技术领域
[0001] 本
发明涉及
电子技术领域，特别涉及一种超声前端电路及眼科B超系统。
背景技术
[0002] 现有眼科B超的超声前端电路如图1所示，其中，+HV是发射的激励
电压，MOS管是发射控制的电子
开关，电容为高压电容。眼科B超发射控制单元给出脉冲发射
信号来控制MOS管的通断，MOS管导通时激励电压加载到换能器TR上，由
压电效应产生
超声波，从而完成一次超声发射。
[0003] 但是，由于眼科B超的
探头采用的是单晶的换能器，直径为9mm，静态电容很大，需要很高的激励电压，理论要求是200V。
现有技术采用单一的激励高压且只有正高压，这就要求电源和超声前端电路用到的所有器件都要可以承受这个高压，明显地，这个高压远远大于人体安全电压，这就使得电路和机器的设计复杂性大大提高。而市面上常用的电源（常用B超电源不超过100V）不能通用，需要单独设计和采购，成本也相对较高。同时， 超声前端电路的功耗也相对比较大，影响便携式机器（即眼科B超设备）的
电池的使用时间和使用寿命，高功耗也使得机器的
散热更加复杂。
[0004] 另外，由于需要高压，MOS管和其他器件都要选择耐高压的，器件的可替换性很小，选择受到限制。由于MOS管的导通和关断需要时间，电压越高，时间相对就越长，导致发射的
超声波变形，影响超声波的可靠性。由于高压的超声前端电路和高灵敏的接收电路连接在一起，如此高电压的开关对接收电路的影响很大，使得隔离电路的设计复杂。由于采用单一的MOS管，发射出去后就无法再控制，导致换能器上的振铃响应很大，这会严重损坏B超图像的
质量和分辨
力。
[0005] 因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
[0006] 鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种超声前端电路及眼科B超系统，以解决现有眼科B超的激励高压只有正高压导致器件选择受限的问题。
[0007] 为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：一种超声前端电路，连接探头和隔离保护电路，其包括电平转换模
块、高压激励模块和起振匹配模块：所述高压激励模块连接电平转换模块和起振匹配模块，电平转换模块连接隔离保护电路，起振匹配模块连接探头；
所述电平转换模块对第一脉冲发射
控制信号、第二脉冲发射控制信号和第三脉冲发射控制信号进行电平转换后输出第一脉冲发射驱动信号、第二脉冲发射驱动信号和第三脉冲发射驱动信号；高压激励模块检测第一脉冲发射驱动信号和第二脉冲发射驱动信号有效时，对应加载正负激励电压形成高压
激励信号，还检测第三脉冲发射驱动信号有效时将激励电压泄放到地；起振匹配模块对高压激励信号进行起振匹配后输出给探头。
[0008] 所述的超声前端电路中，所述电平转换模块包括第一驱动芯片、第二驱动芯片、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容和第一
磁珠；所述第一驱动芯片的INA脚和INB脚均连接隔离保护电路；第一驱动芯片的VCC脚连接第四电容的一端、第一磁珠的一端和第三电容的一端；第一驱动芯片的OUTA脚和OUTB脚均连接高压激励模块；第二驱动芯片的VCC脚连接第五电容的一端和第一驱动芯片的VCC脚；
第一磁珠的另一端连接第一电容的正极、第二电容的一端和供电端；第五电容的另一端连接第一电容的负极、第二电容的另一端和地；第二驱动芯片的INA脚连接INB脚和隔离保护电路，第二驱动芯片的OUTA脚连接OUTB脚和高压激励模块；第一驱动芯片的GND脚、第二驱动芯片的GND脚、第三电容的另一端和第四电容的另一端均接地。
[0009] 所述的超声前端电路中，所述高压激励模块包括第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第一
二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六电容、第七电容、第一
