[发明专利]多通道高精度相控信号发生装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种信号发生装置，尤其涉及一种多通道高精度相控信号发生装置，主要应用于高强度相控聚焦超声治疗系统，同时可应用于其它相控超声诊断设备或相控超声探伤设备，属于生物医学工程技术领域。

背景技术

高精度相控信号发生装置是高强度相控聚焦超声治疗系统的关键部件之一。它通过调控各个通道中信号的相位值，然后经过幅度可调的大功率推挽式谐振功率放大电路，产生控制大焦域相控阵聚焦超声换能器中每个阵元的特定相位激励信号，从而将低辐射功率的超声能量通过体外发射渗透入人体组织，并将其汇聚在设定的焦域内，形成一个高声强的区域，或者产生产生多种模式的多焦点声场分布，进而形成所需形状(圆、环等规则形状以及任意的不规则形状)、大小的焦域。焦域区内由于能量大量沉积，位于其中的组织温度会迅速升高，形成人体内局部的立体温升区域(高于体温4～8℃)，实现人体深部区域的定向适形加热，而焦域外的组织因仅有少量能量沉积而温升甚少，不会受到明显的损伤。

经对现有技术的文献检索发现，现有相位控制电路多采用直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer)技术，由频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分组成，产生一个特定相位的数字化正弦波，再经过高速D/A转换器和低通滤波器输出一个可用的模拟频率信号。这种技术控制灵活，但无法满足高能聚焦超声相控信号的高精度要求。另外，现有技术多采用单片机控制，经模拟多路选通开关，生成特定相位信号，这种技术电路复杂，无法满足高能聚焦超声相控信号大规模多通道的要求。

中国发明专利“基于数字波形相位差的超声相控发射细延时控制方法”(公开号：CN 101403727A)，“单焦点相控聚焦超声波发射装置”(公开号：CN 10112479A)等都披露了一种基于数字波形相位差的相控信号细延时装置，利用超声直接数字频率合成(direct digital synthesis，DDS)技术产生特定相位的相控信号，作用换能器阵元，从而通过不同相位来控制聚焦焦点的移动。但是该类相控信号发生器存在电路复杂，通道路数较少，输出信号频率范围较小，频率调整不灵活等缺点，如果将其用于相控型的聚焦超声控制，超声聚焦控制精度较低，无法满足加热病灶组织时治疗系统的精度要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种多通道高精度相控信号发生装置，能够输出多个通道特定相位方波信号，提高相控信号的精度，满足高强度相控聚焦超声治疗系统对相控信号高精度多路数的需求。

为实现上述目的，本发明采用了FPGA现场可编程门阵列技术解决方案，利用可编程只读存储器，通过VHDL语言编程，在FPGA现场可编程门阵列电路中产生定制专用电路，包括相移模块、相位译码模块、地址译码模块及若干个多路选通器；以高精度有源晶振为信源，各个多路选通器并行工作，接收上位机的相位控制信号，输出多通道特定相位的方波信号。

本发明输出的方波信号接入功率放大器谐振后，产生与原输出信号相同频率和相位的正弦波信号，用于相控型高强度聚焦超声治疗系统中超声换能器阵元的激励信号；晶振频率由超声换能器阵元的谐振频率及相控精度要求决定。

本发明多通道高精度相控信号发生装置的具体结构包括高精度有源晶振、现场可编程门阵列芯片、可编程只读存储器和I/O接口板，由电源模块为整个装置供电。

所述可编程只读存储器存储现场可编程门阵列芯片的程序和配置信息。

所述现场可编程门阵列芯片通过从可编程只读存储器中读取程序和配置信息，生成相移模块、相位译码模块、地址译码模块及若干个多路选通器。

上位机提供的相位控制信号通过I/O接口板连接到相位译码模块，上位机提供的通道控制信号通过I/O接口板连接到地址译码模块，相位译码模块和地址译码模块的输出分别连接到每一个多路选通器。

高精度有源晶振作为系统信源，产生的时钟信号连接相移模块，相移模块的输出连接到每一个多路选通器。

各个多路选通器并行工作；每个多路选通器根据上位机提供的相位控制信号确定输出信号的相位值；多路选通器输出的方波信号通过I/O接口板连接外部推挽式功率放大器。

I/O接口板实现现场可编程门阵列芯片与输出信号之间的光电隔离，并将现场可编程门阵列芯片3.3V的高电平电压输出提升为I/O接口板5V的高电平电压输出。