本发明涉及线聚焦共焦超声传感器、超声激发声发射、振动声成像技术领域，具体涉及一种差频连续正弦信号发射电路。
背景技术：
超声激发声发射（usae）就是将两束具有微小频差δf的共焦超声波聚焦于物体，产生频率为δf的交变辐射力。在辐射力的作用下，物体沿着声轴方向做往复振动，向外辐射声波信号。根据辐射声波信号，揭示双频交变压缩力对软骨力学性能的调控机理。为此，超声波发射电路必须能够激发换能器发射稳定、连续、频率可调控的超声波。
换能器发射超声波，需要电激励。激励方法常为：在压电材料的两端涂上薄层金属电极，然后加上交变电压，使其内部产生电场。电激励有两种形式：连续波激励和脉冲波激励。一般脉冲波激励用于精确地分辨出物体及其位置。用脉冲波激励与较低品质值的换能器，能发射持续时间较短的声脉冲，以提高距离分辨率。连续波激励高品质值的超声换能器，换能器的损耗较小，可发射出频率稳定、功率较强的连续超声波。
调控交变辐射力频率即调控发射超声波的的频差，需要频率合成器。频率合成器是基于以一个或多个参考源为基准，在某一频段内，综合产生并输出多个工作频率点而研制的频率源。直接数字频率合成（dds）利用数字方式累加相位，再以相位之和作为地址来查询正弦函数表，得到正弦波幅度的离散数字序列，最后经数字模拟转换器(dac)变换得到模拟正弦波输出。直接数字频率合成器是从相位概念出发直接合成所需波形的频率合成芯片。直接数字频率合成这种频率合成方法可以获得很高的频率精度和相位分辨率、快速频率转换时间和低相位噪声的频率信号，并且结构简单集成度高，易于功能扩展和全数字化便于集成等优点，可用于合成连续正弦电压信号。
分析信号频谱时为了提高系统的频率分辨率，需要设计性能优良的模拟滤波器。在所有的模拟滤波器中，椭圆滤波器有着极高的性能。无源滤波器(lc滤波器)频率范围很宽，椭圆型滤波器阻带特性比其他滤波器好。故根据设计要求，按照椭圆型低通滤波器理论设计方法，将滤波器归一化来初步确定滤波器的阶数及元件值。
在超声发射装置中，通过发射电路产生作为发射信号的高频交流电压信号。在发射阶段中，所述交流电压信号施加到超声转换器上，用于发出超声波。因为超声发射装置的发射功率的有效范围关键取决于发射信号的电压频率与振幅，所以在馈入到超声转换器中之前控制发射信号的电压频率、通过电压放大器放大发射信号的电压振幅。实现发射较高的频率稳定度，高的频率分辨率，且频率在较大的范围内可方便的进行调节的正弦波。
在超声发射装置中，在超声换能器的工作状态对其进行动态阻抗匹配，有效驱动换能器产生连续、稳定的超声波。同时对电路进行调阻，使整个电路的有功电阻和信号源输出阻抗相接近，以达最佳功率输出。
如果观察电路可以发现，电路采用两独立的dds通道。在使用时，需要保证通道间的频差稳定、电路平衡。为实现上述功能，需要引入反馈电路。通过常规峰值检测器，与前后电路阻值相匹配，实现两通道功率的平衡。将其输入端与功率放大器输出端连接，对输出电压进行整峰处理。将其输出端与单片机引脚连接,输出信号经运放放大后，送单片机采样。单片机对两个通道的输出幅值分别进行采样，比较后通过改变ad9851的幅值和修改ad8330的放大倍数来对输出做出调整，以使它们的幅值相接近，达到电路功率的平衡。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种差频连续正弦信号发射电路。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种差频连续正弦信号发射电路，包括：
单片机，用于比较信号，输出信号增益参数；
发射电路，用于在所述发射电路的发射输出端上产生发射信号；
dds频率合成器，集成所述发射电路，所述dds频率合成器的输入端连接发射电路的发射输出端，用于生成多个、有着不同频率的连续正弦电压信号；
