文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.034
中文引用格式： 李鵬，陳賽，柴文兵. 一種基于PWM的H橋超聲發射電路設計[J].電子技術應用，2015，41(10)：126-128，132.
英文引用格式： Li Peng，Chen Sai，Chai Wenbing. A design of H bridge ultrasonic emission circuit based on PWM[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：126-128，132.
0 引言
超聲成像技術以其結構簡單、成本低廉等優點被廣泛應用于醫療成像中。但超聲成像的發展一直受限于成像深度不夠和分辨率較差等問題[1]。隨著超聲技術的發展，采用不同的發射信號用于成像已成為一個重要的研究方向，如采用LFM（Linear Frequency Modulated Wave），二相編碼信號等。在傳統的超聲系統中，不同的波形往往都由不同的電路產生。本文在研究新體制成像方法中[2]，提出MIMO成像方法，其中采用LFM調制偽碼波形。為了便于成像方法研究，設計一款基于PWM調制的H橋超聲發射電路，可用于產生脈沖波、正弦脈沖波、編碼等波形。經理論仿真和實物制作測試驗證本電路產生波形滿足設計要求，并可以用于超聲探測和成像系統。
1 超聲發射電路系統設計
1.1 系統總體設計框圖
超聲發射系統分為：FPGA主控模塊、H橋功率放大模塊、LPF(Low Pass Filter)模塊、USB通信模塊以及變壓器和探頭，系統結構如圖1所示。超聲發射系統原理：PC將需要發射的波形數據通過USB模塊傳遞給FPGA，由FPGA產生PWM調制波，再通過H橋功率放大模塊將所需信號進行功率放大，利用低通濾波器將高頻載波濾除后送入變壓器進行信號電壓放大，最后將需要的波形信號加載到探頭發射。同時FPGA還負責與PC通信和實際回波的數據存儲的功能。
1.2 PWM產生
采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果相同[3]。本系統采用的方法是當前較為成熟的SPWM法，該方法以上面提到的理論為基礎，根據當前波形信號而產生脈沖寬度變化等效的PWM波形即波形對發射信號與預設的對比信號進行比較，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望的波形信號在同樣時間內取得面積相等，同時系統輸出的信號的頻率和大小可以通過改變調制波的頻率和幅值來調節。
本系統PWM調制采用工業上較為常用的三角波比較采樣方法, 該方法一般用于以正弦波做為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高的多的等腰三角波為載波[4]。同時結合1.3節的H橋電路有上下兩個方向通路的優點，如圖2所示，將需要發射的信號根據信號正負幅值分解成正向信號與逆向信號，這樣不僅可以簡化PC給FPGA發送發射信號的難度，還可以降低PWM調制的復雜性。
為了方便分析，把正向三角波用分段函數表達式[5]：
令調制比M=Us/Uc，載波比N=Wc/Ws(M≤1，N為正整數且N≥5)SPWM波形的采樣點為發射信號與三角波交點，即式(2)大于式(1)時，此時輸出為當前的電源電壓。同理，當式(2)小于式(1)時，輸出則為0。當調制的電源電壓為E時，SPWM波形的時間函數UL(t)：
為了適應不同的發射系統，就需要對任意的波形可以調制和發射。本系統選取如圖2所示不規則的編碼信號，經過PWM調制后的正反向信號即為圖3所示。
1.3 H橋功率放大電路
采用H型橋式的D型放大器可以實現平衡輸出，易于改善放大器的輸出特性，并可以減少干擾，所以H橋電路被廣泛應用于數字功放中[6-7]。本文的H橋功率放大電路如圖4所示，由4個開關MOS管與低通濾波器組成。其中Q1與Q4為P溝道開關管，Q2與Q3為N溝道開關管。H橋的通路特性為正向的PWM信號控制Q1與Q3打開，此時發射信號通過低通濾波器正向通過變壓器，反之Q2與Q4導通，電流方向相反。
本系統所采用的開關模式管器件為FDS4559，因為P溝道與N溝道的開關管的本身特性，所以其開關的開通和關斷時間也存在著差異。其中P溝道開通上升沿時間為38 ns，下降沿時間為50 ns，N溝道開通上升沿時間則為34 ns，下降沿時間為56 ns，所以該H橋可以實現(1/60 ns)對10 MHz以內的信號進行功率放大。當信號頻率改變時，只需根據所需要的頻率來調節相應的低通濾波器，無需對硬件模塊進行較大的改動。
