本實(shí)用新型涉及醫(yī)療超聲成像技術(shù)、工業(yè)無損檢測技術(shù)以及信號(hào)處理領(lǐng)域，具體是一種多通道超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。

背景技術(shù)：

超聲成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域，而超聲換能器是實(shí)現(xiàn)超聲成像的關(guān)鍵部件之一。在醫(yī)學(xué)方面，由于超聲成像具有安全、無創(chuàng)、便攜、易用、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)，20世紀(jì)末超聲檢查已占據(jù)各類醫(yī)學(xué)影像檢查方式的四分之一，超聲成像在臨床診斷領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用；在工業(yè)方面，超聲無損檢測技術(shù)是發(fā)展速度最快的一種檢測技術(shù)，與其它常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，超聲無損檢測技術(shù)具有檢測對(duì)象范圍廣，檢測深度大，缺陷定位準(zhǔn)確，靈敏度高，成本低，使用方便，速度快，對(duì)人體無害以及便于現(xiàn)場使用等特點(diǎn)；在水聲成像方面，海底礦物資源開發(fā)需要進(jìn)行工程勘測和水下監(jiān)視，在海洋權(quán)益劃界談判中，需要海底地形地貌資料的支持，航道疏浚工程也需要地形地貌測量和工程量評(píng)估，重要水上活動(dòng)區(qū)域、基地、水下設(shè)施和船只等需要防范小型潛器(如微型潛艇)和蛙人的恐怖襲擊，水聲成像技術(shù)還可用于魚群探測、海洋石油勘探、船舶導(dǎo)航、水下工程（護(hù)岸工程、水下管線等）探查、沉物打撈、水下作業(yè)監(jiān)視、水下考古、水文測量等；在軍事方面，水聲成像技術(shù)可以用于水雷等水下爆炸物的探測與識(shí)別、基地和艦艇的安全防范、地形匹配導(dǎo)航等。

在眾多超聲換能器應(yīng)用領(lǐng)域，壓電超聲換能器（PMUT）是應(yīng)用最為廣泛的一種，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)制作而成的一種換能器，壓電陶瓷是現(xiàn)今最常用的壓電材料。由于受到壓電材料、結(jié)構(gòu)形式、加工工藝等因素的影響，使得傳統(tǒng)的壓電超聲換能器存在聲阻抗不匹配、工作頻率受限、溫度范圍較小、制作工藝復(fù)雜、成品率較低、一致性較差等許多不足之處。隨著集成電路制造技術(shù)和微加工技術(shù)的快速發(fā)展，超聲換能器的設(shè)計(jì)、制造和加工技術(shù)也在不斷地更新和發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出各種新型制造和加工技術(shù)?；贛EMS技術(shù)的電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）具有傳統(tǒng)壓電超聲換能器所不具備的顯著優(yōu)勢(shì)，既具有電容換能器的寬頻帶和高接收靈敏度的優(yōu)勢(shì)，也充分利用了 MEMS微加工技術(shù)適合制作微型高密度陣列，實(shí)現(xiàn)陣元的高一致性批量化生產(chǎn)，有利于換能器與信號(hào)處理電路集成。有望替代傳統(tǒng)壓電超聲換能器成為市場的主流產(chǎn)品。由于CMUT和PMUT的工作機(jī)理不同，傳感器工作參數(shù)設(shè)定不一致，因此無法將CMUT應(yīng)用于PUMT成像系統(tǒng)。目前還未見CMUT與PMUT成像系統(tǒng)匹配的相關(guān)報(bào)道。本發(fā)明多通道超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置，在發(fā)射階段將PMUT系統(tǒng)的發(fā)射參數(shù)通過信號(hào)限幅、脈沖整形電路、阻抗匹配電路變?yōu)镃MUT所需參數(shù)，實(shí)現(xiàn)CMUT與超聲成像系統(tǒng)的完美匹配；在接收階段，當(dāng)CMUT接收到回波信號(hào)時(shí)通過微小電容檢測電路、信號(hào)濾波電路將檢測電容轉(zhuǎn)換為PUMT成像系統(tǒng)所需的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體成像。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型是為了解決CMUT與PMUT成像系統(tǒng)參數(shù)不能匹配問題，實(shí)現(xiàn)充分利用現(xiàn)有設(shè)備資源、免于二次開發(fā)，提供一種多通道超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。