电压放大器，所述电压放大器的电压输入端连接dds频率合成器的输出端，用于放大正弦电压信号幅值，所述电压放大器的增益输入端连接单片机，用于调整所述电压放大器的增益值；
功率放大器，所述功率放大器的输入端连接电压放大器的输出端，用于放大正弦电压信号的功率；
峰值检测器，所述峰值检测器的输入端连接功率放大器的输出端，峰值检测器的输出端连接单片机，用于对功率放大器的输出端的正弦电压信号整峰后反馈至单片机，保持多通道发射电路间的平衡；
网络匹配，所述网络匹配的输入端连接功率放大器的输出端，网络匹配的输出端连接一换能器，用于与换能器进行动态阻抗匹配，驱动换能器产生所需频率的连续声波信号；
时钟电路，所述时钟电路连接dds频率合成器的时钟信号输入端，用于保持多通道dds频率合成器间的同步。
进一步的，所述dds频率合成器的输出端与电压放大器的电压输入端之间设有七阶低通椭圆滤波器，用于滤除杂波，得到纯净、输出规整的连续正弦电压信号。
进一步的，所述发射电路的发射输出端上输出双端时钟信号差分输入至dds频率合成器。
进一步的，所述发射电路中设有一阻抗匹配电路与换能器进行动态阻抗匹配。
进一步的，所述换能器等效为一动态电阻、动态电感、动态电容的串联电路与一静态电容并联的电路。
进一步的，所述阻抗匹配电路等效为一随着串联电感取值而呈容性或为纯阻值性的电阻。
进一步的，所述dds频率合成器包括相位累加器、第一加法器、正弦查询表、数模转换器dac和低通滤波器lpf，所述相位累加器在时钟fc的控制下，以步长k做累加，输出的n位二进制码与相位控制字p通过第一加法器相加后作为正弦查询表的地址，对正弦查询表进行寻址，正弦查询表输出数字正弦信号，经数模转换器dac变成模拟正弦信号，再经过低通滤波器lpf平滑后合成信号波形。
进一步的，所述相位累加器由第二加法器和相位寄存器组成，所述第二加法器前输入有频率控制字f，用以控制步长k，通过改变所述正弦查询表中存放的幅度码改变合成信号波形的形状，通过改变频率控制字f与相位控制字p，改变dds频率合成器的输出频率。
进一步的，所述功率放大器采用npn、pnp功率对管构成推挽式结构，ab类功率放大器电路由功率对管搭建而成，在输入信号的一个周期内,对管半周期轮流导通。在ab类操作中，即使没有输入信号出现，放大器的推挽这一级也是施加偏压成稍微导通的状态。通过两三极管基极间接两同向二极管，分压器以及二极管的配置来施加偏压，防止信号的交越失真。
进一步的，ab类的所述功率放大器电路的推挽一级施加偏压成稍微导通的状态，并通过两个三极管基极间接两同向二极管、分压器以及二极管的配置来施加偏压。
本发明的有益效果是:
本发明实现了超声波信号激励、控制的电路设计，尤其是超声波信号的连续激励、正弦信号电子电路的设计，满足了超声波发射信号的基本要求；可作为超声波无损检测领域独立的超声波信号激励源；该电路运行稳定，可靠性高，有很高的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的单频发射系统结构框图；
图2为本发明实施例的双频发射系统结构框图；
图3为本发明实施例的改进双频发射系统结构框图；
图4为本发明的dds频率合成器电路图；
图5为本发明的低通滤波模块；
图6为本发明的电压放大器和功率放大器电路；
图7为本发明的动态阻抗匹配模块；
图8为本发明的dds频率合成器的逻辑框图。
图中标号说明：图中的标号1、2、3只表示电路通道序号，并不表示部件名称。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参照图1所示，一种差频连续正弦信号发射电路，包括：
单片机，用于比较信号，输出信号增益参数，单片机采用cf80518005f单片机及常规的外围电路；
