一種基于PWM的H橋超聲發(fā)射電路設計*

李　鵬，陳　賽，柴文兵

（1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京210044；2.南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044；3.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術協同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210044）

一種基于PWM的H橋超聲發(fā)射電路設計*

李鵬1，2，3，陳賽1，2，3，柴文兵1，2，3

（1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京210044；2.南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044；3.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術協同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210044）

設計了一種脈沖寬度調制的H橋超聲發(fā)射電路,該電路由PWM電路、H橋功率放大電路、低通濾波電路組成。該發(fā)射電路具有結構簡單、輸出功率高、可對大部分的波形進行調制發(fā)射、易于多通道拓展的優(yōu)點。通過對該電路進行仿真和實際電路的測試，證明所產生波形滿足設計要求，并可以用于超聲探測和成像系統(tǒng)。

超聲發(fā)射；脈沖寬度調制；H橋功率放大

0　引言

超聲成像技術以其結構簡單、成本低廉等優(yōu)點被廣泛應用于醫(yī)療成像中。但超聲成像的發(fā)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(fā)展，采用不同的發(fā)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(tǒng)的超聲系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)。

1　超聲發(fā)射電路系統(tǒng)設計

1.1系統(tǒng)總體設計框圖

超聲發(fā)射系統(tǒng)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(tǒng)結構如圖1所示。超聲發(fā)射系統(tǒng)原理：PC將需要發(fā)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(fā)射。同時FPGA還負責與PC通信和實際回波的數據存儲的功能。

圖1　超聲發(fā)射電路系統(tǒng)圖

1.2PWM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(huán)節(jié)上時，其效果相同[3]。本系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(jié)。

本系統(tǒng)PWM調制采用工業(yè)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(jié)的 H橋電路有上下兩個方向通路的優(yōu)點，如圖2所示，將需要發(fā)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(fā)送發(fā)射信號的難度，還可以降低PWM調制的復雜性。

圖2　正向與逆向信號

為了方便分析，把正向三角波用分段函數表達式[5]：

正弦調制波則為：

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(fā)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)：

其中X＝wct，Y＝wst－θ。

為了適應不同的發(fā)射系統(tǒng)，就需要對任意的波形可以調制和發(fā)射。本系統(tǒng)選取如圖2所示不規(guī)則的編碼信號，經過PWM調制后的正反向信號即為圖3所示。

圖3　正向逆向信號產生PWM信號示意圖

1.3H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(fā)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。

圖4　H橋功率放大電路圖

本系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)的通斷也由PWM信號控制，當系統(tǒng)沒有信號輸入時，Q1與Q4均保持關閉狀態(tài)。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：

圖5　T型低通濾波器

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(yōu)良的性能,最好滿足以下關系[9]：

其中：f1為基波頻率，fs為 PWM的載波頻率。本系統(tǒng)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 kΩ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?yōu)椤?40 V，達到了驅動探頭的標準。

圖6　Multisim仿真電路圖

圖7　變壓器原邊副邊波形示意圖

2.2實驗結果

為驗證本系統(tǒng)的任意波形發(fā)射，制作了實際電路并進行測試。實際的發(fā)射電路采用FDS4559與MD5055構成的16路通道，發(fā)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(guī)則發(fā)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(tǒng)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。

圖8　加載到探頭上信號

3　結論

本文提出的超聲發(fā)射電路采用PWM調制發(fā)射，具有頻率穩(wěn)定性好、方便調節(jié)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(fā)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(fā)射，還可以方便拓展多個通道，適應多種超聲發(fā)射的場合。最后通過軟件仿真和實驗對比的方式驗證該發(fā)射電路的有效性。

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A design of H bridge ultrasonic emission circuit based on PWM

Li Peng1，2，3，Chen Sai1，2，3，Chai Wenbing1，2，3
(1.School of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Procession，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；3.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing 210044，China)

In this paper，a H bridge ultrasonic transmitting circuit with pulse width modulation is designed,which is composed of PWM circuit,H bridge power amplifier circuit and low-pass filter circuit.The circuit has the advantages of simple structure,high output power,and can modulate the majority of the waveform,easy multi-channel expansion.Through the test of the circuit and the actual circuit,it is proved that the waveform meets the design requirements and can be used for ultrasonic detection and imaging system.

ultrasonic emission；PWM；H bridge power amplifier

TM46

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.034

國家自然科學基金資助項目(41075115)；江蘇省重點研發(fā)計劃（社會發(fā)展）項目（BE2015692）

2015-06-05)

李鵬（1966-），男，博士，副教授，主要研究方向：水下成像及其信號處理。

陳賽（1990-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：超聲成像，E-mail：508272543@qq.com。

柴文兵（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式開發(fā)、北斗導航。

中文引用格式：李鵬，陳賽，柴文兵.一種基于PWM的H橋超聲發(fā)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.