一種基于DDS的三頻點標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源的設(shè)計

陳沈理，郭廣建，李敏毅

(1.廣東省計量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405；2. 廣東省現(xiàn)代幾何與力學(xué)計量技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510405)

1 引 言

醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)、X-CT、MRI及ECT是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的4大醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，己廣泛應(yīng)用于多個醫(yī)學(xué)部門。鑒于超聲傳播中穿透能力強(qiáng)、非侵入式等特征[1]，超聲成像技術(shù)與其他成像技術(shù)相比，具有實時性好、無損傷以及低成本等獨特優(yōu)點，在實際臨床中得到廣泛應(yīng)用[2]。我國的《JJG 639—1998醫(yī)用超聲診斷儀超聲源檢定規(guī)程》對醫(yī)用的超聲波輸出劑量做出了嚴(yán)格限制，規(guī)定：超聲波的強(qiáng)度不得超過10 mW/cm2；如果一旦超出該標(biāo)準(zhǔn)，必須將具體的值顯示出來，而且明確指出“孕婦嚴(yán)禁使用”[3]。所以，準(zhǔn)確測定超聲波的功率具有現(xiàn)實意義，標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源屬于超聲功率量值計量環(huán)節(jié)重要一環(huán)，具有承上啟下的作用。

標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源是一種超聲功率傳遞標(biāo)準(zhǔn)，是已知聲功率輸出的固定頻率連續(xù)波超聲源。它能復(fù)現(xiàn)一組標(biāo)準(zhǔn)超聲功率量值，用于將聲功率量值由超聲功率基準(zhǔn)或副基準(zhǔn)傳遞到聲功率標(biāo)準(zhǔn)裝置，用于基準(zhǔn)和副基準(zhǔn)之間的量值比對，也可用于超聲功率量值從基準(zhǔn)或副基準(zhǔn)傳遞到超聲功率計標(biāo)準(zhǔn)裝置，超聲功率計標(biāo)準(zhǔn)裝置把超聲功率量值傳遞到醫(yī)學(xué)超聲類設(shè)備，確保了醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備的超聲功率量值準(zhǔn)確性[4]。

標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源一般是由功率信號發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器組成。其中標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器的頻率決定了標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源的頻率，目前國際上超聲換能器的工作頻率研究已經(jīng)到達(dá)了16 MHz以上，其中IEC 61161-2013 Ultrasonics—Power measurement—Radiation force balances and performance requirements已將超聲波功率測量范圍擴(kuò)展至25 MHz[5]。從國內(nèi)外研究的發(fā)展趨勢來看，通過選擇合理的壓電材料和匹配電路設(shè)計，超聲換能器的頻率可以實現(xiàn)多個頻率點工作，配合穩(wěn)定的高頻功放和信號發(fā)生器，同時可以實現(xiàn)高頻超聲波的輸出，從而實現(xiàn)多頻、高頻超聲功率源。

本文結(jié)合理論方法研究和具體硬件的設(shè)計，實現(xiàn)基于鈮酸鋰單晶基片三頻點的標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器，通過單片機(jī)控制DDS芯片實現(xiàn)3種頻率的正弦信號產(chǎn)生，經(jīng)過高頻運算放大器電路實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器的激勵實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)超聲功率的輸出，從而成功設(shè)計出三頻點標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源，三頻點標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源實現(xiàn)了最高為18.9 MHz高頻超聲波的輸出。通過將實驗數(shù)據(jù)和英國國家物理實驗室NPL校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，驗證了三頻點標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源輸出數(shù)據(jù)的有效性。

2 標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器的設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器是由壓電晶體材料、外殼和導(dǎo)線組成，而壓電晶體材料的結(jié)構(gòu)是決定其性能的關(guān)鍵部分。當(dāng)前國內(nèi)外對壓電材料的研究更加廣泛更加深入，而且技術(shù)發(fā)展特別快。從早期對天然壓電晶體的探索、研究，到目前可以人工合成壓電晶體、甚至可以合成復(fù)合材料的壓電晶體，基于壓電材料的研究和突破，其性能取得更大改進(jìn)，不同特性的壓電材料在不同領(lǐng)域有廣泛用途，其種類隨著科技的發(fā)展越來越多。當(dāng)前壓電材料有5類：壓電單晶體、壓電多晶體、壓電高分子聚合物、壓電復(fù)合材料和壓電半導(dǎo)體等[8]。本文設(shè)計的三頻點超聲換能器，采用壓電單晶晶體——鈮酸鋰晶體作為換能器的壓電材料。

