制系统6、FPGA模块7、高速D/A转换模块8、四路功放及补偿电路9组成，STM32F4控制系统6、FPGA模块7、高速D/A转换模块8、四路功放及补偿电路9依次相连。信号发生及功放模块3有16个输入通道，64个输出通道，其中，每I个输入通道和每4输出通道对应有一个信号发生及功放模块31; 16个信号发生及功放模块31中均集成了功能相同的高速D/A转换模块8和四路功放及补偿电路9。在信号发生及功放模块31中，STM32F4控制系统6通过输入通道输送控制信号至FPGA模块7，FPGA模块7通过运行程序产生四路不同固定频率的数字信号，数字信号相继通过高速D/A转换模块8和四路功放及补偿电路9实现信号的数模转换和功率放大，功率放大后的模拟高频电信号通过相控信号总线4至阵列式超声波换能器5中的四个换能器实现电信号到超声信号的转换。阵列式超声波换能器5能实现超声波的发生，控制系统通过相控信号总线4控制换能器阵列中64个换能器的激励脉冲的时间延迟、相位延迟以及开关，实现多频率、多频段超声波的灵活聚焦和相位偏转，选用合适的换能器组合也能实现聚焦斑点的自由运动。
[0025]图2所示是图1对应的一个信号发生及功放模块的方框示意图。STM32F4控制系统6包括3了]\02控制器61、3了]\02匹配电路62、1^0)触摸显示屏63、晶振电路64、1^6接口电路65;STM32控制器61采用基于Cortex-M4处理器的芯片STM32F407ZGT6，STM32控制器61的第一接口连接FPGA模块7，产生一个中断信号至FPGA模块7，FPGA运行程序产生固定频率的数字信号，同时生成反馈信号至STM32控制器61，通知其提取反馈结果;STM32控制器61的第二接口连接STM32匹配电路62，匹配电路为STM32F4控制系统6正常工作必备电路;STM32控制器61的第三接口连接LCD触摸显示屏63，触摸屏为4.7英寸电容型触摸显示屏，用于显示超声波电源正常工作时对应的四个换能器的实时取样电压、电流、工作频率等数据;STM32控制器61的第四接口连接晶振电路64，晶振电路64包括8MHz、12MHz、25MHz三种晶振，最高可提供168MHz的运行频率；STM32控制器61的第五接口连接JTAG接口电路65，用于下载和调试STM32的程序;STM32控制器61通过USB总线接口电路21连接USB总线2，USB总线2进而连接PC上位机I，其中，USB总线接口电路21、USB总线2、PC上位机I之间均采取双向通信方式。
[0026]STM32F4控制系统6与FPGA模块7采用总线系统相连，实现双向控制通信;FPGA模块7主要由FPGA芯片71、FPGA配置电路72、JTAG接口电路73组成，FPGA芯片71的第一接口与FPGA配置电路72相连，FPGA配置电路72是FPGA芯片71正常工作的必备电路系统，其中包括FPGA的晶振电路和存储电路等;FPGA芯片71的第二接口与JTAG接口电路73，JTAG接口电路73用于下载和调试FPGA的程序;FPGA芯片71的第三接口与高速D/A转换模块8相连，高速D/A转换模块8主要作用是将FPGA产生的高频数字信号经过适当放大后转换为无失真的高频模拟信号，高速D/A转换模块8采用16位高精度DAC芯片。
[0027]四路功放及补偿电路9采用四通道分时复用的工作方式，四个通道可同时进行高频模拟信号的发射，亦可以分时段进行高频模拟信号的发射，然后高频信号经过相控信号总线4控制阵列式超声波换能器5中对应四个换能器的工作；四路功放及补偿电路9包括驱动电路91、电源92、调压整流滤波模块93、保护电路94、预放大电路95、可控增益放大电路96、网络匹配电路97，高频模拟信号经过驱动电路91同时驱动调压整流滤波模块93、预放大电路95、可控增益放大电路96等电路的正常工作，最终实现高频信号的电压转换、整流滤波和功率放大;保护电路94同时连接调压整流滤波模块93、预放大电路95、可控增益放大电路96，保护电路94主要用于电源电路系统的过压、过流、过热保护，用来保证电源电路系统能够安全高效的运行;经过功率放大的高频信号通过网络匹配电路97后连接阵列式超声波换能器5，网络匹配电路97主要作用是实现换能器的阻抗匹配，以保证电源系统功率最大效率的传输。