电阻和第二电阻；所述第一电子开关的栅极连接第一二极管的正极和第六电容的一端，第六电容的另一端通过第一电阻连接第一驱动芯片的OUTA脚，第一电子开关的源极连接负高压端和第一二极管的负极；第一电子开关的漏极连接第二电子开关的源极、第三二极管的一端、第四二极管的正极和第五二极管的负极；第三二极管的另一端连接起振匹配模块，第二电子开关的栅极连接第二二极管的正极和第七电容的一端，第七电容的另一端通过第二电阻连接第一驱动芯片的OUTB脚，第二电子开关的漏极连接正高压端和第二二极管的负极，第四二极管的负极连接第五二极管的正极和第三电子开关的漏极，第三电子开关的栅极连接第二驱动芯片的OUTA脚和OUTB脚，第三电子开关的源极接地。
[0010] 所述的超声前端电路中，所述高压激励模块还包括第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻；所述第三电阻的一端连接第一二极管的正极和第六电容的一端，第三电阻的另一端连接负高压端和第一二极管的负极，第四电阻的一端连接第二二极管的正极和第七电容的一端，第四电阻的另一端连接正高压端和第二二极管的负极，第五电阻连接在负高压端和第一电子开关的源极之间，第六电阻连接在正高压端和第二电子开关的漏极之间。
[0011] 所述的超声前端电路中，所述高压激励模块还包括第八电容、第九电容、第十电容和第十一电容；所述第八电容的负极连接第九电容的一端和负高压端，第十电容的正极连接第十一电容的一端和正高压端；第八电容的正极、第九电容的另一端、第十电容的负极和第十一电容的另一端均接地。
[0012] 所述的超声前端电路中，所述起振匹配模块包括第一电感和第七电阻，所述第一电感的一端连接第三二极管的另一端和第七电阻的一端，第一电感的另一端连接换能器的一端，第七电阻的另一端和换能器的另一端均接地。
[0013] 一种眼科B超系统，包括一
电路板和探头，其中，所述电路板上设置有
单片机、隔离保护电路和所述的超声前端电路；所述隔离保护电路连接单片机和超声前端电路，超声前端电路连接探头；所述单片机输出第一脉冲发射信号、第二脉冲发射信号和第三脉冲发射信号，通过隔离保护电路隔离后输出第一脉冲发射控制信号、第二脉冲发射控制信号和第三脉冲发射控制信号；超声前端电路对第一脉冲发射控制信号、第二脉冲发射控制信号和第三脉冲发射控制信号进行电平转换，将正负激励电压加载后形成高压激励信号，激励探头中的换能器产生对应的超声波信号。
[0014] 所述的眼科B超系统中，所述隔离保护电路包括隔离芯片、第二磁珠、第十二电容和第十三电容；所述隔离芯片的B1脚连接B2脚和单片机，隔离芯片的B4脚连接B5脚和单片机，隔离芯片的B7脚连接B8脚和单片机；隔离芯片的A1脚连接A2脚和超声前端电路，隔离芯片的A4脚连接A5脚和超声前端电路，隔离芯片的A7脚连接A8脚和超声前端电路，隔离芯片的VDD脚连接第二磁珠的一端和第十二电容的一端，第二磁珠的另一端连接电源端和第十三电容的一端；第十二电容的另一端、第十三电容的另一端、隔离芯片的DIR脚和 脚均接地。
[0015] 相较于现有技术，本发明提供的超声前端电路及眼科B超系统，包括一电路板和探头，所述电路板上设置有单片机、隔离保护电路和超声前端电路；所述隔离保护电路连接单片机和超声前端电路，超声前端电路连接探头；所述单片机输出第一脉冲发射信号、第二脉冲发射信号和第三脉冲发射信号，通过隔离保护电路隔离后输出第一脉冲发射控制信号、第二脉冲发射控制信号和第三脉冲发射控制信号；超声前端电路对第一脉冲发射控制信号、第二脉冲发射控制信号和第三脉冲发射控制信号进行电平转换，将正负激励电压加载后形成高压激励信号，激励探头中的换能器产生对应的超声波信号。由于采用正负激励电压去激励换能器，激励电压减小一半，电源和超声前端电路的器件选择的通用性和可替换性大大增加，即可解决现有眼科B超的激励高压只有正高压导致器件选择受限的问题。
附图说明
[0016] 图1为现有的眼科B超的超声前端电路的电路图。
[0017] 图2为本发明提供的眼科B超系统的结构
框图。
[0018] 图3为本发明提供的超声前端电路的电路图。
[0019] 图4为本发明提供的隔离保护电路的电路图。
[0020] 图5为本发明提供的发射控制时序的
波形图。
[0021] 图6为本发明提供的占空比控制的波形图。
具体实施方式
[0022] 本发明提供一种超声前端电路及眼科B超系统。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举
