Page 114 - 《应用声学》2022年第3期

第 41 卷 第 3 期 Vol. 41, No. 3
2022 年 5 月 Journal of Applied Acoustics May, 2022

⋄ 研究报告 ⋄

面向电容式微机械超声换能器器件的32通道收发

电路设计与测试 ∗

陈 谋 何常德 孟亚楠 张斌珍 任勇峰 张文栋 †

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室 太原 030051)

摘要：针对以电容式微机械超声换能器 (CMUT) 阵列为探头的超声成像系统，设计了一种兼具现场可编程门
阵列 (FPGA) 控制、脉冲驱动以及微弱电流信号检测功能的电路。利用 FPGA 产生 64 路控制信号，控制脉冲
信号的频率、脉冲个数、占空比等参数；脉冲电路在 FPGA 以及直流电压的控制下，产生 32 路脉冲信号；接收
电路通过跨阻放大结构实现 32 路电流信号检测；32 通道收发电路利用脉冲产生芯片内自带的 T/R 开关进行
高压隔离。通过搭建测试平台，对收发电路功能及一致性进行测试，并连接 CMUT 进行自发自收测试。测试
结果表明，32 通道收发电路具有良好的一致性，电路可以实现基于 CMUT 阵列的 32 通道超声信号的发射，检
测回波信号，并对 CMUT 器件的带宽进行测试。电路具有功能完善，结构稳定的优点，为基于 CMUT 阵列的
超声成像系统的应用提供了硬件支持。
关键词：电容式微机械超声换能器；FPGA 控制；脉冲驱动；电流信号检测；收发
中图法分类号: TN492 文献标识码: A 文章编号: 1000-310X(2022)03-0436-11
DOI: 10.11684/j.issn.1000-310X.2022.03.014

Design and test of 32-channel transceiver circuit for capacitive micromachined

ultrasonic transducer device

CHEN Mou HE Changde MENG Yanan ZHANG Binzhen REN Yongfeng ZHANG Wendong

(Key Laboratory of Instrumentation Science & Measurement, Ministry of Education,
North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract: Aiming at the ultrasonic imaging system with capacitive micromachined ultrasonic transducer
(CMUT) array as probe, a circuit with field programmable gate array (FPGA) control, high-voltage drive and
current signal detection function is designed. FPGA is used to generate 64 channel control signals to control
the frequency, pulse number, duty cycle and other parameters of the pulse signal. The pulse circuit generates
32 channel pulse signals under the control of FPGA and DC voltage. The 32 channel transceiver circuit uses the
T/R switch in the pulse generator chip for high-voltage isolation. The 32-channel current signals are detected
by transimpedance amplifier (TIA). By building a test platform, the function and consistency of the transceiver
circuit are tested, and the CMUT is connected to test its own transmitter and receiver. The test results
show that the 32 channel transceiver circuit has good consistency. The circuit can transmit 32 channel ultrasonic

2021-01-26 收稿; 2021-03-14 定稿
国家重点研发计划项目 (2016YFC0105000, 2018YFF01010500), 国家重大科研仪器研制项目 (61927807), 国家电网公司科技项目
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(SGSXSZOOFCWT2000147), 山西省 “1331 工程” 重点学科建设计划项目
作者简介: 陈谋 (1995– ), 男, 山东烟台人, 硕士研究生, 研究方向: 超声成像系统前端硬件电路设计。
† 通信作者 E-mail: wdzhang@nuc.edu.cn