同時系統的通斷也由PWM信號控制，當系統沒有信號輸入時，Q1與Q4均保持關閉狀態。當同時給P溝道與N溝道開通信號時，由于N溝道較P溝道導通時間快，所以先與地相通做好回路開通準備，而當關斷信號開通時，P溝道先于N溝道關閉，這樣可以避免逆向控制信號串入造成Q1與Q2直接導通造成短路的情況。
1.4 濾波器設計
目前的逆變技術主要采用脈寬調制方式，由于PWM調制本身的特性決定著逆變器的輸出電壓中含有較多的高次諧波分量，因此需要在逆變器的輸出端加上低通濾波器來減少諧波含量。本設計中的低通濾波器采用現在較為成熟的T型無源濾波器[8]，如圖5，該濾波器的截止頻率為：
為了使變壓器端更接近正弦同時又不會引起諧振問題,故諧振頻率必須要遠小于載波中所含有的最低次諧波頻率,同時又要遠大于基波頻率。參照實際中較為成熟的PWM方案, 為了達到比較優良的性能,最好滿足以下關系[9]：
10f1<fc<fs/10(5)
其中：f1為基波頻率，fs為PWM的載波頻率。本系統所用的探頭中心頻率為500 kHz，載波為50 MHz，故fc選取為5 MHz。
2 仿真及實驗結果
2.1 仿真結果
本設計仿真采用NI公司的Multisim仿真軟件進行仿真，該仿真軟件包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。仿真模型如圖6所示，超聲探頭用100 k?贅電阻代替，H橋功率放大由N溝道的RF9530和P溝道的RF9550兩對對管構成，變壓器的變比根據實際的變壓器設置為1：5(兼容500 kHz頻率)，正向信號源采用幅值12 V、頻率500 kHz的方波信號，逆向信號源則通過對正向信號延時半個周期獲得。軟件示波器測試經過低通濾波器后進入變壓器前的信號，以及經過變壓器進行電壓放大后加載到探頭上的波形信號。測試的波形為圖7所示，信道A為變壓器原邊波形，信道B則為通過變壓器后加載到探頭的波形，從圖上可以看出經過變壓器波形信號為500 kHz的正弦波，保持了頻率不變的特性，信號的幅值也由12 V的轉變為±540 V，達到了驅動探頭的標準。
2.2 實驗結果
為驗證本系統的任意波形發射，制作了實際電路并進行測試。實際的發射電路采用FDS4559與MD5055構成的16路通道，發射的波形采用500 kHz的正弦脈沖波調制成的兩個正半周期，兩個負半周期的不規則發射波形，測試單一通道的效果。實際測試的探頭為福州大禹超聲公司的DYW-500-E型號500K水聲探頭，該探頭的起振電壓為±150 V，峰值電壓為±800 V。本系統采用的電源電壓為48 V，加載到探頭上的波形信號為圖8所示，從圖上可以清楚看出加載到探頭上的波形與期望調制兩個正半周期，兩個負半周期相同，同時波形峰峰值達到±242 V，滿足探頭的起振條件。
3 結論
本文提出的超聲發射電路采用PWM調制發射，具有頻率穩定性好、方便調節的特點；H橋功率驅動電路功率高，可實現軟啟動，正逆向通道可以簡化發射信號產生；同時該電路與上位機軟件結合，不僅可以實現在10 MHz頻率以內的幾乎任意波形的調制發射，還可以方便拓展多個通道，適應多種超聲發射的場合。最后通過軟件仿真和實驗對比的方式驗證該發射電路的有效性。
參考文獻
[1] 李鵬.醫學超聲成像中若干新技術的研究與實現[D].杭州：浙江大學，2009.
[2] LI P，CAI Y，SHEN X，et al.An accurate detection for dynamic liquid level based on MIMO ultrasonic transducer array[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measure-ment，2015，64(3)：582-595.
[3] 李旭，謝運祥.PWM技術實現方法綜述[J].電源技術應用，2005(2)：51-55.
[4] 黃海宏，王海欣，張毅，等.PWM整流電路的原理分析[J].電氣電子教學學報，2007，29(4)：28-30.
[5] 徐順剛，許建平，曹太強.SPWM逆變電源輸出諧波分析及抑制方法研究[J].電子科技大學學報，2010，39(5)：701-705.
[6] 毛興武.D類功率放大器及其第三代調制技術[J].電子元器件應用，2004(7)：30-33.
[7] 王妍，劉帥威，金麗潔.基于D類放大的高效率音頻功率放大器設計[J].電子設計工程，2011，19(11)：152-155.
[8] 伍家駒，章義國.單相PWM逆變器的濾波器的一種設計方法[J].電氣傳動，2003，33(3)：12-15.
[9] 謝運祥，蔣麟征.消諧控制逆變器的輸出濾波參數分析及設計[J].華南理工大學學報：自然科學版，2004，32(5)：1-4.