实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0023] 请参阅图2，本发明实施例提供的眼科B超系统包括一电路板和探头40，所述电路板上设置有超声前端电路10、单片机20和隔离保护电路30；所述隔离保护电路30连接单片机20和超声前端电路10，超声前端电路10连接探头40；所述单片机20输出3.3V的第一脉冲发射信号PES11、第二脉冲发射信号PES12和第三脉冲发射信号PES13，通过隔离保护电路30隔离后输出5V的第一脉冲发射控制信号PES21、第二脉冲发射控制信号PES22和第三脉冲发射控制信号PES23；超声前端电路10对第一脉冲发射控制信号PES21、第二脉冲发射控制信号PES22和第三脉冲发射控制信号PES23进行电平转换，将正负激励电压加载后形成高压激励信号HVES，来激励探头40中的换能器产生对应的超声波信号。
[0024] 需要理解的是，所述单片机20为现有技术，所述电路板上还设置有其他电路，此处仅阐述与本实施例相关的电路。该超声前端电路10不局限于眼科B超，只要使用单晶换能器的扇扫类的B超均可使用此电路。
[0025] 请一并参阅图3，所述超声前端电路10包括电平转换模块100、高压激励模块200和起振匹配模块300。所述高压激励模块200连接电平转换模块100和起振匹配模块300，电平转换模块100连接隔离保护电路30，起振匹配模块300连接探头40；所述电平转换模块100对5V的第一脉冲发射控制信号PES21、第二脉冲发射控制信号PES22和第三脉冲发射控制信号PES23进行电平转换后输出12V的第一脉冲发射驱动信号PES31、第二脉冲发射驱动信号PES32和第三脉冲发射驱动信号PES33；高压激励模块200检测第一脉冲发射驱动信号PES31和第二脉冲发射驱动信号PES32有效时对应加载正负激励电压形成高压激励信号HVES，还检测第三脉冲发射驱动信号PES33有效时将激励电压以及加到换能器时产生的高压振荡的
能量泄放到地；起振匹配模块300对高压激励信号HVES进行起振匹配后输出给探头40。
[0026] 所述电平转换模块100包括第一驱动芯片U1、第二驱动芯片U2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第一磁珠L1；所述第一驱动芯片U1的INA脚和INB脚均连接隔离保护电路30；第一驱动芯片U1的VCC脚连接第四电容C4的一端、第一磁珠L1的一端和第三电容C3的一端；第一驱动芯片U1的OUTA脚和OUTB脚均连接高压激励模块200；第二驱动芯片U2的VCC脚连接第五电容C5的一端和第一驱动芯片U1的VCC脚；第一磁珠L1的另一端连接第一电容C1的正极、第二电容C2的一端和供电端（输入供电电压VCC）；第五电容C5的另一端连接第一电容C1的负极、第二电容C2的另一端和地；第二驱动芯片U2的INA脚连接INB脚和隔离保护电路30，第二驱动芯片U2的OUTA脚连接OUTB脚和高压激励模块
200；第一驱动芯片U1的GND脚、第二驱动芯片U2的GND脚、第三电容C3的另一端和第四电容C4的另一端均接地。
[0027] 其中，所述第一驱动芯片U1和第二驱动芯片U2的型号优选为 UCC37323；主要起到隔离驱动的作用，5V的第一脉冲发射控制信号PES21、第二脉冲发射控制信号PES22通过U1进行升压后输出12V的第一脉冲发射驱动信号PES31、第二脉冲发射驱动信号PES32给高压激励模块200，5V的第三脉冲发射控制信号PES23通过U2进行升压后输出12V的第三脉冲发射驱动信号PES33给高压激励模块200。这样可以保护
低电压的单片机20（即MCU，一般是敏感高价值器件），防止发射端偶发的故障导致发射高压倒灌入单片机20，造成单片机20损坏，甚至导致整机的损坏，避免发生安全事故。U1和U2的输出波形在本实施例中和脉冲发射信号PES11 PES13是同
频率同宽的波形。~
[0028] 所述第一电容C1为容值优选为220uF的钽电容，第二电容C2为22uF的低ESR叠层陶瓷电容，C1和C2共同构成电平转换模块100的电源旁路滤波电路；第一磁珠L1和第三电容C3构成一个LC滤波电路，第一磁珠L1可采用0603的601磁珠；第四电容C4为U1的退耦电容，其容值优选为0.1uF；第五电容C5为U1的退耦电容，其容值优选为0.1uF。
