Page 116 - 《应用声学》2022年第3期

438 2022 年 5 月

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DC
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DC AC

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图 2 CMUT 的两种工作模式
Fig. 2 Two working modes of CMUT

施加直流偏置电压的供电方式，同时直流偏置电压 LTC6269-10 芯片的 32 通道跨阻放大电路，实现
端口，通过旁路电容接地，既提高了 CMUT 器件灵 CMUT 器件输出微弱电流信号的检测放大。32 通

敏度，也在一定程度上对 CMUT 器件进行了保护， 道收发电路原理如图 3 所示。计算机通过 FPGA 实
还大幅提高了输出信号的信噪比。 时控制脉冲电路，脉冲电路通过 HVOUT 端口为 32
测试时使用的两个CMUT器件参数相同，通过 个 CMUT 阵元提供 32 路方波脉冲信号，同时接收
polytec 设备对器件的谐振频率进行测试，得到器件 CMUT 器件的回波信号，CMUT 器件的另一端施
的中心频率为 3 MHz，工作频带为 2∼4 MHz，塌陷 加 20 V 直流偏置电压 V DC ，来提高 CMUT 器件灵
电压为 70 V，工作电压约为 40 V。利用 E4990A 阻 敏度，通过100 nF的旁路电容 C 1 接地，滤除直流偏
抗分析仪对CMUT器件进行C-V测试，可以得到以 置电压内的噪声，提高输出信号信噪比；CMUT 器
下结论：在电压允许范围内，CMUT 器件的动态电 件回波信号经 MAX14808 芯片内部的 T/R 隔离开
容值随着直流偏置电压的增加而快速增加，因此，拟 关，由LVOUT端口传输至跨阻放大电路，在跨阻放
采用 20 V pp 的交流信号，配合 20 V 的直流偏置电 大电路内实现电流-电压信号的转化，并在示波器上
压为 CMUT器件提供激励。通过对CMUT 器件非
进行显示。
线性机理的研究，双极性方波脉冲信号对CMUT器
件的非线性抑制能力最强 [9] ，通过 HSA4101功率放 2.1 FPGA控制电路
大器设备对 CMUT 器件的发射性能进行反复测试， 针对 32 通道脉冲信号的实时控制，设计基于
发现利用 5 个方波脉冲、53% 的占空比对 CMUT 器 Altera 公 司 EP4CE10F17C8N 芯 片 的 FPGA 控 制
件驱动，所取得的接收信号是最好的。因此，拟设 电路，EP4CE10F17C8N 芯片具有 164 个有效 I/O
计收发电路，产生 20 V pp 、3 MHz、53% 占空比的 5 引脚，按照 1 通道脉冲信号需要 2 路差分控制信
个方波脉冲，配合 20 V 直流偏置电压为 CMUT 器 号以及 1 片MAX14808 芯片需要 2 路时钟控制信号
件提供发射电信号，接收端采用跨阻放大电路实现 计算，FPGA 控制电路总计需要 72 路有效 I/O 引
CMUT器件输出的微弱电流信号的检测。 脚，而 EP4CE10F17C8N 芯片完全满足设计要求。
其中 16 路差分控制信号寄存器转换电路 (Register
2 CMUT阵列收发电路设计
transfer lever, RTL) 原理图如图 4 所示。通过 Ver-

针对 CMUT 阵列超声信号实时收发特性，设 ilog编写硬件语言，利用Modelsim 进行仿真，2 路差
计基于 EP4CE10F17C8N 芯片的 FPGA 控制电路， 分控制信号及时钟信号仿真结果如图5所示。
利用 FPGA 控制电路实现脉冲电路的实时控制； 对于 MAX14808 芯片而言，低电平有效，因此
针对 CMUT 阵列超声信号发射特性，设计基于 当低电平信号来临时，MAX14808 芯片会产生正负
MAX14808 芯片的 32 通道脉冲电路为 CMUT 阵列 极性脉冲信号，从而实现利用 FPGA对脉冲电路的
提供方波激励，激励 CMUT 阵列产生超声信号； 控制，并通过修改控制时序代码，可以实现频率、脉
针对 CMUT 阵列超声信号接收特性，设计基于 冲个数以及占空比的在线调试。