足设计要求，并可以用于超声探测和成 像系统。

1超声发射电路系统设计1.1系统总体设计框图超声发射系统分为：FPGA主控模块、H桥功率放大模块、LPF(Low Pass Filter）模块、USB通信模块以及变压器和探头，系统结构超声发射系统原 理：PC将需耍发射的波形数据通过USB模块传递给FPGA,由FPGA产生 PWM调制波，再通过H桥功率放大模块将所需信号进行功率放大，利用 低通滤波器将高频载波滤除后送入变压器进行信号电压放大，最后将需要 的波形信号加载到探头发射同时FPGA还负责与PC通信和实际回波的数 据存储的功能1.2 PWM产生采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加 在具冇惯性的环节上吋，其效果相同［3］本系统采用的方法是当前较为成 熟的SPWM法，该方法以上面提到的理论为基础，根据当前波形信号而产 生脉冲宽度变化等效的PWM波形即波形对发射信号与预设的对比信号进 行比较，使其输出的脉冲电压的面积与所希望的波形信号在同样时间内取 得面积相等，同时系统输出的信号的频率和大小可以通过改变调制波的频 率和幅值來调节本系统PWM调制采用工业上较为常用的三角波比较釆样方法，该方 法一般用于以正弦波做为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高的多 的等腰三角波为载波⑷。

同时结合13节的H桥电路有上下两个方向通路 的优点，，将需要发射的信号根据信号正负幅值分解成正向信号与逆向信 号，这样不仅可以简化PC给FPGA发送发射信号的难度，还可以降低PWM 调制的复杂性为了方便分析，把正向三角波用分段函数表达式⑸：令调制比M二Us/Uc,载波比N=Wc/Ws（M^l, N为正整数且NN5）SPWM 波形的采样点为发射信号与三角波交点，即式⑵大于式⑴吋，此吋输出为 当前的电源电压同理，当式(2)小于式(1)时，输出则为0当调制的电源 电压为E时，SPWM波形的时间函数UL(t)：为了适应不同的发射系统，就需要对任意的波形可以调制和发射本 系统选取不规则的编码信号，经过PWM调制后的正反向信号即为图3所 7J\ o1.3 H桥功率放大电路采用H型桥式的D型放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输 出特性，并可以减少干扰，所以H桥电路被广泛应用于数字功放中[6-7]o 本文的H桥功率放大电路，曲4个开关MOS管与低通滤波器组成其中 Q1与Q4为P沟道开关管，Q2与Q3为N沟道开关管H桥的通路特性为 正向的PWM信号控制QL与Q3打开，此时发射信号通过低通滤波器正向 通过变压器，反之Q2与Q4导通，电流方向相反。

本系统所采用的开关模式管器件为FDS4559,因为P沟道与N沟道的 开关管的本身特性，所以其开关的开通和关断时间也存在着差异其中P 沟道开通上升沿时间为38 ns,下降沿时间为50 ns, N沟道开通上升沿时 间则为34 ns,下降沿时间为56 ns,所以该H桥可以实现(1/60 ns)对10 MHz 以内的信号进行功率放大当信号频率改变时，只需根据所需要的频率来 调节相应的低通滤波器，无需对硬件模块进行较大的改动同时系统的通断也由PWM信号控制，当系统没有信号输入时，Q1与 Q4均保持关闭状态当同吋给P沟道与N沟道开通信号吋，由于N沟道较P沟道导通时间快，所以先与地相通做好冋路开通准备，而当关断信号 开通时，P沟道先于N沟道关闭，这样可以避免逆向控制信号串入造成Q1 与Q2直接导通造成短路的情况1.4滤波器设计目前的逆变技术主要采用脉宽调制方式，由于PWM调制木身的特性 决定着逆变器的输岀电压中含有较多的高次谐波分量，因此需耍在逆变器 的输出端加上低通滤波器來减少谐波含量本设计中的低通滤波器采用现 在较为成熟的T型无源滤波器⑻，,超声探头用100 k?赘电阻代替，H桥功 率放大由N沟道的RF9530和P沟道的RF9550两对对管构成，变压器的变 比根据实际的变压器设置为4 5（兼容500 kHz频率），正向信号源采用幅 值12V、频率500 kHz的方波信号，逆向信号源则通过对正向信号延时半 个周期获得。

软件示波器测试经过低通滤波器后进入变压器前的信号，以 及经过变压器进行电压放大后加载到探头上的波形信号测试的波形为图 7所示，信道A为变压器原边波形，信道B则为通过变压器后加载到探头 的波形，从图上可以看出经过变压器波形信号为500 kHz的正弦波，保持 了频率不变的特性，信号的幅值也由12 V的转变为±540 V,达到了驱动 探头的标准2.2实验结果为验证本系统的任意波形发射，制作了实际电路并进行测试实际的 发射电路采用FDS4559与MD5055构成的16路通道，发射的波形采用500 kHz的正弦脉冲波调制成的两个正半周期，两个负半周期的不规则发射波 形，测试单一通道的效果实际测试的探头为福州大禹超声公司的DYW-500-E型号500K水声探头，该探头的起振电压为± 150 V,峰值电压 为±800V本系统采用的电源电压为48V,加载到探头上的波形信号为图8所示，从图上可以清楚看出加载到探头上的波形与期望调制两个正半周 期，两个负半周期相同，同时波形峰峰值达到±242 V,满足探头的起振条 件3结论本文提出的超声发射电路采用PWM调制发射，具冇频率稳定性好、 方便调节的特点；H桥功率驱动电路功率高，可实现软启动，正逆向通道 可以简化发射信号产生；同时该电路与上位机软件结合，不仅可以实现在 10 MHz频率以内的几乎任意波形的调制发射，还可以方便拓展多个通道，适应多种超声发射的场合。

最后通过软件仿真和实验 对比的方式验证该发射电路的冇效性。