一种基于DDS的三频点标准超声功率源的设计

2021-12-29陈沈理郭广建李敏毅

计量学报 2021年11期

陈沈理，郭广建，李敏毅

(1.广东省计量科学研究院，广东广州 510405；2. 广东省现代几何与力学计量技术重点实验室，广东广州 510405)

1 引言

医学超声成像技术、X-CT、MRI及ECT是现代医学成像技术的4大医学影像技术，己广泛应用于多个医学部门。鉴于超声传播中穿透能力强、非侵入式等特征[1]，超声成像技术与其他成像技术相比，具有实时性好、无损伤以及低成本等独特优点，在实际临床中得到广泛应用[2]。我国的《JJG 639—1998医用超声诊断仪超声源检定规程》对医用的超声波输出剂量做出了严格限制，规定：超声波的强度不得超过10 mW/cm2；如果一旦超出该标准，必须将具体的值显示出来，而且明确指出“孕妇严禁使用”[3]。所以，准确测定超声波的功率具有现实意义，标准超声功率源属于超声功率量值计量环节重要一环，具有承上启下的作用。

标准超声功率源是一种超声功率传递标准，是已知声功率输出的固定频率连续波超声源。它能复现一组标准超声功率量值，用于将声功率量值由超声功率基准或副基准传递到声功率标准装置，用于基准和副基准之间的量值比对，也可用于超声功率量值从基准或副基准传递到超声功率计标准装置，超声功率计标准装置把超声功率量值传递到医学超声类设备，确保了医学超声设备的超声功率量值准确性[4]。

标准超声功率源一般是由功率信号发生器、标准超声换能器组成。其中标准超声换能器的频率决定了标准超声功率源的频率，目前国际上超声换能器的工作频率研究已经到达了16 MHz以上，其中IEC 61161-2013 Ultrasonics—Power measurement—Radiation force balances and performance requirements已将超声波功率测量范围扩展至25 MHz[5]。从国内外研究的发展趋势来看，通过选择合理的压电材料和匹配电路设计，超声换能器的频率可以实现多个频率点工作，配合稳定的高频功放和信号发生器，同时可以实现高频超声波的输出，从而实现多频、高频超声功率源。

本文结合理论方法研究和具体硬件的设计，实现基于铌酸锂单晶基片三频点的标准超声换能器，通过单片机控制DDS芯片实现3种频率的正弦信号产生，经过高频运算放大器电路实现对标准超声换能器的激励实现标准超声功率的输出，从而成功设计出三频点标准超声功率源，三频点标准超声功率源实现了最高为18.9 MHz高频超声波的输出。通过将实验数据和英国国家物理实验室NPL校准数据进行比对，验证了三频点标准超声功率源输出数据的有效性。

2 标准超声换能器的设计

标准超声换能器是由压电晶体材料、外壳和导线组成，而压电晶体材料的结构是决定其性能的关键部分。当前国内外对压电材料的研究更加广泛更加深入，而且技术发展特别快。从早期对天然压电晶体的探索、研究，到目前可以人工合成压电晶体、甚至可以合成复合材料的压电晶体，基于压电材料的研究和突破，其性能取得更大改进，不同特性的压电材料在不同领域有广泛用途，其种类随着科技的发展越来越多。当前压电材料有5类：压电单晶体、压电多晶体、压电高分子聚合物、压电复合材料和压电半导体等[8]。本文设计的三频点超声换能器，采用压电单晶晶体——铌酸锂晶体作为换能器的压电材料。

采用铌酸锂材料作为晶片的基体时，不同切割方向和方式，其压电特性和振动形式会不一样。铌酸锂晶片的工作于厚度伸缩振动模式(TE模式)下，可以在施加了电压后能够产生与电场平行的超声波。在TE模式下，由于铌酸锂晶片的特性是高机械品质因数，所以其电能转化成机械能损耗比较小，具有较高的机电耦合系数，能量从电能转化机械能的转换效率就特别高，这样采用铌酸锂作为晶片的基体可以实现较高的转换效率[9]。

2.1 晶片的Y-36°切割

根据铌酸锂晶片在工程应用上的经验，铌酸锂晶片切割经典切割方式见图1，采用z-cut的切割方式得到的铌酸锂单晶基片，在伸缩振动模式下应用于超声换能器中，其耦合系数为0.17，相较石英材料的x-cut晶片优势并不明显，所以不采用z-cut的切割方式。铌酸锂材料采用36°rotatedy-cut得到的单晶基片，在伸缩振动模式下应用于超声换能器中，其耦合系数相当高，高达0.55，相比石英晶体基片和z-cut的铌酸锂基片优势特别明显。通过对铌酸锂单晶基片在超声换能器中应用的伸缩振动模式的分析，可知采用铌酸锂36°rotatedy-cut晶片是非常有优势的选择。

