劉帥帥，彭虎

(合肥工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，合肥 230009)

1 引 言

超聲檢測因其高靈敏、無損傷、方向性強以及操作簡單、適用周期長等特點，在臨床醫(yī)學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用[1-6]。超聲多普勒胎心監(jiān)護[7-12]和超聲多普勒血流速度測量[13-14]是該技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中的典型應(yīng)用。根據(jù)多普勒原理，超聲波照射在運動物體上時，回波信號中會攜帶有運動物體的狀態(tài)信息。因此，從多普勒回波信號中提取出物體運動的頻移信號后，便可通過數(shù)據(jù)處理得到物體的運動信息。

目前，對超聲多普勒頻移信號的獲取多采用正交解調(diào)的方法[15-17]。正交解調(diào)需要兩路在性能上完全一致的模擬乘法器，以及兩路同頻、等幅、相位相差90度的載波信號，否則將嚴重影響多普勒信號的提取，降低測量精度[13]。正交解調(diào)電路復(fù)雜度高[18]，且需要對兩路輸出信號同時進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，增加了AD轉(zhuǎn)換的開銷和后續(xù)數(shù)據(jù)處理的工作量[19]。正交解調(diào)芯片如AD8333、AD8347[20]等價格昂貴，對外圍電路要求高，因此，一塊完整的正交解調(diào)模塊設(shè)計復(fù)雜、價格昂貴。為克服正交解調(diào)的不足，本研究提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、精度高、數(shù)據(jù)量小、成本低廉的單通道乘法器電路，并在實驗室開發(fā)的多普勒信號模擬裝置[21]的基礎(chǔ)上設(shè)計實驗，對電路有效性進行了驗證。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲多普勒回波信號中攜帶著運動物體的狀態(tài)信息，為得到目標物體的運動狀態(tài)，需要對回波信號進行前置放大、解調(diào)、低通濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換、DSP等流程處理。

2.1 前置放大電路

超聲換能器接收到的超聲多普勒回波信號幅度較小，一般只有毫伏級別[22]。因此，在將信號送入乘法器解調(diào)之前，需要先經(jīng)過前置放大器進行幅度放大。本研究設(shè)計的前置放大電路見圖1。

設(shè)計采用AD9631芯片對回波信號進行放大，該芯片具有出色的噪聲性能和寬帶范圍，能夠在接收周期內(nèi)保持極低的失真。超聲多普勒回波信號是典型的窄帶信號，為減少干擾，在放大器的輸入端設(shè)置了帶通濾波器。同時，為了提高放大器模塊的輸入阻抗，減小后續(xù)電路對放大器的影響，采用同相放大器對回波信號進行101倍放大。

圖1 前置放大電路

2.2 單通道乘法器

超聲換能器接收到的回波信號中包含多種成分的反射波，解調(diào)的目的是從復(fù)雜的回波信號中提取出多普勒頻移信號。本研究提出的單通道乘法器電路基本原理，見圖2。

圖2 單通道乘法器框圖

單通道乘法器的一路輸入為經(jīng)前置放大器放大后，頻率為f0+fd的超聲多普勒回波信號；另一路則是頻率為f1的簡單正弦波。f0，f1滿足如下關(guān)系：

f1>f0+|fdmax|

(1)

其中f0為發(fā)射信號頻率，fd為多普勒頻偏，fdmax為最大多普勒頻偏。上述關(guān)系使得解調(diào)得到的頻移信號的頻率全部落在正頻率范圍內(nèi)。

單通道乘法器采用AD835模擬乘法器作為主要芯片。AD835是一款單片250 M相電壓輸出的模擬乘法器[23-25]。其高輸入阻抗可以使信號源的負載忽略不計，極低的輸出阻抗可以使芯片驅(qū)動低至25 Ω的負載。AD835的功能框圖見圖3。