采用鈮酸鋰材料作為晶片的基體時，不同切割方向和方式，其壓電特性和振動形式會不一樣。鈮酸鋰晶片的工作于厚度伸縮振動模式(TE模式)下，可以在施加了電壓后能夠產(chǎn)生與電場平行的超聲波。在TE模式下，由于鈮酸鋰晶片的特性是高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，所以其電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能損耗比較小，具有較高的機(jī)電耦合系數(shù)，能量從電能轉(zhuǎn)化機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率就特別高，這樣采用鈮酸鋰作為晶片的基體可以實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率[9]。

2.1 晶片的Y-36°切割

根據(jù)鈮酸鋰晶片在工程應(yīng)用上的經(jīng)驗，鈮酸鋰晶片切割經(jīng)典切割方式見圖1，采用z-cut的切割方式得到的鈮酸鋰單晶基片，在伸縮振動模式下應(yīng)用于超聲換能器中，其耦合系數(shù)為0.17，相較石英材料的x-cut晶片優(yōu)勢并不明顯，所以不采用z-cut的切割方式。鈮酸鋰材料采用36°rotatedy-cut得到的單晶基片，在伸縮振動模式下應(yīng)用于超聲換能器中，其耦合系數(shù)相當(dāng)高，高達(dá)0.55，相比石英晶體基片和z-cut的鈮酸鋰基片優(yōu)勢特別明顯。通過對鈮酸鋰單晶基片在超聲換能器中應(yīng)用的伸縮振動模式的分析，可知采用鈮酸鋰36°rotatedy-cut晶片是非常有優(yōu)勢的選擇。

圖1 鈮酸鋰壓電晶片的典型切割方式Fig.1 Typical cutting methods of LiNbO3 piezoelectric wafer

2.2 基片電極層鍍膜的設(shè)計

鈮酸鋰單晶基片能夠把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能還需要進(jìn)行正負(fù)電極的設(shè)計。為了在基片上實現(xiàn)電學(xué)的正負(fù)極，在基片的兩面分別采用鍍金膜層作為電極使用。在基片的其中一面上用絕緣的圓環(huán)形(約 1 mm)來分隔兩電極，這一面上的中間部分形成圓形島狀電極，此電極作為正極。另一面和基片邊緣鍍金部分形成基片的負(fù)極，這樣完整的鈮酸鋰單晶基片就能高效地將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

將基片的電極設(shè)計成中間圓形島狀主要的原因是為了實現(xiàn)換能器的能限振動模式，也稱為能量封閉振動模式。這種振動模式的振動，主要的能量被限制在基片的圓形島狀電極發(fā)射面內(nèi)，在島狀電極發(fā)射面外的機(jī)械能量將快速被損耗掉，所以基片與外殼產(chǎn)生的高次泛音振動和其他的假響應(yīng)就不會出現(xiàn)，有效地消除了基片的高次干擾雜波[10]。

2.3 基于晶片切割特性設(shè)計厚度

鈮酸鋰單晶基片的切割方式選擇36°rotatedy-cut，耦合系數(shù)為0.55，頻率常數(shù)為3.62 MHz·mm，特別適用于高頻的超聲波換能器中?；陬l率常數(shù)是固定的，如果需要設(shè)計相應(yīng)頻率的超聲換能器，鈮酸鋰的單晶基片的厚度d的選擇尤為關(guān)鍵，可以根據(jù)式(1)得到基片的厚度：

d=N、f0

(1)

式中：d為鈮酸鋰基片的厚度，mm；N為頻率常數(shù)，對于36°Y切割的鈮酸鋰晶體取3.62 MHz·mm；f0為基片的頻率值，Hz。

根據(jù)式(1)，若要設(shè)計頻率18 MHz以上的超聲晶片，晶片厚度應(yīng)為0.201 mm，由于0.2 mm左右厚度切割、鍍金和焊接極為困難，同時厚度太薄時，換能器轉(zhuǎn)換的超聲功率就非常有限。所以在設(shè)計時，考慮采用基片基數(shù)的倍頻方法進(jìn)行倍頻的超聲波輸出的設(shè)計，另外考慮實現(xiàn)3個固定頻率點的超聲功率輸出，因此按照1、3、5次倍頻，令最高頻率f5=18 MHz/5=3.6 MHz，再重新根據(jù)式(1)，計算晶片厚度約為1 mm，考慮鍍金層厚度(單層約為 0.03 mm)和切割誤差，設(shè)計的基片厚度為 0.95 mm?？紤]輸出的超聲功率最大值期望實現(xiàn) 1 W，直徑設(shè)計為25 mm。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器結(jié)構(gòu)組成

標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，超聲換能器的塞子、套管和外殼采用不銹鋼作為原材料，采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精確加工，同時采用硅膠對壓電晶體基片固定和作水密性處理。

圖2 超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of ultrasonic transducer

