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第 37 卷 第 6 期 张浩等： 基于 FPGA 的高强度聚焦超声相位控制系统设计 859

当工作频率为 0.8 MHz 时，以通道 1 为参考通 示。由图 8(a) 可知，设定占空比为 25% 的实测结果
道，10 个通道的测试数据如表 1 所示。由表 1 可知， 分别为 25.54%和25.50%；由图 8(b) 可知，设定占空
频率为 0.8 MHz 时实测相对延时与设置相对延时 比为 75% 的实测结果分别为 75.14% 和 75.10%，与
之间最大延时误差为 0.8 ns。当工作频率为 1 MHz 设计设定的频率、占空比相比，误差均小于0.5%。
时，实测相对延时与设置相对延时之间最大延时误 3.2 多通道相位控制
差为0.6 ns。
将幅值、频率设定为相同，仅对延时相差100 ns
表 1 0.8 MHz 时相控系统延时数据 的5 个不同通道的相控波形数据进行示波器最大长
Table 1 0.8 MHz phase control system 度模式下的采样，采样数据经Matlab R2014处理后
delay data 的结果如图 9 所示。由图 9 可知，系统可同时输出
单位：ns
多路相控方波信号，每一通道相对于上一通道延时
通道 设置延时 设置相对延时 实测相对延时 延时误差
100 ns，实测误差小于1 ns且输出信号稳定，可实现
1(参考) 100 0 0 0
多通道相位控制。
2 101 1 1.2 0.2
3 104 4 4.0 0
ᤰ᥋1
4 92 −8 −8.8 0.8
5 109 9 9.2 0.2 ᤰ᥋2
6 125 25 25.6 0.6 ᤰ᥋3
7 133 33 33.6 0.6 ᤰ᥋4
8 60 −40 −40.4 0.4
ᤰ᥋5
9 142 42 42.0 0
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
10 211 111 111.2 0.2 ᧔ನག஝/˔
3.1.2 不同占空比 图 9 5 通道不同延时的相控信号 Matlab 采样图
当两通道输出相位信号频率均为 0.8 MHz、设 Fig. 9 5-channel delay controlled phase-controlled
定占空比分别为 25% 和 75% 时，检测结果如图 8 所 signal Matlab sampling

4 结论与讨论

本文基于 FPGA 利用锁相环技术设计了多通
道延时的 HIFU 相位控制系统，利用用户控制界面
并通过串口将前期数值仿真得到的各阵元相应的
延时数据发送至 FPGA 主控芯片输出方波激励波
形，实测延时分辨率1 ns，延时误差小于 1 ns。具体
(a) ᝺ࠀӴቇඋ˞25%ᄊฉॎڏ
研究结果如下：
(1) 基于 FPGA 主控芯片设计的 HIFU 相位控
制系统可稳定实现多路延时分辨率 1 ns、延时误差
小于1 ns方波输出信号；
(2) 基于Visual Studio 2013设计的HIFU用户
控制界面可将前期数值仿真或临床所需的延时数
据导入/导出并通过串口发送，实现不同频率、不同
(b) ᝺ࠀӴቇඋ˞75%ᄊฉॎڏ
占空比下多路稳定的方波输出信号。
图 8 不同占空比下示波器实测相位控制系统输出
综上所述，本文设计的 HIFU 相位控制系统可
波形
输出不同频率及占空比激励信号，延时分辨率高、延
Fig. 8 The oscilloscope measured the output
waveform of the phase control system at differ- 时误差小、输出信号稳定，可满足HIFU 治疗相控换
ent duty cycles 能器相控系统的需要。