圖3 AD835功能框圖

AD835乘法器的兩路差分輸入X1、X2和Y1、Y2，結(jié)構(gòu)完全獨立、功能完全一致。該芯片提供了一個可實現(xiàn)求和功能的輸入端Z，用于為輸入端和輸出端提供獨立的接地參考。同時，AD835可以作為一個電壓放大器工作，AD835的輸出與輸入關(guān)系見式(2)。

(2)

其中W為AD835的輸出端，U為電壓范圍調(diào)節(jié)因子，其值一般為1.05。為使得AD835的輸出和輸入滿足W=XY，在W端、Z端、地之間引入電阻R2、R3、C6，見圖4。電阻R2、R3主要用來設(shè)置分壓，電容C6主要是起到隔直的作用。

目前我國的車輛檢測系統(tǒng)一般通過RS232或485接口與上位機通信,采用電纜線的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,存在電路連接復(fù)雜,線纜安裝捆扎費時的缺點,并且在車輛運行過程中容易發(fā)生斷線損壞,降低檢測的可靠性[1]。另一方面,鐵路的不斷提速與發(fā)展,傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足控制精度、傳輸速度以及實時性方面的要求。

則式(2)可以改寫為：

(3)

其中，Z′為通過電阻R3輸入到乘法器4號引腳Z的電壓。

將式(3)整理得到：

(4)

由于R3接地且U的值為1.05，設(shè)置R2與R3的阻值比為20：1，即可使AD835乘法器實現(xiàn)W=XY的功能。電路中設(shè)置R2為2 KΩ，R3為100 Ω。

圖4 AD835乘法器電路

圖4電路中X為回波信號，Y為參考信號。

X(t)=asin[2π(f0+fd)t+φ0]

(5)

Y(t)=bsin(2πf1t+φ1)

(6)

(7)

本電路中設(shè)置f1-f0=40 k。一般人體各器官運動產(chǎn)生的多普勒頻偏都在1 kHz以內(nèi)，因此，輸出信號經(jīng)過50 k的低通濾波器即可得到多普勒頻移信號。

2.3 AD采樣

USB3200數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由ADC模塊、PFI復(fù)用功能控制模塊、FPGA控制模塊、USB設(shè)備器件組成，系統(tǒng)框圖見圖5。

圖5 USB3200系統(tǒng)框圖

2.4 電路測試

為驗證本研究單通道乘法器電路的有效性，采用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生兩路信號，分別作為單通道乘法器的回波和參考信號輸入，并將解調(diào)、濾波后的信號接入示波器進行顯示。其中，回波輸入為峰峰值10 mV、頻率2.5 MHz的正弦波；參考信號輸入為峰峰值5 V、頻率2.54 MHz的正弦波。輸入信號及輸出信號波形見圖6。

圖6 電路測試結(jié)果：經(jīng)低通濾波器濾波后的輸出信號

為驗證USB3200的準確性，利用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生標準正弦波，并通過USB3200數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端，利用MATLAB作頻譜分析。分析結(jié)果見表1。

表1 AD測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，在理想信號輸入情況下，單通道乘法器可以實現(xiàn)對回波信號的放大、解調(diào)、低通濾波等功能，完成對頻移信號的提取。SUB3200采集卡可以實現(xiàn)對信號的采集。

3 結(jié)果分析

為進一步測試單通道乘法電路對真實回波信號的解調(diào)能力。按照文獻[21]搭建多普勒信號模擬裝置,并設(shè)計實驗對結(jié)果進行驗證。

3.1 實驗裝置

多普勒信號模擬裝置主要由STM32F407開發(fā)板、TB6600電機驅(qū)動器、步進電機、水槽、直桿和金屬球組成。

多普勒信號模擬裝置的核心為STM32F407開發(fā)板，通過編寫程序使開發(fā)板產(chǎn)生指定頻率的PWM波，即可控制電機驅(qū)動器，驅(qū)動電機進行往復(fù)轉(zhuǎn)動?？刂破骱碗姍C驅(qū)動在連接上有共陽極和共陰極兩種方式，本研究采用共陽極的方式，具體連接見表2。

