多通道超声相控阵驱动控制系统设计*

凌子超 张艳秋 张默涵 杨久敏 菅喜岐

(天津医科大学生物医学工程与技术学院 天津 300070)

0 引言

低强度经颅聚焦超声是一种利用脉冲聚焦超声对人脑神经元进行调节的治疗技术，具有无创、空间分辨率高和可深部脑刺激等特性，目前已应用于帕金森病、癫痫和抑郁症等脑部疾病治疗的研究[1-3]。对于颅骨包裹的脑部疾病经颅治疗时，由于人颅骨的结构个体差异性大、声学参数呈非均质性分布及其强声衰减性，超声经颅后产生的相位畸变和能量衰减可能导致焦点位置偏移、散焦、焦域能量不足等临床问题发生。目前一般需结合患者颅骨生理结构及其声学参数利用类似时间反转法[4]计算对多阵元相控阵换能器各阵元进行相位调控和幅值补偿的参数，实现经颅精准定位聚焦及其焦域能量的调控。

多阵元相控阵聚焦换能器的相位控制和驱动电路系统是决定其能否应用于临床的关键技术之一。目前，实现多通道驱动信号的幅值和高精度相位控制是设计该系统的重点与难点。2017 年，Liu等[5]基于直接数字式频率合成(Direct digital synthesizer,DDS)技术设计了多通道同步高速任意波形信号发生器，相邻通道之间的延时误差小于1.6 ns。2018 年，赵梦娟等[6]基于现场可编程逻辑门阵列(Field programmable gate array,FPGA)、高速数字模拟转换器(Digital-to-analog converter,DAC)设计的高强度聚焦超声(High-intensity focused ultrasound,HIFU)治疗相控阵换能器相位控制和驱动系统可实现相位分辨率为2 ns。2020年，王欢等[7]基于FPGA 设计了相位延时精度为5 ns的多通道相控阵超声控制系统。现有的相位控制和驱动电路系统相位分辨率低，延时误差大，且通道数量的扩展有限。

本文采用以PC 为上位机、单片机为下位机的控制方式，基于DDS 设计了相位分辨率为12 位的多通道相控驱动电路系统，可实现相位分辨率为0.1°，延时误差小于1 ns，输出信号电压峰峰值在0～37.5 V 可调，可满足驱动信号为正弦波或方波的低强度经颅聚焦超声相控阵刺激治疗脑神经疾病的需要。

1 硬件电路系统设计

图1 为多通道相位控制及驱动电路系统框图。上位机PC 通过TCP/IP 通信将各通道的波形参数发送至下位机单片机(Microcontroller unit,MCU)，MCU接收到参数设置后控制DDS芯片生成相应频率和相位的波形信号，输出信号通过幅度控制和功率放大后激励换能器阵元工作。该系统的时钟由同一个晶振经时钟分配后发送给每个DDS，同时结合通道间的相位差检测功能，将相位差信息反馈到MCU，MCU 调节DDS 的相位控制字，以确保所有DDS芯片输出波形的相位同步。

图1 多通道相位控制及驱动系统框图Fig.1 Block diagram of multi-channel phase control and drive system

1.1 信号发生及相位控制电路

本文采用MCU 控制多个DDS 芯片的频率控制字和相位控制字的方式来实现频率和相位控制。MCU选用ST 意法半导体的STM32H743IIT6 实现整个系统的数据传输和控制。DDS 芯片选用Analog Devices 的AD9834 芯片实现正弦波信号输出，正弦波通过芯片的过零比较器可实现方波输出，其输出相移ΔPh和频率f的公式[8]分别为

其中，PHASEREG 为写入12位相位寄存器中的值，相位分辨率为0.087°；fMCLK为AD9834 的时钟频率，FREQ为写入28位频率寄存器中的值。

多通道相位同步输出时钟分配系统如图2 所示，每一个DDS 接收来自同一个晶振经时钟分配后的CLK 信号。为确保各个DDS 芯片间的输出相位同步，采取印刷电路板(Printed circuit board,PCB)物理等长布线减小通道间的传输误差，采用低电压差分信号(Low-voltage differential signaling,LVDS)差分传输防止波形失真，选取温补晶体振荡器(Temperature compensate X’tal(crystal)oscillator,TCXO)减少温漂的影响。

图2 时钟分配系统图Fig.2 Clock distribution system diagram

1.2 相位差检测

尽管采取了上述措施，各通道之间还会产生相位差。为确保各通道之间输出相位的同步性，采用软件与硬件结合的方式对各通道输出的相位差进行检测，基于该相位差检测信号进行反馈和校准。软件检测基于时钟主频为200 MHz 的STM32H743IIT6单片机的定时器捕获功能，该定时器相位捕获框图如图3 所示，当DDS 输出方波信号时，捕获计数器将边沿检测器检测到方波跳变沿时刻的计数值存储到捕获寄存器中，处理器根据各捕获寄存器中的差值计算相位差信息，单次相位差检测精度为5 ns，采用将采样次数增加到104次的过采样方法，对采样值进行均值计算使相位差检测精度降低至1 ns以下。

图3 单片机定时器相位捕获框图Fig.3 Single-chip timer phase capture block diagram

硬件检测是利用相位差检测芯片AD8302，将不同输入端的两通道信号接到AD8302 的对数放大器，通过鉴相器和加法器之后，输出与两信号相位差成反比的电压信号获得相位差信息[9]。利用AD8302 在相位差为90°时最高检测精度为0.1°的特性，当系统启动时，对两个通路的相位差进行软件和硬件相位检测，并以硬件检测结果为基准校正软件检测精度。当系统正常工作时，只需使用软件相位检测即可实现多通道高精度的相位检测。