发射电路，用于在所述发射电路的发射输出端上产生发射信号，采用mc100lvel16d差分信号驱动芯片，输出双端时钟信号；
dds频率合成器，集成所述发射电路，所述dds频率合成器的输入端连接发射电路的发射输出端，用于生成多个、有着不同频率的连续正弦电压信号，dds频率合成器采用两片完全相同ad9851芯片，ad9851芯片内置参考时钟芯片，可直接用内部参考时钟芯片合成一定频率的时钟信号，无需引用外部时钟信号；6倍时钟倍乘可外部输入一较小频率如30mhz的时钟信号，经内部6倍倍乘后达180mhz频率的信号，其分辨率约0.04hz；ad9851芯片内部包含一个高速比较器，高速比较器可以被配置为接受数模转换器dac的滤波输出来产生一个低抖动的输出脉冲，本实施例中未使用此功能模块；ad9851芯片的数字管脚与单片机并口通信，pgnd为6倍参考时钟倍乘器接地，pvcc为6倍参考时钟倍乘器供电端供8v电压，agnd模拟接地引脚对应数模转换器dac与比较器的模拟接地端口，avdd为正电源电压的模拟电路和带隙基准；
电压放大器，所述电压放大器的电压输入端连接dds频率合成器的输出端，用于放大正弦电压信号幅值，所述电压放大器的增益输入端连接单片机，用于调整所述电压放大器的增益值，电压放大器采用ad8330芯片，ad8330芯片为线性可调增益电压放大器，其输入端与七阶低通椭圆滤波器输出端、单片机引脚相连，输出与功率放大器连接；具体为ad8330芯片的int0引脚输入电压范围0.3mv至1v，其差分输出阻抗为75ω，线性增益可使输出电压峰值达10v，使能引脚接参考电压6v；ad8330芯片主要由vga核心模块、偏差与参考电压模块、补偿控制模块、输出平台模块、输出信号控制和增益调整模块组成，其中，通过控制与单片机连接的vdbs引脚的电压控制ad8330芯片的基本增益；
功率放大器，所述功率放大器的输入端连接电压放大器的输出端，用于放大正弦电压信号的功率；
峰值检测器，所述峰值检测器的输入端连接功率放大器的输出端，峰值检测器的输出端连接单片机，用于对功率放大器的输出端的正弦电压信号整峰后反馈至单片机，保持多通道发射电路间的平衡；
网络匹配，所述网络匹配的输入端连接功率放大器的输出端，网络匹配的输出端连接一换能器，用于与换能器进行动态阻抗匹配，驱动换能器产生所需频率的连续声波信号；
时钟电路，所述时钟电路连接dds频率合成器的时钟信号输入端，用于保持多通道dds频率合成器间的同步，时钟电路包括时钟差分芯片和有源晶振，有源晶振采用sit8103芯片，时钟差分芯片也采用mc100lvel16d差分信号驱动芯片，有源晶振sit8103正极引脚与3.3v电压相连，负极引脚接地，n/c引脚置零，功能输出引脚通过保护电阻r3与时钟差分芯片mc100lvel16d的数字输入引脚d0、d1相连，同时接入引脚vee，将芯片vcc引脚接入3.3v电压，
所述dds频率合成器的输出端与电压放大器的电压输入端之间设有七阶低通椭圆滤波器，用于滤除杂波，得到纯净、输出规整的连续正弦电压信号，所述七阶低通椭圆滤波器的输入输出电阻75ω与ad9851芯片匹配，其由三个并联回路，电感与有极电容并联电路再与一有极电容串联而成，串联有容电极另一极接地，各元器件值先按照标准椭圆型低通滤波器理论设计方法取值，然后各参数通过归一化处理，再进行电路仿真得到截止频率为72mhz，带内纹波小于0.1db的椭圆滤波器。
所述发射电路的发射输出端上输出双端时钟信号差分输入至dds频率合成器。
所述发射电路中设有一阻抗匹配电路与换能器进行动态阻抗匹配。
所述换能器等效为一动态电阻、动态电感、动态电容的串联电路与一静态电容并联的电路。
所述阻抗匹配电路等效为一随着串联电感取值而呈容性或为纯阻值性的电阻。