表2 控制器與驅(qū)動器連接方式

PUL為脈沖輸入接口，用于控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度。驅(qū)動器將控制器發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移，控制器端口GPIOF10每產(chǎn)生一個脈沖信號PUL，就會驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角，然后通過直桿將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為垂直位移。

DIR為方向接入口，用于控制電機的轉(zhuǎn)動方向，當(dāng)此信號有效時，電機順時針轉(zhuǎn)動，反之，電機將逆時針轉(zhuǎn)動。通過設(shè)置GPIOF9輸出一定頻率的PWM波，即可帶動連接在電機上的金屬球做相同周期的上下振動。

完全浸入在水中的金屬球用來模擬運動物體，見圖7。金屬球上方的兩個超聲換能器分別負責(zé)超聲波束的發(fā)射和接收。

圖7 多普勒信號模擬裝置示意圖

3.2 測量原理

根據(jù)多普勒原理，當(dāng)聲波波源運動時，測量到的頻率較波源實際發(fā)出的頻率會有一定的變化，測量頻率與實際發(fā)射頻率之間的差值為多普勒頻移fd，其值滿足式(8):

(8)

其中f0為發(fā)射信號頻率，c為超聲在水中的傳播速度，v為物體運動速度，θ1為物體運動方向與入射聲波間的夾角，θ2為物體運動方向與反射波間的夾角。根據(jù)式(7)，法器解調(diào)得到的低頻信號的頻率f為:

f=f1-f0-fd

(9)

多普勒信號模擬裝置運動時，可以近似看作為變速的周期信號。因此，解調(diào)得到的多普勒頻偏信號的頻率f將會限制在一個窄帶范圍內(nèi):

f1-f0-|fdmax|≤f≤f1-f0+|fdmax|

(10)

式(9)、式(10)中f1為乘法器的另一路輸入信號頻率，fdmax為最大多普勒頻移，且

f1-f0=40 k

(11)

則最終所求的多普勒頻移為：

fd=40 k-f

(12)

設(shè)置多普勒信號模擬裝置以不同的頻率和速度振動，將單通道乘法器的輸出結(jié)果利用SUB3200采集卡進行AD轉(zhuǎn)換，并利用MATLAB進行頻譜分析。結(jié)果見圖8、圖9，并根據(jù)式(8)得表3。

表3 多普勒信號模擬裝置以不同頻率、速度振動時的多普勒頻移

圖8 多普勒信號模擬裝置靜止時多普勒頻移信號頻譜

圖9 多普勒信號模擬裝置以2.5 Hz的頻率轉(zhuǎn)動時多普勒頻移信號頻譜

4 結(jié)論

本研究設(shè)計的單通道乘法器電路結(jié)構(gòu)簡單、精度高、數(shù)據(jù)量小、成本低廉。為驗證其有效性，利用實驗室設(shè)計的多普勒信號模擬裝置設(shè)計實驗，并采用USB3200數(shù)據(jù)采集卡對解調(diào)信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將實驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端進行頻譜分析。結(jié)果顯示，當(dāng)模擬裝置以不同的速度和頻率運動時，解調(diào)得到的多普勒頻移信號的頻率限制在一定的頻帶范圍內(nèi)，經(jīng)變換后，頻移信號的頻帶關(guān)于零頻近似對稱，且信號模擬裝置速度越快頻帶越寬，符合多普勒效應(yīng)的原理。不同振動頻率下求解得到的物體運動速度并未與振動頻率嚴格地成比例關(guān)系，與理論值有一定的誤差。這是因為金屬球運動時是變速運動，且運動過程中會受到水的阻礙，速度越快，阻礙越大。因此，測量值較理論值偏小，但在誤差允許范圍內(nèi)。結(jié)果證明，本研究的單通道乘法器電路可以準確地實現(xiàn)對超聲多普勒回波信號的解調(diào)。