Page 123 - 《应用声学》2022年第3期

第 41 卷 第 3 期 陈谋等： 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 445

换算为有效值：
√
V m = 2 2V rms , (6)
式 (6) 中：V m 为回波信号峰峰值，V pp ；V rms 为回波
信号有效值，V。经过换算，回波信号的有效值约
为 0.955 V。在假定噪声信号满足高斯分布随机噪
声的前提下，噪声信号的峰峰值与有效值之间满足
V np = 6V nrms ，其中：V np 为噪声信号峰峰值，V pp ；

图 16 带宽测试信号 V nrms 为噪声信号有效值，V。经过计算得到，噪声信
号的有效值为 0.035 V。根据计算得到的回波信号
Fig. 16 Bandwidth test signal
有效值为0.955 V，噪声信号有效值为0.035 V，利用
公式(7)对输出信号信噪比进行粗略计算：

( )
SNR = 20 lg V s /V n , (7)
式(7)中：SNR为信噪比，dB；V s 为输出信号有效值，
V；V n 为噪声信号有效值，V。根据公式 (7)，计算
可得信噪比约为 28.7 dB，考虑到系统设计仍处于
实验室阶段，信噪比指标在可接受范围内。由图 16
可知，经过傅里叶变换，CMUT 器件的中心频率为
(a) FPGA଍҄ႃ᡹ (b) ᑢфႃ᡹ 2.98 MHz，−6 dB带宽为760 kHz，测试得到的中心
频率与通过polytec 设备测试得到的CMUT器件的
中心频率基本一致，带宽变窄主要是由于器件做过
防水处理，使得器件表面有一层5 µm厚的parylene
薄膜。实验验证了 CMUT 具有良好的超声波发射
和接收性能，验证了收发电路可以实现脉冲信号产
生、脉冲信号控制以及电流信号检测功能，同时验

证了收发电路可以实现控制 CMUT 器件发射接收
超声波信号，进行 CMUT 器件自发自收测试，并对
(c) ᡵ᫾ஊܸႃ᡹ (d) CMUT٨͈ CMUT 器件的带宽进行测试。经过实验验证，电
图 17 电路局部图及 CMUT 器件 路板的 32 通道信号收发具有良好的一致性。再结
Fig. 17 Local circuit diagram and CMUT device 合多阵元测试方式以及后续的算法，可以实现超声
成像。
3.3 结果分析
4 结论
超 声 波 在 水 中 的 传 播 速 度 v = 1500 m/s，
CMUT1 器件距障碍物距离 L = 10 cm，根据距 本文设计的 32 通道收发一体电路，可以结合
离公式 t = 2L/v，可知发射波与回波之间的时 CMUT 器件进行自发自收测试。实验结果表明，设
间差 ∆t 1 = 133.3 µs，由图 15 可知，实际测量值 计的 32 通道收发一体电路，可以驱动 32 个 CMUT
∆t 2 = 136.6 µs，与理论值相差较小，误差在允许范 阵元，检测其回波信号，对 CMUT 器件的带宽进行

围内，可以证明其为回波信号，且回波信号经过 10k 测试。电路可用于面向 CMUT 阵列的超声成像系
倍数放大后，回波信号的峰峰值在示波器上显示为 统数据的采集，同时结合后续的成像算法，可以实现
2.7 V pp ，同时利用示波器可以读取到 210 mV pp 的 超声成像，对超声成像前端硬件电路的制作具有良
噪声信号峰峰值，利用公式 (6) 将回波信号峰峰值 好的推动意义。