图8示出dds频率合成器的逻辑框图，所述dds频率合成器包括相位累加器、第一加法器、正弦查询表、数模转换器dac和低通滤波器lpf，所述相位累加器在时钟fc的控制下，以步长k做累加，输出的n位二进制码与相位控制字p通过第一加法器相加后作为正弦查询表的地址，对正弦查询表进行寻址，正弦查询表输出数字正弦信号，经数模转换器dac变成模拟正弦信号，再经过低通滤波器lpf平滑后合成信号波形。
所述相位累加器由第二加法器和相位寄存器组成，所述第二加法器前输入有频率控制字f，用以控制步长k，通过改变所述正弦查询表中存放的幅度码改变合成信号波形的形状，通过改变频率控制字f与相位控制字p，改变dds频率合成器的输出频率。
所述功率放大器采用npn、pnp功率对管构成推挽式结构，ab类功率放大器电路由功率对管搭建而成，在输入信号的一个周期内,对管半周期轮流导通。在ab类操作中，即使没有输入信号出现，放大器的推挽这一级也是施加偏压成稍微导通的状态。通过两三极管基极间接两同向二极管，分压器以及二极管的配置来施加偏压，防止信号的交越失真。
ab类的所述功率放大器电路的推挽一级施加偏压成稍微导通的状态，并通过两个三极管基极间接两同向二极管、分压器以及二极管的配置来施加偏压，经设计仿真计算，功率经功率放大器放大后，功率大于2.3w，失真度较小，可有效避免信号失真，所述功率放大器输入端接电压放大器输出引脚，输出端接匹配电路及峰值检测器。
下面结合附图对各个实施方式进行一一说明：
图1示出根据本发明第一实施方式的超声发射装置的结构框图发射电路用于在信号输出端输出1个正弦信号。在该实施方案中，开关s1、s2断开，仅dds信号合成通道2连接入电路，产生单个频率的连续正弦信号。在该实施方式中，通过写入ad9851芯片的频率控制字控制dds频率合成器通道的通断。此外，断开dds频率合成器通道1的开关s1保证电路中仅dds信号合成通道2发射信号，避免通道1中时钟信号的干扰。所述实施方式中，差分时钟驱动芯片的
图2示出本发明第二实施方式的超声发射装置的结构框图。发射电路用于在信号输出端输出两个连续正弦信号，通过写入dds频率合成器两通道的频率控制字控制输出正弦信号的频率及两信号的微小频差。在该实施方式中，开关s1闭合，开关s2断开，产生两个具有不同频率连续正弦信号。在该实施方式中，频率控制字分别写入dds频率合成器通道1、2的引脚。差分时钟驱动芯片的与输出时钟信号差分输入至dds频率合成器通道1、2的ad9851芯片的时钟输入引脚，控制连续正弦信号的同步生成。dds频率合成器通道1和2分别输出正弦信号通过匹配电阻接入对应通道的七阶低通椭圆滤波器，经滤波后的电压信号由各自相应的电压放大器放大。放大后的信号接入功率放大器的输入端。其中通道1中电压放大器放大后的电压信号，连接入通道1中的功率放大器，此时通道1中的功率放大器3处于开路状态。通道1中电压信号，经电压放大器1、功率放大器1放大后的电压信号经峰值检测器1整峰后反馈至单片机。同时，通道2中的电压信号，经电压放大器2、功率放大器2放大后经峰值检测器2整峰后反馈至单片机。根据峰值检测器1、2反馈的电压信号，单片机调节通道1与通道2的dds频率合成器与电压放大器的线性增益实现超声信号发射电路两通道的平衡。调整后的电压信号经对应的动态阻抗匹配后，分别驱动相应的换能器发射连续、稳定的超声波。
