用于振动声成像仪的差频超声波电源的研制

论文摘要

近年来,基于生物组织弹性参数的超声成像受到人们的重视。然而,超声成像只局限在声束轴线的方向上;而且由于受成像系统空间分辨率、散斑噪声以及在声程上波束相位畸变等因素的影响,使较小的病灶难以发现。Fatemi和Greenleaf在《Scince》杂志发表论文,提出了振动声成像原理。该方法用两束有微小频率差⊿f的共焦超声波聚焦于生物组织内部某点,使共焦区域组织受到一个交变辐射力的作用而振动,从而向外辐射频率为⊿f的声波,这一现象被称为超声激发声发射。信号包含了共焦区组织的弹性信息和声衰减信息并可用水听器接收,将其用于成像即可获得反映组织特性的图像,这就是振动声图像。根据振动声成像仪的需要,设计了一种差频超声波电源。专门用于产生振动声成像仪所需的具有较高的频率稳定度,高的频率分辨率,且频率在较大的范围内可方便的分别进行调节的两列超声波激励信号。对比了几种频率合成方案的优劣,确定以DDS技术为核心,采用DDS芯片来产生所需正弦波。本课题研究内容主要包括:设计具有较小频率差的两路直接数字频率合成模块;射频放大模块;峰值检测模块及UART转USB桥接电路。本文介绍了振动声成像原理;对比了几种频率合成的方案的优劣,最后选定采用直接数字频率合成芯片AD9852来产生精确的具有固定的频差⊿f的两个稳定的正弦波,具体介绍了AD9852的操作方法和编程思路,设计了七阶低通椭圆滤波器、功率放大电路和峰值检波电路并进行了相应的仿真;设计了方便的人机接口,通过UART转USB接口可以方便的与上位机进行通信。编制了系统软件并对仪器进行了测试。实验部分,进行了编制程序使AD9852产生所需特定频率的实验,并用频率计测量进行比照,用示波器观察波形。对放大后的信号也进行了同样的实验。论文最后总结了研究成果和仪器需要改进的地方。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 振动声成像的特点
• 1.2.1 无斑纹噪声
• 1.2.2 能较准确的检测物体的动力特性，可检测和评价各种材料
• 1.2.3 在软组织中，硬物的成像具有很高的对比度
• 1.3 振动声成像的用途
• 1.4 振动声成像仪总体方案
• 1.5 论文主要内容
• 2 振动声成像的原理及方案分析
• 2.1 振动声成像的原理及系统组成
• 2.1.1 超声激发声发射原理
• 2.1.2 振动声成像系统
• 2.2 共焦换能器的电激励方式的选择
• 2.2.1 连续波激励
• 2.2.2 脉冲波激励
• 2.2.3 本系统激励方式选择
• 2.3 频率合成方式的选择
• 2.3.1 频率合成的概念及其主要技术指标
• 2.3.2 频率合成技术的比较
• 2.3.3 本系统频率合成方式选择
• 2.4 直接数字频率合成器原理简介
• 2.4.1 频率预置与调节电路
• 2.4.2 累加器
• 2.4.3 控制相位的加法器
• 2.4.4 控制波形的加法器
• 2.4.5 波形存储器
• 2.4.6 D/A 转换器
• 2.4.7 低通滤波器
• 2.5 DDS 技术的主要性能指标及优点
• 2.5.1 输出带宽
• 2.5.2 频率、幅度、相位分辨率
• 2.5.3 频率转换灵活性
• 2.5.4 相位连续性
• 2.5.5 波形灵活性
• 2.5.6 噪声及谐波
• 2.5.7 其它性能
• 2.6 DDS 芯片AD9852 简介
• 2.6.1 内部和外部更新时钟
• 2.6.2 余弦DAC
• 2.6.3 反升余弦滤波器
• 2.6.4 参考时钟相乘器
• 2.6.5 AD9852 的工作过程及注意事项
• 3 系统硬件设计
• 3.1 硬件总体设计简介
• 3.2 控制及人机接口部分
• 3.2.1 C8051F005 简介
• 3.2.2 C8051F005 端口分配
• 3.2.3 键盘输入电路
• 3.2.4 液晶显示电路
• 3.2.5 UART 转USB 电路
• 3.3 DDS 部分
• 3.3.1 C8051F005 和AD9852 的接口设计
• 3.3.2 参考时钟设计
• 3.3.3 低通滤波器的设计和仿真
• 3.4 放大部分
• 3.4.1 电压放大电路
• 3.4.2 功率放大电路设计及仿真
• 3.4.3 峰值检波电路设计及仿真
• 3.4.4 匹配网络设计
• 3.5 电源部分
• 3.6 PCB 抗干扰措施及硬件调试
• 4 系统软件设计
• 4.1 单片机软件设计工具简介
• 4.2 主程序模块
• 4.3 按键扫描处理模块
• 4.4 LCD 控制模块
• 4.5 DDS 控制模块
• 5 测试及分析
• 5.1 调试与测试所用仪器
• 5.2 测试方法
• 5.3 测试数据
• 5.3.1 DDS 输出频率稳定度测试
• 5.3.2 观察DDS 输出波形和频谱
• 5.3.3 AD8320 输出电压峰峰值测试
• 5.3.4 功率放大部分测试
• 5.4 测试结果分析
• 6 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A：硬件电路图
• B：AD9852 控制子程序
• C：作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• D：作者在攻读硕士学位期间获得专利