本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案：一種多通道超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)置，包括發(fā)射信號(hào)調(diào)理電路、阻抗匹配電路、CMUT發(fā)射電路、CMUT接收電路、接收信號(hào)調(diào)理電路和電源模塊，電源模塊分別為發(fā)射信號(hào)調(diào)理電路、阻抗匹配電路、CMUT發(fā)射電路、CMUT接收電路和接收信號(hào)調(diào)理電路供電，發(fā)射信號(hào)調(diào)理電路輸入端接收信號(hào)，發(fā)射信號(hào)調(diào)理電路輸出端與阻抗匹配電路輸入端連接，阻抗匹配電路輸出端與CMUT發(fā)射電路輸入端連接，CMUT接收電路通過聲壓感知CMUT發(fā)射的回波信號(hào)，CMUT接收電路輸出端與接收信號(hào)調(diào)理電路輸入端連接，接收信號(hào)調(diào)理電路輸出端輸出信號(hào)。

所述的發(fā)射信號(hào)調(diào)理電路包括基于施密特觸發(fā)器的超聲脈沖整形電路和高壓交流變壓限幅電路。

所述的接收信號(hào)調(diào)理電路包括微小電容檢測放大電路和帶通濾波電路。

所述的阻抗匹配電路包括變壓器、電容C′、電容C和電阻R，變壓器輸入側(cè)與電源連接，變壓器輸出側(cè)第一端口與電容C′的一端連接，電容C′的另一端與電感L的一端連接，電感L另一端分別與電容C、電容C0和電阻R的一端連接，電容C、電容C0和電阻R的另一端與變壓器輸出側(cè)第二端口連接。

所述的微小電容檢測放大電路包括電阻Rb、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電容Cf、電阻Rf、電阻R1和運(yùn)算放大器，電阻Rb一端與供電電源連接，電阻Rb另一端分別與電容C1和電容C2的一端連接，電容C2的另一端接地線，電容C1的另一端分別與運(yùn)算放大器的反向輸入端、電容C3、電容Cf和電阻Rf連接，電容C3另一端接地線，電容Cf和電阻Rf另一端與運(yùn)算放大器的輸出端連接，運(yùn)算放大器的同向輸出端分別與電容C4和電阻R1的一端連接，電容C4和電阻R1的另一端接地線。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，通過PMUT成像系統(tǒng)可視化人機(jī)交互式界面進(jìn)行操作。設(shè)計(jì)了信號(hào)限幅電路、基于施密特觸發(fā)器的超聲脈沖整形電路，對(duì)PMUT成像系統(tǒng)輸出高壓脈沖進(jìn)行降壓整形，實(shí)現(xiàn)對(duì)CMUT的驅(qū)動(dòng)；設(shè)計(jì)了阻抗匹配電路，使得CMUT發(fā)射功率達(dá)到最大值；基于OPA656微小電容檢測電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微小電容放大并轉(zhuǎn)換為所需的電壓信號(hào)；基于AD8039的六階帶通濾波器實(shí)現(xiàn)通帶內(nèi)最大衰減-3dB，阻帶最小衰減-30dB，將CMUT自身產(chǎn)生和來自復(fù)雜水聲信道中的噪聲濾出，并將電壓信號(hào)穩(wěn)定輸出。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型阻抗匹配電路原理圖；

圖3是本實(shí)用新型微小電容檢測放大原理圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1說明本發(fā)明具體實(shí)施方式，本發(fā)明包括發(fā)射信號(hào)調(diào)理電路、阻抗匹配電路、CMUT發(fā)射電路、CMUT接收電路、接收信號(hào)調(diào)理電路和電源模塊，電源模塊分別為發(fā)射信號(hào)調(diào)理電路、阻抗匹配電路、CMUT發(fā)射電路、CMUT接收電路和接收信號(hào)調(diào)理電路供電，發(fā)射信號(hào)調(diào)理電路輸入端接收信號(hào)，發(fā)射信號(hào)調(diào)理電路輸出端與阻抗匹配電路輸入端連接，阻抗匹配電路輸出端與CMUT發(fā)射電路輸入端連接，CMUT接收電路通過聲壓感知CMUT發(fā)射的回波信號(hào)，CMUT接收電路輸出端與接收信號(hào)調(diào)理電路輸入端連接，接收信號(hào)調(diào)理電路輸出端輸出信號(hào)。

所述的接收信號(hào)調(diào)理電路包括微小電容檢測放大電路和帶通濾波電路。

所述的發(fā)射信號(hào)調(diào)理電路包括基于施密特觸發(fā)器的超聲脈沖整形電路和高壓交流變壓限幅電路。通過CD40106施密特觸發(fā)器整形，為CMUT提供幅值穩(wěn)定的脈沖波，該電路選用Texas Instruments公司推出的CD40106芯片。CD40106芯片擁有6個(gè)施密特觸發(fā)器，每個(gè)施密特存在著兩個(gè)臨界電壓并且擁有一個(gè)滯后區(qū)，可以防止噪聲對(duì)于電路正常工作中的干擾。當(dāng)適合的波形信號(hào)輸入整個(gè)電路時(shí)，輸出的信號(hào)在正、負(fù)飽和電流之間躍動(dòng)，產(chǎn)生方波或者脈沖波輸出。