图1 铌酸锂压电晶片的典型切割方式Fig.1 Typical cutting methods of LiNbO3 piezoelectric wafer

2.2 基片电极层镀膜的设计

铌酸锂单晶基片能够把电能转换成机械能还需要进行正负电极的设计。为了在基片上实现电学的正负极，在基片的两面分别采用镀金膜层作为电极使用。在基片的其中一面上用绝缘的圆环形(约 1 mm)来分隔两电极，这一面上的中间部分形成圆形岛状电极，此电极作为正极。另一面和基片边缘镀金部分形成基片的负极，这样完整的铌酸锂单晶基片就能高效地将电能转换成机械能。

将基片的电极设计成中间圆形岛状主要的原因是为了实现换能器的能限振动模式，也称为能量封闭振动模式。这种振动模式的振动，主要的能量被限制在基片的圆形岛状电极发射面内，在岛状电极发射面外的机械能量将快速被损耗掉，所以基片与外壳产生的高次泛音振动和其他的假响应就不会出现，有效地消除了基片的高次干扰杂波[10]。

2.3 基于晶片切割特性设计厚度

铌酸锂单晶基片的切割方式选择36°rotatedy-cut，耦合系数为0.55，频率常数为3.62 MHz·mm，特别适用于高频的超声波换能器中。基于频率常数是固定的，如果需要设计相应频率的超声换能器，铌酸锂的单晶基片的厚度d的选择尤为关键，可以根据式(1)得到基片的厚度：

d=N、f0

(1)

式中：d为铌酸锂基片的厚度，mm；N为频率常数，对于36°Y切割的铌酸锂晶体取3.62 MHz·mm；f0为基片的频率值，Hz。

根据式(1)，若要设计频率18 MHz以上的超声晶片，晶片厚度应为0.201 mm，由于0.2 mm左右厚度切割、镀金和焊接极为困难，同时厚度太薄时，换能器转换的超声功率就非常有限。所以在设计时，考虑采用基片基数的倍频方法进行倍频的超声波输出的设计，另外考虑实现3个固定频率点的超声功率输出，因此按照1、3、5次倍频，令最高频率f5=18 MHz/5=3.6 MHz，再重新根据式(1)，计算晶片厚度约为1 mm，考虑镀金层厚度(单层约为 0.03 mm)和切割误差，设计的基片厚度为 0.95 mm。考虑输出的超声功率最大值期望实现 1 W，直径设计为25 mm。

2.4 标准超声换能器结构组成

标准超声换能器的结构如图2所示，超声换能器的塞子、套管和外壳采用不锈钢作为原材料，采用数控机床进行精确加工，同时采用硅胶对压电晶体基片固定和作水密性处理。

图2 超声换能器的结构示意图Fig.2 Structure diagram of ultrasonic transducer

BNC的正极以导线与铌酸锂基片的正极导通，BNC负极以导线与铌酸锂基片的环形负极连接，同时固定于外壳上，压电晶片内嵌到外壳内，并采用橡胶进行缓冲。

2.5 标准超声换能器电学匹配设计

铌酸锂晶片基片设计的标准超声换能器在共振状态时，电学阻抗是容性阻抗，为了与后面设计的功率信号发生器电学匹配，在换能器的回路中串联或并联电感来实现电学匹配，使得谐振时阻抗角为零[11]。为了实现3个频率点的超声功率输出，采用常用的串联高频电感实现3个谐振频率。经过阻抗分析仪的实验测试，在频率为3.361、11.27、18.9 MHz 上实现了电学共轭的匹配，其阻抗特性为纯电阻，阻抗角约为0°，阻抗值分别为48.9、52.4、40.3 Ω。

3 功率信号发生器的设计

功率信号发生器由控制电路、正弦信号产生电路、信号电压与功率放大电路和显示及按键输入电路组成，见图3。

图3 功率信号发生器电路组成框图Fig.3 Power signal generator circuit block diagram

3.1 正弦信号的产生

随着数字信号处理和集成电路技术的发展，直接数字频率合成(DDS)技术的应用也越来越广泛。特别是DDS具有相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换时间短、输出相位连续、可以实现多种数字与模拟调制的优点[12]。

正弦信号的产生选择高度集成的DDS芯片来实现，由于需要实现不同频率和不同幅值的正弦信号的产生，选择AD9910来进行设计。

AD9910是一种直接数字合成器(DDS)，具有集成的14位DAC和支持采样率高达1 GSP。其采用了先进的专有DDS技术，在不牺牲性能的情况下提供了显著的功耗降低。DDS/DAC组合形成数字可编程、高频、模拟输出合成器，能够在频率达到400 MHz的频率下产生频率捷变的正弦波形。

设计时，可以访问控制DDS的3个信号控制参数：频率、相位和幅值。DDS利用32位累加器提供快速跳频和频率调谐分辨率。在1 GSP采样率下，调谐分辨率为0.23 Hz。DDS还可以实现快速的相位和幅度切换能力[13]。对于实现3.361、11.27、18.9 MHz和电压幅值的控制是理想的选择。

