Page 119 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 张扬等： 基于环阵超声的高精度微量移液平台 115

1᫼Ћ 精度的波束成形电路能够准确设计每个阵元的延
2᫼Ћ
时，以实现发射脉冲宽度的配置以匹配不同发射频
ཥག 率的换能器。近年来，在紧凑型全数字架构的趋势
3᫼Ћ
中，可重构硬件技术如 FPGA 起到了关键作用。本
工作采用Altera的Cyclone V GX系列的FPGA器
5᫼Ћ 4᫼Ћ
件，该器件具有低功耗、低成本、高性价比的特点，它

图 1 环阵换能器结构及聚焦示意图 采用先进的制造技术和优化的架构设计，能够支持
Fig. 1 Illustration of structure and focusing of 高达数百兆赫兹甚至更高的工作频率。这使得它们
annular array transducer 非常适合处理高速数据和复杂计算任务，有利于高
1.2 五通道超声信号发射系统方案 精度延时控制。如图 2 所示，采用查找表的方式将

五通道高精度超声信号发射系统的主要功能 不同焦距下的延时数据存储在只读存储器中，根据
是能够精确设置环阵换能器各个阵元的延时。延 液面高度的变化来选择不同的延时产生五通道方
时精度的提高，对环阵聚焦性能有着重要影响。高 波激励信号。

FPGA
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图 2 五通道超声信号发射系统结构
Fig. 2 Schematic diagram of the five-channel ultrasound signal transmission system

1.2.1 通道延时设计 值，这代表每个外侧阵元与中间阵元之间的发射延
在本工作中，所开发的五通道超声信号发射系 时差值。
统的频率是 200 MHz，延时精度为 5 ns。通过为每 ཥག
个阵元生成具有不同发射延时时间且相互独立的
声波来实现超声波束在预定的焦距范围内的连续 r 
r 
动态聚焦。每个通道的发射延时由换能器的设计以
F
及所需焦距决定。图 3 展示了环阵换能器各阵元的
r N֓
聚焦延时计算示意图。假设由 N 个阵元组成的换
r N
能器向上辐射，并产生一个焦距为 F 的声束。通过
以各阵元中心为半径计算，聚焦时间延迟可以使用
式 (1)计算得到：
图 3 环阵换能器的各阵元聚焦延时计算示意图
√
( ) 2 Fig. 3 Illustration of the calculation of the focal
1 [ r 2N + r 2N−1 ]
2
∆t N = + F − F
c 2 delay for each element of the annular array trans-
√ 2 ducer
2
r N + F − F
= , (1)
c 1.2.2 电阻抗匹配设计和制备
式 (1) 中，∆t N 表示阵元 N = 0, 1, · · · , N 所需的时 电阻抗匹配在超声应用中扮演着至关重要的
间延迟。每个计算所得到的时间延时值都有一个正 角色，它对于提高超声换能器能量传递效率、优化声