图3示出本发明第三实施方式的超声发射装置的结构框图。发射电路用于在信号输出端输出三个连续正弦信号，通过写入dds频率合成器两通道的频率控制字控制输出正弦信号的频率及三信号的微小频差。在该实施方式中，开关s1闭合，开关s2闭合，产生三个具有不同频率连续正弦信号。在该实施方式中，频率控制字分别写入dds频率合成器通道1、2的引脚。差分时钟驱动芯片的与输出时钟信号差分输入至dds频率合成器通道1、2的ad9851芯片的时钟输入引脚，控制连续正弦信号的同步生成。dds频率合成器1和2分别输出正弦信号通过匹配电阻接入对应通道的七阶低通椭圆滤波器，经滤波后的电压信号由各自相应的电压放大器放大。放大后的信号接入功率放大器的输入端。其中通道1中电压放大器放大后的电压信号，连接入通道1中的功率放大器，此时通道1中的功率放大器3处于闭合状态。通道1中电压信号，经电压放大器1、功率放大器1放大后的电压信号经峰值检测器1整峰后反馈至单片机。同时，通道2中的电压信号，分别经电压放大器2、电压放大器2放大电压后分别输入对应功率放大器2、功率放大器3放大后经峰值检测器2整峰后反馈至单片机。根据峰值检测器1、2反馈的电压信号，单片机调节通道1与通道2的dds频率合成器与电压放大器的线性增益实现超声信号发射电路两通道的平衡。调整后的电压信号经对应的动态阻抗匹配后，分别驱动相应的换能器发射连续、稳定的超声波。
图4示出本发明dds频率合成器电路图，ad9851芯片2管脚功能分布如图4所示。其agnd引脚即引脚10接地，avcc引脚接5v电源提供芯片工作电压。时钟信号经差分时钟驱动芯片差分输入ad9851的时钟输入refclock引脚即引脚9，使各通道同步动作。ad9851的ioutb引脚即引脚20输出dac转换器转换后的交流电流。输出管脚与一阻值为100ω的电阻相连，将输出电流转换为交流电压输出。ad9851的reset引脚即引脚12通过一阻值为3.9kω的保护电阻与单片机连接，用于单片机控制ad9851的复位操作。voutn与voutp引脚不连入电路。ad9851的引脚与单片机输出相连，用于单片机对ad9851写入相应命令，实现相应操作功能。
图5示出本发明七阶低通椭圆滤波器电路图。由于各通道七阶低通椭圆滤波器的结构、截止频率及实现功能相同，因此可通过具体分析其一通道的滤波器来分析整体发射电路的三个滤波器。因为lc滤波器的频率范围很宽，又椭圆型滤波器阻带特性比其他滤波器好，故本发明采用无源椭圆型滤波器。首先根据椭圆滤波器理论设计方案，设计出其结构即电感与有源电容的并联电路再与一有源电容串联而成的电路相并联。再根据设计要求：ad9851输出信号频率最大为72mhz，输出阻值为75ω，带内最大波纹小于0.1db，确定椭圆滤波器的阶数为七阶，输入输出阻值为50ω。然后用阻带频率与截止频率的比值确定陡度系数，根据所述陡度系数与截止频率查找滤波器归一化表格，确定各电感、电容的归一化设计参数。用待合成滤波器的截止频率72mhz除以归一化截止频率1/(2*π)得一参数m，再用m除以各元器件归一化设计参数。最后，所得电感值乘以阻值即得滤波器电感值，所得电容值除以阻值即得滤波器电容值。
图6示出本发明电压放大器和功率放大器电路图，ad8330芯片的vpso、vpsi引脚通过电阻与上拉3.3v电压相连，再经过电容与接地信号相连。cntr、comp、comm、mode引脚接信号地，vmag引脚悬空不接入。inlo引脚与滤波器输出相连，放大dds合成信号频率。inli引脚与单片机连接，用于直接控制合成信号。
图7示出本发明动态阻抗匹配电路图，所述匹配电路用于驱动超声换能器发射稳定、连续的声波信号。本发明发射信号为连续正弦信号，其发射电路将一直处于工作状态。故需要对工作状态下的超声换能器进行动态匹配，使匹配后的换能器在动态支路谐振频率点工作效率最高。而且输出阻抗也减小，以最佳功率驱动超声换能器在其谐振频率附近连续工作。根据超声换能器的特性，可将其等效为一静态电容并联于一动态电阻、动态电容、动态电感的串联电路。本发明选择动态支路谐振频率为超声换能器的最佳工作谐振频率的匹配原则，对超声换能器进行电端匹配。动态电阻、动态电容与动态电感取值与频率
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。