在發(fā)射階段將PMUT系統(tǒng)的發(fā)射參數(shù)通過信號(hào)限幅、脈沖整形電路、阻抗匹配電路變?yōu)轵?qū)動(dòng)CMUT所需參數(shù)，實(shí)現(xiàn)CMUT與超聲成像系統(tǒng)的完美匹配；在接收階段，當(dāng)CMUT接收到回波信號(hào)時(shí)，通過微小電容檢測電路、信號(hào)濾波電路將檢測電容轉(zhuǎn)換為PUMT成像系統(tǒng)所需的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體成像。

圖2為阻抗匹配電路原理圖，所述的阻抗匹配電路包括變壓器、電容C′、電容C和電阻R，變壓器輸入側(cè)與電源連接，變壓器輸出側(cè)第一端口與電容C′的一端連接，C′的另一端與電感L的一端連接，電感L另一端分別與電容C、電容C0和電阻R的一端連接，電容C、電容C0和電阻R的另一端與變壓器輸出側(cè)第二端口連接。解決CMUT陣列與整形電路的阻抗失配問題，使得CMUT有較高的工作效率。當(dāng)負(fù)載阻抗與整形電路等效阻抗互為共軛復(fù)數(shù)時(shí)，負(fù)載輸出功率最大，CMUT轉(zhuǎn)換效率最大。處于諧振狀態(tài)的CMUT相當(dāng)于一個(gè)容性阻抗，與匹配電路一起構(gòu)成負(fù)載。對(duì)于調(diào)諧匹配電路有串聯(lián)和并聯(lián)兩種輸出方式，采用了串聯(lián)方式，因?yàn)楫?dāng)輸出功率一定時(shí)，串聯(lián)調(diào)諧的等效電阻小，可以減輕變壓器體積和重量，且串聯(lián)匹配有濾波作用。

如圖3所示，所述的微小電容檢測放大電路包括電阻Rb、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電容Cf、電阻Rf、電阻R1和運(yùn)算放大器，電阻Rb一端與供電電源連接，電阻Rb另一端分別與電容C1和電容C2的一端連接，電容C2的另一端接地線，電容C1的另一端分別與運(yùn)算放大器的反向輸入端、電容C3、電容Cf和電阻Rf連接，電容C3另一端接地線，電容Cf和電阻Rf另一端與運(yùn)算放大器的輸出端連接，運(yùn)算放大器的同向輸出端分別與電容C4和電阻R1的一端連接，電容C4和電阻R1的另一端接地線。Vcc為CMUT的直流偏置電壓，電阻R1為平衡電阻，電容C1為CMUT的等效模型，電容C2、電容C3分別為電路的等效雜散電容，可以減小雜散電容對(duì)檢測信號(hào)的干擾，但不會(huì)對(duì)微小電容檢測電路起作用，電阻Rf為反饋電阻，在電路中形成深度負(fù)反饋，將超聲作用下CMUT微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，補(bǔ)償電容Cf的存在，可以抑制電路信號(hào)中的自激振蕩和信號(hào)拖尾現(xiàn)象。基于電荷放大原理的電容檢測電路，一方面電路對(duì)被測電容只進(jìn)行一次充放電，即可完成對(duì)電容的測量，由于測量結(jié)果不存在脈動(dòng)成分，能較好的抑制雜散電容的影響，有很好的線性和穩(wěn)定性，這大大提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集效率。

在微小電容檢測放大電路和帶通濾波電路中選用Texas Instruments公司推出的TPS7A4901和TPS7A3001芯片作為供電端，輸出穩(wěn)定的直流電壓。TPS7A4901和TPS7A3001芯片噪聲較低，抑制紋波能力較強(qiáng)，通過調(diào)節(jié)外圍電路可穩(wěn)定輸出所需直流電壓，供信號(hào)整形、阻抗匹配電路、帶通濾波器和微小電容檢測轉(zhuǎn)換電路使用。

帶通濾波電路采用六階級(jí)聯(lián)式無限增益帶通濾波電路，有效濾除CMUT器件自身噪聲和來自水聲信道中噪聲，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定輸出。通帶內(nèi)最大衰減-3dB，阻帶最小衰減-30dB，該電路選用AnalogDevices公司的AD8039芯片，AD8039放大器是高速電壓反饋型放大器，具有極低的靜態(tài)電流，每個(gè)放大器僅1.0 mA。該放大器不僅功耗低、成本低，而且整體性能也很出色。此外，它還具有高壓擺率(425 V/μs)及低輸入失調(diào)電壓（最大3 mV）特性。

當(dāng)然，上述說明并非是對(duì)本實(shí)用新型的限制，本實(shí)用新型也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。