[发明专利]超声相控阵接收装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及的是一种超声相控阵接收装置，具体地说是接收超声波信号的8通道高速数据采集和传输装置。

二、技术背景

自20世纪80年代起，超声相控阵技术以其灵活的波束偏转和聚焦性能越来越引起人们的重视。超声相控阵技术是通过控制换能器阵列中各阵元的激励(或接收)脉冲的延迟时间，改变由各阵元发射(或接收)超声波到达(或来自)物体内某点的相位关系，达到波束聚焦和偏转的效果。

信号接收过程是发射的逆过程，接收装置主要完成对回波信号的波束合成功能，即在特定的方向形成一个波束图案。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种超声相控阵接收装置，具有高速数据采集和处理功能，为超声成像提供A扫合成信号。

本发明的目的是这样实现的：它包括前端电路、A/D转换电路和FPGA波束合成电路。所述的前端电路包括前置放大电路、可变增益放大电路，给A/D转换器提供适当的输入信号。

根据超声相控阵接收原理，本发明采用了以上的技术方案，设计一套8通道接收装置，能够高速、实时采集数据并与上位机之间进行通讯。

四、附图说明

附图是超声相控阵接收装置

五、具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

超声相控阵接收装置是超声相控阵检测系统的重要组成部分，相控阵换能器接收到的模拟信号经过接收装置分别进行放大、数据采集和传输，把合成后的信号(或多路信号)传送给上位机。

结合附图，FPGA作为主控制器，控制其他芯片的工作。在信号接收过程中，FPGA将各通道A/D采样的回波信号数据进行存储，然后将存储的数据通过USB接口传入PC进行处理。

本发明采用主动串行(AS)和JTAG相结合的配置方式。在系统的调试阶段采用JTAG配置方式对FPGA设计进行验证；在系统工作阶段利用AS配置方式由配置芯片引导配置过程，完成FPGA的配置。在主动串行配置方式中，FPGA必须与Altera专用的AS串行配置器件一起使用，设计中选用配置芯片EPCS4。超声相控阵换能器接收到的回波信号一般为毫伏级，无法给高速A/D转换器提供合适的输入信号，在超声相控阵接收系统的前端必须把微弱的回波信号进行相应的放大，才能进一步满足后面数字电路的要求。

结合附图，多路模拟信号经过一个固定的前置放大电路后，再经可变增益放大电路和一个控制可变增益放大器增益的D/A转换器组成的电路，能够提供10dB-50dB的增益，将信号调整为适合A/D转换的范围。

模数转换电路是接收装置的核心部件，决定采样的精度和速度。在许多超声检测系统中，需要4倍或更高倍数的过采样A/D转换器，提高检测的信噪比并减少抗混叠滤波器的复杂性。在超声相控阵采样成像系统中，A/D采样的有限字长会引起幅度量化误差，该误差会产生量化瓣，降低图像的动态范围。本发明采用AD公司生产的8位单片集成模数转换器AD9054，采样频率为100MHz。

数字波束合成器是整个信号接收处理装置的核心，本发明采用延时求和数字波束合成算法。在接收系统中，延迟采用FPGA粗延迟和FIR小数倍延迟相结合的方法，多路信号合成采用加权求和模块来实现。

采用双端口RAM作为FPGA内部的双端口FIFO存储器。为了实现粗延迟，采用一个状态机来控制各通道FIFO开始采样的时刻，各通道采样时刻之间的差值即为各通道的相对粗延迟值。数据数出时，采用另一个状态机控制各通道数据的输出，将各通道数据按顺序经FPGA的输出端口传入USB接口，以传入上位机PC。