BNC的正極以導(dǎo)線與鈮酸鋰基片的正極導(dǎo)通，BNC負(fù)極以導(dǎo)線與鈮酸鋰基片的環(huán)形負(fù)極連接，同時固定于外殼上，壓電晶片內(nèi)嵌到外殼內(nèi)，并采用橡膠進(jìn)行緩沖。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器電學(xué)匹配設(shè)計

鈮酸鋰晶片基片設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器在共振狀態(tài)時，電學(xué)阻抗是容性阻抗，為了與后面設(shè)計的功率信號發(fā)生器電學(xué)匹配，在換能器的回路中串聯(lián)或并聯(lián)電感來實現(xiàn)電學(xué)匹配，使得諧振時阻抗角為零[11]。為了實現(xiàn)3個頻率點的超聲功率輸出，采用常用的串聯(lián)高頻電感實現(xiàn)3個諧振頻率。經(jīng)過阻抗分析儀的實驗測試，在頻率為3.361、11.27、18.9 MHz 上實現(xiàn)了電學(xué)共軛的匹配，其阻抗特性為純電阻，阻抗角約為0°，阻抗值分別為48.9、52.4、40.3 Ω。

3 功率信號發(fā)生器的設(shè)計

功率信號發(fā)生器由控制電路、正弦信號產(chǎn)生電路、信號電壓與功率放大電路和顯示及按鍵輸入電路組成，見圖3。

圖3 功率信號發(fā)生器電路組成框圖Fig.3 Power signal generator circuit block diagram

3.1 正弦信號的產(chǎn)生

隨著數(shù)字信號處理和集成電路技術(shù)的發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。特別是DDS具有相位和頻率分辨率高、穩(wěn)定度好、頻率轉(zhuǎn)換時間短、輸出相位連續(xù)、可以實現(xiàn)多種數(shù)字與模擬調(diào)制的優(yōu)點[12]。

正弦信號的產(chǎn)生選擇高度集成的DDS芯片來實現(xiàn)，由于需要實現(xiàn)不同頻率和不同幅值的正弦信號的產(chǎn)生，選擇AD9910來進(jìn)行設(shè)計。

AD9910是一種直接數(shù)字合成器(DDS)，具有集成的14位DAC和支持采樣率高達(dá)1 GSP。其采用了先進(jìn)的專有DDS技術(shù)，在不犧牲性能的情況下提供了顯著的功耗降低。DDS/DAC組合形成數(shù)字可編程、高頻、模擬輸出合成器，能夠在頻率達(dá)到400 MHz的頻率下產(chǎn)生頻率捷變的正弦波形。

設(shè)計時，可以訪問控制DDS的3個信號控制參數(shù)：頻率、相位和幅值。DDS利用32位累加器提供快速跳頻和頻率調(diào)諧分辨率。在1 GSP采樣率下，調(diào)諧分辨率為0.23 Hz。DDS還可以實現(xiàn)快速的相位和幅度切換能力[13]。對于實現(xiàn)3.361、11.27、18.9 MHz和電壓幅值的控制是理想的選擇。

由于AD9910產(chǎn)生的正弦信號電壓較小，且電路接收到的高頻干擾信號較多時，需要在AD9910輸出的后面增加一個7階高頻濾波電路，設(shè)計濾波為低通25 MHz[14]，以獲取更純的正弦信號。

3.2 正弦信號的電壓和功率放大

由于AD9910輸出的正弦信號的電壓和功率都非常小，不足以驅(qū)動超聲換能器輸出超聲波信號，所以在AD9910后面需要設(shè)計電壓放大和電流放大，以達(dá)到期望的輸出功率大小。

本文采用AD811和BUF634組成的寬頻運算放大電路，見圖4。AD811是一款寬帶電流反饋運算放大器，其帶寬可以維持在一個很寬的增益范圍，該運算放大器具有低電壓和電流噪聲，出色的直流精度，適合寬動態(tài)范圍的應(yīng)用。電路在AD811的反饋回路增加BUF634的目的是為了提高AD811的輸出電流，實現(xiàn)功率放大的效果。AD811作為電流反饋運算放大器，其放大倍數(shù)A見式(2)。由于AD9910模塊產(chǎn)生的正弦信號在50 Ω負(fù)載下的最大實測電壓為0.32 V，為了保守估計，BUF634輸出最小需要的功率為2 W(約50 Ω)，所以放大后的最大電壓應(yīng)達(dá)到：10 V(有效值)，運算放大器放大倍數(shù)應(yīng)為31倍。電路中電阻R1設(shè)計為120 Ω，可調(diào)電阻RV1最大應(yīng)為：3.8 kΩ，采用5.2 kΩ可調(diào)電阻即可。基于功率設(shè)計輸出電流放大BUF634部分，其中BUF634最大驅(qū)動電流能力為0.25 A，為了確保電路發(fā)熱在安全范圍內(nèi)，采用兩個BUF634芯片并聯(lián)放大電流。為了在3個頻率中均能獲得最大的輸出功率，BUF634輸出內(nèi)阻設(shè)計為：47Ω，采用無感電阻。