[0028]反馈电路系统是阵列式换能器超声波电源的基础组成部分，通过采样电路51、52采集负载阵列式超声波换能器5的电压和电流信号，采样信号经过信号放大电路98、带通滤波电路99、电流和相位检测电路后送到STM32控制器61，STM32控制器61根据相位检测的有效值进入一个中断程序驱动FPGA模块7微调信号发生频率，以实现频率的自动跟踪；STM32控制器61根据电流和相位检测电路检测的电流有效值进入自带的模数转换器进行处理，以保证换能器阵列输出超声波的振幅恒定控制;其中，电流和相位检测电路集成在STM32F4控制系统6上。
[0029]图3和图4为本实用新型超声波换能器相控阵列的正面和侧面结构示意图。本实用新型的超声波换能器相控阵列是由64个压电型换能器组成的，采用圆球面形的排列方式，共计5层，自内向外排列每一层的换能器个数分别是1、5、10、16、32;超声波换能器相控阵列的三维空间侧面结构示意图如图4所示，每一层换能器之间有一定的间距(O—100mm);每一层的每个换能器的谐振频率可能不尽相同，本实用新型超声波换能器相控阵列可以实现的不同频率数是64个，可以米用的频率范围是20KHz—IMHz，但只要米用多频率、多频段手段实现超声聚焦、超声悬浮、超声“内加工”的技术均在本实用新型的保护之列。
[0030]本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。
【主权项】
1.一种阵列式换能器超声波电源装置，其特征是包括PC上位机、USB总线、16个信号发生及功放模块、相控信号总线及阵列式超声波换能器，PC上位机通过USB总线通信连接所述的16个信号发生及功放模块，信号发生及功放模块通过相控信号总线连接所述的阵列式超声波换能器。2.如权利要求1所述的阵列式换能器超声波电源装置，其特征是:信号发生及功放模块包括STM32F4控制系统、FPGA模块、高速D/A转换模块、四路功放及补偿电路，STM32F4控制系统、FPGA模块、高速D/A转换模块、四路功放及补偿电路依次相连。3.如权利要求2所述的阵列式换能器超声波电源装置，其特征是:STM32F4控制系统包括STM32控制器、STM32匹配电路、LCD触摸显示屏、晶振电路、JTAG接口电路，STM32控制器采用基于Cortex-M4处理器的芯片STM32F407ZGT6，STM32控制器的第一接口连接FPGA模块，STM32控制器的第二接口连接STM32匹配电路，STM32控制器的第三接口连接LCD触摸显示屏，STM32控制器的第四接口连接晶振电路，STM32控制器的第五接口连接JTAG接口电路，STM32控制器通过USB总线接口电路连接USB总线，USB总线进而连接PC上位机，其中，USB总线接口电路与USB总线、USB总线与PC上位机之间均采取双向通信方式。4.如权利要求2或3所述的阵列式换能器超声波电源装置，其特征是:FPGA模块包括FPGA芯片、FPGA配置电路、JTAG接口电路，FPGA芯片的第一接口与FPGA配置电路相连，FPGA芯片的第二接口与JTAG接口电路，FPGA芯片的第三接口与高速D/A转换模块相连。5.如权利要求2或3所述的阵列式换能器超声波电源装置，其特征是:四路功放及补偿电路包括驱动电路、电源、调压整流滤波模块、保护电路、预放大电路、可控增益放大电路、网络匹配电路，驱动电路与高速D/A转换模块相联，电源与高压整流滤波模块相联，高频模拟信号经过驱动电路与调压整流滤波模块、预放大电路、可控增益放大电路都相联，保护电路与调压整流滤波模块、预放大电路、可控增益放大电路都相联，可控增益放大电路与网线匹配电路相联，网络匹配电路联接阵列式超声波换能器。6.如权利要求3所述的阵列式换能器超声波电源装置，其特征是:阵列式超声波换能器通过采样电路与信号放大电路相联，信号放大电路与带通滤波电路相联，带通滤波电路与STM32控制器相联。
【专利摘要】本实用新型公开了一种阵列式换能器超声波电源装置，包括PC上位机、USB总线、16个信号发生及功放模块、相控信号总线及阵列式超声波换能器，PC上位机通过USB总线通信连接所述的16个信号发生及功放模块，信号发生及功放模块通过相控信号总线连接所述的阵列式超声波换能器。本实用新型通过阵列式换能器超声波电源驱动换能器阵列实现多频率超声波的声波聚焦、超声悬浮等功能，适用于科学研究场所和实验平台的搭建，采用模块化设计，机体及电路结构容易实现，具有较广的应用前景，弥补了目前利用换能器阵列实现多频率的超声聚焦方面应用研究的空白。
【IPC分类】B06B1/06
【公开号】CN205199873
【申请号】CN201521108569
【发明人】翟壮, 吴立群, 王洪成, 张俐楠
【申请人】杭州电子科技大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月28日