1.3 幅度控制电路

选取ADI 公司的VGA 芯片AD8368 实现幅值调控，DAC 为具有0.3 mV 步长和可调节电压范围为0～1.25 V 的12 位DAC，幅度控制框图如图4 所示。通过MCU 调节DAC 输出的模拟电压实现对AD8368 的增益控制，从而实现对激励信号幅值的程控调节；同时通过AD8368 串联减小幅值调节步长，实现幅值调节步长20 mV、输出信号幅值0～4.5 V可调。

图4 幅度控制框图Fig.4 Block diagram of amplitude control

1.4 功率放大电路

经幅度控制电路后产生的信号幅值和功率不足以驱动换能器正常工作，需要对激励信号进行幅值放大和功率放大。本文采用如图5 所示的两级级联放大电路，其中LM7171 运算放大器(-3 dB 带宽为220 MHz，压摆率为4100 V/μs)用于放大信号电压，可将输出电压峰峰值放大到15 V；ADA4870功率放大器(-3 dB带宽为52 MHz，压摆率为2500 V/μs)用于放大信号输出功率，在±20 V供电下可提供1 A 电流输出，输出电压峰峰值可达37.5 V。运算放大器和功率放大器采用同相放大电路形式，固定增益为9倍。

图5 功率放大电路原理图Fig.5 Power amplifier circuit schematic

1.5 通道数拓展

本相控驱动系统由1 块主PCB板和(N/8-1)块从PCB 板构成，单板输出8 通道驱动信号，可构成N通道激励信号输出。主从板通过RS485 总线连接，系统时钟均来源于主控板上的同源时钟晶振，主从板电路结构相同且单板包含完整的电源管理系统、时钟扩展系统和数据总线通信接口。本系统可通过增加从板数量实现一定程度的通道数的扩增。

2 软件系统设计

在Visual Studio 2010 平台上采用C#语言编程设计如图6 所示的上位机相位控制和驱动系统用户界面，该界面可进行各通道延时数据的导入/导出以及各通道输出波形、相位、幅值、激励频率、辐照时间等参数的选择及调整。在该界面软件程序中，波形参数采用浮点型处理，相位调控步长采用与DDS的相位分辨率相近的0.1°。上位机将波形参数发送到下位机时，对浮点数进行取整处理，将其转化成长整型后发送至下位机完成参数设置。

图6 相位控制和驱动系统用户界面Fig.6 Phase control and drive system user interface

3 结果

为验证所设计的多通道相控驱动电路输出波形的性能，搭建如图7 所示的硬件测试系统。通过上位机PC 将设定的波形参数发送下位机MCU，使其发射具有不同相位差的激励信号，用示波器(Agilent，MSO7052B/500M/4GSa/s)测量该系统的输出相位同步性及延时误差。

图7 硬件电路测试实物图Fig.7 Hardware circuit test physical diagram

3.1 相位同步性测试

驱动电路同时输出多通道频率为1.1 MHz、相位差为0°的激励信号，任意选取相邻两通道进行检测，示波器检测到的波形如图8 所示。由图8(a)可知，当输出波形为方波时，与设定的频率相比，频率误差百分比小于0.05%，通道间实测相移为0.02°，延时时间为0.06 ns；由图8(b)可知，当输出波形为正弦波时，与设定的频率相比，频率误差百分比小于0.01%，通道间实测相移为0.23°，延时时间为0.58 ns。方波的实测相移和延时时间均小于正弦波，由此可知，方波的相位同步效果优于正弦波。

图8 不同波形激励时实测输出波形图Fig.8 Measured output waveforms with different waveform excitation

3.2 多通道间的延时误差测试

设置工作频率为1.1 MHz，输出波形为方波，以通道1 为参考通道，任意选取9 个通道相对参考通道设置不同的延时，实际测量延时值与设置延时值对比结果如表1 所示。在同样的条件下正弦波的实际测量结果如表2所示。由表1可知，方波的实测相对延时与设置相对延时之间的最大误差为0.16 ns。由表2 可知，正弦波的实测相对延时与设置相对延时之间的最大误差为0.8 ns。由表1 与表2 对比可知，方波的延时误差小于正弦波，系统延时误差小于1 ns。

表1 方波的设置与实测相控延时数据对比Table 1 Comparison of square wave setup and measured phase control delay data

表2 正弦波的设置与实测相控延时数据对比Table 2 Comparison of sine wave setup and measured phase control delay data

4 结论与讨论

本文基于MCU 和DDS 芯片设计并搭建可产生多通道正弦波或方波输出的相控驱动系统，可实现相位和幅度控制、功率放大等功能，具体研究结果如下：

(1)该系统可输出多通道相位分辨率为0.1°，延时误差小于1 ns，输出信号电压峰峰值在0～37.5 V可调的正弦波或方波信号。

(2) 基于Visual Studio 2010 设计的上位机用户界面可将相位延时数据导入/导出，控制驱动系统输出不同波形、频率、相位以及幅值的激励信号。

(3) 多通道DDS 共享同一个时钟源和主PCB板与从PCB 板通过总线连接方式构建的多通道相位同步输出系统的通道数可拓展。

综上所述，本文设计的相控换能器相控驱动系统相位分辨率高、延时误差小、通道数可拓展，可满足低强度经颅聚焦超声治疗脑部疾病及神经调控的需求。但存在方波相位同步效果优于正弦波的问题，与系统中采用相位差检测的方法有关，针对不同信号波形的相位差检测和校正的研究正在进行之中。