[0029] 需要理解的是，本实施例中，电子开关（即Q1 Q3）后级的激励波形是正负脉冲，为~了产生这个激励波形，U1和U2的MOS管驱动可有不同替换方案，如U1和U2可采用UCC3732X系列中的UCC37323（双路信号反向）、或UCC37324（双路非反向）、或UCC37325（单路反向），这些与脉冲发射控制信号PES21 PES23配合产生对应的替换方案。U1和U2的型号可相同或不同。
~
[0030] 所述高压激励模块200包括第一电子开关Q1、第二电子开关Q2、第三电子开关Q3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六电容C6、第七电容C7、第一电阻R1和第二电阻R2；所述第一电子开关Q1的栅极连接第一二极管D1的正极和第六电容C6的一端，第六电容C6的另一端通过第一电阻R1连接第一驱动芯片U1的OUTA脚，第一电子开关Q1的源极连接负高压端-HV和第一二极管D1的负极；第一电子开关Q1的漏极连接第二电子开关Q2的源极、第三二极管D3的一端、第四二极管D4的正极和第五二极管D5的负极；第三二极管D3的另一端连接起振匹配模块300，第二电子开关Q2的栅极连接第二二极管D2的正极和第七电容C7的一端，第七电容C7的另一端通过第二电阻R2连接第一驱动芯片U1的OUTB脚，第二电子开关Q2的漏极连接正高压端+HV和第二二极管D2的负极，第四二极管D4的负极连接第五二极管D5的正极和第三电子开关Q3的漏极，第三电子开关Q3的栅极连接第二驱动芯片U2的OUTA脚和OUTB脚，第三电子开关Q3的源极接地。
[0031] 其中，所述第一电子开关Q1和第三电子开关Q3可采用NMOS管，第二电子开关Q2可采用PMOS管；通过第一脉冲发射驱动信号PES31、第二脉冲发射驱动信号PES32和第三脉冲发射驱动信号PES33来分别控制Q1、Q2、Q3的通断状态，Q1、Q2在导通时将对应的正激励电压（高压）、负激励电压生成高压脉冲发射信号，通过起振匹配模块300加载到探头的换能器TR上。
[0032] 所述第一二极管D1和第二二极管D2是泄放二极管，用于将PES31和PES32迅速释放，以保证电子开关通断的实效性，从而保证激励电压的有效宽度和正负激励电压的对称型，这在快速发射过程是非常重要的，电子开关的通断皆有时延，通过D1和D2可解决上一次电子开关正在关闭时，下一次电子开关的打开信号已经加载，从而严重影响激励电压
精度的问题。D4和D5用于发射完成后对地钳位，让换能器振荡产生的能量通过D3后经D4、D5和Q3尽快释放到大地，能有效地消除换能器端的振铃响应，同时将各种杂波信号导入大地，有效防止地线回路的高幅值信号串扰回发射回路，减小系统干扰。第三二极管D3为双向二极管，是发射信号和回波信号的第一级简单隔离，使回波信号尽可能多的进入信号接收电路，选用压差为0.2V的锗管LBAT54SLT1G。R1和R2的阻值相等，阻值较佳地为5Ω及其以下，用于消除PES31和PES32的尖峰。C6和C7的容值相等，且采用高压电容，如规格为0.1UF/450V。
[0033] 请一并参阅图5，当第一脉冲发射驱动信号PES31有效时，为高电平，Q1导通，此时加载负激励电压；当第二脉冲发射驱动信号PES32有效时为低电平，Q2导通，此时加载正激励电压；同时，第三脉冲发射驱动信号PES33是无效的，为低电平使Q3处于关闭状态，激励电压加载到换能器上。当第三脉冲发射驱动信号PES33有效时为高电平，无论第一脉冲发射驱动信号PES31和第二脉冲发射驱动信号PES32的状态如何，激励电压均因Q3导通而被释放到大地上，不会加载于换能器上。
[0034] 第一脉冲发射驱动信号PES31和第二脉冲发射驱动信号PES32的有效时间宽度等于第三脉冲发射驱动信号PES33的无效时间宽度，这个时间维度可根据探头发射频率的不同调整。
[0035] 优选地，所述高压激励模块200还包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6；所述第三电阻R3的一端连接第一二极管D1的正极和第六电容C6的一端，第三电阻R3的另一端连接负高压端-HV和第一二极管D1的负极，第四电阻R4的一端连接第二二极管D2的正极和第七电容C7的一端，第四电阻R4的另一端连接正高压端+HV和第二二极管D2的负极，第五电阻R5连接在负高压端-HV和第一电子开关Q1的源极之间，第六电阻R6连接在正高压端+HV和第二电子开关Q2的漏极之间。通过R3和R5、R4和R6的上拉，能防止电子开关在开机或者受干扰时误动作。