由于AD9910产生的正弦信号电压较小，且电路接收到的高频干扰信号较多时，需要在AD9910输出的后面增加一个7阶高频滤波电路，设计滤波为低通25 MHz[14]，以获取更纯的正弦信号。

3.2 正弦信号的电压和功率放大

由于AD9910输出的正弦信号的电压和功率都非常小，不足以驱动超声换能器输出超声波信号，所以在AD9910后面需要设计电压放大和电流放大，以达到期望的输出功率大小。

本文采用AD811和BUF634组成的宽频运算放大电路，见图4。AD811是一款宽带电流反馈运算放大器，其带宽可以维持在一个很宽的增益范围，该运算放大器具有低电压和电流噪声，出色的直流精度，适合宽动态范围的应用。电路在AD811的反馈回路增加BUF634的目的是为了提高AD811的输出电流，实现功率放大的效果。AD811作为电流反馈运算放大器，其放大倍数A见式(2)。由于AD9910模块产生的正弦信号在50 Ω负载下的最大实测电压为0.32 V，为了保守估计，BUF634输出最小需要的功率为2 W(约50 Ω)，所以放大后的最大电压应达到：10 V(有效值)，运算放大器放大倍数应为31倍。电路中电阻R1设计为120 Ω，可调电阻RV1最大应为：3.8 kΩ，采用5.2 kΩ可调电阻即可。基于功率设计输出电流放大BUF634部分，其中BUF634最大驱动电流能力为0.25 A，为了确保电路发热在安全范围内，采用两个BUF634芯片并联放大电流。为了在3个频率中均能获得最大的输出功率，BUF634输出内阻设计为：47Ω，采用无感电阻。

图4 AD811与BUF634组成高频运放模块Fig.4 AD811 and buf634 constitute high frequency operational amplifier module

A=1+RV1/R1

(2)

3.3 外设的控制和设计

外设的控制芯片选用STC12C5A60S2，STC12-C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单片机，其单时钟/机器周期高达1 T，I/O多达44个，足以开发多路按键的输入和显示的输出。另外STC12C5A60S2有两个通用全双工异步串行口(UART)，为开发上位机对标准超声功率源进行控制提供接口[15]。

STC12C5A60S2的外设设计包括按键输入、显示输出和对AD9910控制命令。按键输入采用普通I/O口上拉电阻(仅输入模式)作为输入，实时扫查按键输入状态；显示部分采用通用的LCD1602模块，单片机的I/O设置为强上拉输出模式，通过I/O的8位数据和控制位实现显示；对AD9910的控制命令传输采用高速的串口模式，占用其中一个串口用来实现对AD9910的频率、相位和幅值的控制。详细流程图见图5。

图5 STC12C5A60S2控制流程图Fig.5 Control flow chart of STC12C5A60S2

4 实验设计和测试实例

4.1 实验设计

基于上述的设计，三频点标准超声功率源输出的功率点分别设计为：3.361 MHz：10 mW、100 mW、1 W；11.27 MHz：100 mW和18.9 MHz：100 mW。

超声功率的测量，采用国家毫瓦级和瓦级超声功率基准装置进行，测量原理是采用辐射力天平法。对于低频段的3.361 MHz采用反射靶进行测量，由于中高频段的超声波在水中衰减比较快，功率源和靶的距离对测量结果影响较大，所以中高频段的11.27 MHz和18.9 MHz采用平面的吸收靶进行测量。

4.2 实验数据

标准超声功率源在2019年1年内测量7次的实验数据见表1。

表1 实验数据Tab.1 Experimental data mW

从表1和图6～图8可以看出每次测量值误差均不大于±5%。对表1的数据取算术平均作为测量值，见表2。

图6 2019年一年内3.361 MHz超声功率曲线Fig.6 3.361 MHz ultrasonic power curve in 2019

图7 2019年一年内11.27 MHz超声功率曲线Fig.7 11.27 MHz ultrasonic power curve in 2019

图8 2019年一年内18.9 MHz超声功率曲线Fig.8 18.9 MHz ultrasonic power curve in 2019

4.3 实验数据验证

为了验证标准超声功率源输出的超声功率量值准确性，采用国家毫瓦级和瓦级超声功率量值基准装置测量数据，同时也将该功率源送到了英国国家物理实验室(NPL)超声和水声组进行比对，比对的数据见表3(数据来源报告：NPL证书号2018010257-1)。

表3 英国国家物理实验室(NPL)辐射力天平法装置测量的超声功率值Tab.3 The value of ultrasonic power measured by the radiation force balance device of National Physical Laboratory(NPL)

标准超声功率源输出的超声功率量值测量具体示值和不确定度[16]如表2。