圖4 AD811與BUF634組成高頻運放模塊Fig.4 AD811 and buf634 constitute high frequency operational amplifier module

A=1+RV1/R1

(2)

3.3 外設(shè)的控制和設(shè)計

外設(shè)的控制芯片選用STC12C5A60S2，STC12-C5A60S2系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單片機(jī)，其單時鐘/機(jī)器周期高達(dá)1 T，I/O多達(dá)44個，足以開發(fā)多路按鍵的輸入和顯示的輸出。另外STC12C5A60S2有兩個通用全雙工異步串行口(UART)，為開發(fā)上位機(jī)對標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源進(jìn)行控制提供接口[15]。

STC12C5A60S2的外設(shè)設(shè)計包括按鍵輸入、顯示輸出和對AD9910控制命令。按鍵輸入采用普通I/O口上拉電阻(僅輸入模式)作為輸入，實時掃查按鍵輸入狀態(tài)；顯示部分采用通用的LCD1602模塊，單片機(jī)的I/O設(shè)置為強(qiáng)上拉輸出模式，通過I/O的8位數(shù)據(jù)和控制位實現(xiàn)顯示；對AD9910的控制命令傳輸采用高速的串口模式，占用其中一個串口用來實現(xiàn)對AD9910的頻率、相位和幅值的控制。詳細(xì)流程圖見圖5。

圖5 STC12C5A60S2控制流程圖Fig.5 Control flow chart of STC12C5A60S2

4 實驗設(shè)計和測試實例

4.1 實驗設(shè)計

基于上述的設(shè)計，三頻點標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源輸出的功率點分別設(shè)計為：3.361 MHz：10 mW、100 mW、1 W；11.27 MHz：100 mW和18.9 MHz：100 mW。

超聲功率的測量，采用國家毫瓦級和瓦級超聲功率基準(zhǔn)裝置進(jìn)行，測量原理是采用輻射力天平法。對于低頻段的3.361 MHz采用反射靶進(jìn)行測量，由于中高頻段的超聲波在水中衰減比較快，功率源和靶的距離對測量結(jié)果影響較大，所以中高頻段的11.27 MHz和18.9 MHz采用平面的吸收靶進(jìn)行測量。

4.2 實驗數(shù)據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源在2019年1年內(nèi)測量7次的實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data mW

從表1和圖6～圖8可以看出每次測量值誤差均不大于±5%。對表1的數(shù)據(jù)取算術(shù)平均作為測量值，見表2。

圖6 2019年一年內(nèi)3.361 MHz超聲功率曲線Fig.6 3.361 MHz ultrasonic power curve in 2019

圖7 2019年一年內(nèi)11.27 MHz超聲功率曲線Fig.7 11.27 MHz ultrasonic power curve in 2019

圖8 2019年一年內(nèi)18.9 MHz超聲功率曲線Fig.8 18.9 MHz ultrasonic power curve in 2019

4.3 實驗數(shù)據(jù)驗證

為了驗證標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源輸出的超聲功率量值準(zhǔn)確性，采用國家毫瓦級和瓦級超聲功率量值基準(zhǔn)裝置測量數(shù)據(jù)，同時也將該功率源送到了英國國家物理實驗室(NPL)超聲和水聲組進(jìn)行比對，比對的數(shù)據(jù)見表3(數(shù)據(jù)來源報告：NPL證書號2018010257-1)。

表3 英國國家物理實驗室(NPL)輻射力天平法裝置測量的超聲功率值Tab.3 The value of ultrasonic power measured by the radiation force balance device of National Physical Laboratory(NPL)

標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源輸出的超聲功率量值測量具體示值和不確定度[16]如表2。

表2 國家超聲功率基準(zhǔn)裝置測量的超聲功率值Tab.2 Ultrasonic power value measured by national ultrasonic power reference device

由表2和表3的數(shù)據(jù)可以驗證本文設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源量值的準(zhǔn)確性和有效性，最大誤差不大于±5%，符合JJG 868—1994《毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲源檢定規(guī)程》對超聲功率輸出的要求。

5 結(jié) 論

本文基于單晶鈮酸鋰晶片設(shè)計了一種三頻點標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源，該超聲功率源的輸出功率值，經(jīng)過國家毫瓦級和瓦級超聲功率基準(zhǔn)裝置和英國國家物理實驗室的輻射力天平法裝置的測量比對，實驗數(shù)據(jù)非常理想，驗證了高頻標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源輸出超聲功率量值的準(zhǔn)確性和有效性，同時證明了本設(shè)計方案是可行的。