[0036] 优选地，所述高压激励模块200还包括第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10和第十一电容C11；所述第八电容C8的负极连接第九电容C9的一端和负高压端-HV，第十电容C10的正极连接第十一电容C11的一端和正高压端+HV；第八电容C8的正极、第九电容C9的另一端、第十电容C10的负极和第十一电容C11的另一端均接地。C8和C9为负激励高压（负高压端-HV提供）的储能滤波电容，C10和C11为正激励高压（正高压端+HV提供）的储能滤波电容。
[0037] 所述起振匹配模块300包括第一电感L2和第七电阻R7，所述第一电感L2的一端连接第三二极管D3的另一端和第七电阻R7的一端，第一电感L2的另一端连接换能器TR的一端，第七电阻R7的另一端和换能器TR的另一端均接地。
[0038] 第一电感L2在现有电路中一般是并联到地，配合电阻构成换能器的协助起振电路，本实施例改为
串联到超声前端电路中，经试验，这样对发射波形的整形更为有利。鉴于换能器的静态电容很大，第一电感L2的电感值不可以太大，本实施例中选用0.12uH来匹配10M探头。
[0039] 请一并参阅图4，所述隔离保护电路30包括隔离芯片U3、第二磁珠L3、第十二电容C12和第十三电容C13；所述隔离芯片U3的B1脚连接B2脚和单片机20，隔离芯片U3的B4脚连接B5脚和单片机20，隔离芯片U3的B7脚连接B8脚和单片机20；隔离芯片U3的A1脚连接A2脚和第二驱动芯片U2的INA脚，隔离芯片U3的A4脚连接A5脚和第一驱动芯片U1的INB脚，隔离芯片U3的A7脚连接A8脚和第一驱动芯片U1的INA脚，隔离芯片U3的VDD脚连接第二磁珠L3的一端和第十二电容C12的一端，第二磁珠L3的另一端连接电源端（输入
电源电压VDD）和第十三电容C13的一端；第十二电容C12的另一端、第十三电容C13的另一端、隔离芯片U3的DIR脚和 脚均接地。
[0040] 其中，所述隔离芯片U3的型号优选为MC74VHC245DT，C13主要是储能滤波作用，L3和C12构成一个LC滤波电路，L3用0603的601磁珠。隔离芯片U3对单片机输出的各个脉冲发射控制信号进行隔离，没有改变该信号的作用，因此隔离芯片U3输出的也是脉冲发射控制信号PES11 PES33。~
[0041] 所述单片机20为现有技术，隔离芯片U3具体连接单片机的哪个引脚也为现有技术，此处只是使用单片机输出的三个发射脉冲信。
[0042] 请一并参阅图6，所述单片机20还可调节第一脉冲发射信号PES11、第二脉冲发射信号PES12和第三脉冲发射信号PES13的占空比。例如占空比为60%（只是举例，可根据需要调整，调整范围理论上是0到100%）；虚线是占空比为60%时的激励波形，实线是占空比为100%时的激励波形。占空比为100%的激励电压最强，此时信号最强，但是容易造成B超前端信号饱和，同时最主要的是换能器发热有点严重，对患者检查体验不好，长时间诊断对换能器激励波形也有损伤；当占空比适当调整时，首先解决了探头发热的问题，理想的发射波形是脉冲波形，占空比的调整并不会影响激励高压的峰峰值，并且使有效的发射能量更集中，从而能产生更好的激励波形，这就使得图像更加细腻，图像的细节也更加丰富，更便于诊断，提高了后期图像的质量。同时，大大减少了换能器的发热，使探头的温升控制大为简便，也大大减缓了换能器老化和性能衰减，延长了整机的使用寿命。
[0043] 综上所述，本发明提供的眼科B超系统中，采用正负激励电压（一种脉冲高电压）去激励换能器，由3个电子开关来控制发射波形，激励脉冲更加规整对称，发射脉冲占空比可调，发射能量更加有效集中；并且，由于是正负脉冲发射，激励电压减小一半，电源和超声前端电路的器件选择的通用性和可替换性大大增加，采购和维护也大大简便，相应的各种成本也大大降低；通过第一脉冲发射驱动信号和第二脉冲发射驱动信号来控制电子开关通断实现对应的正负高压发射，使正负脉冲对称少变形，输出噪声也极大的减小，系统的
信噪比大大提高，B超图像的质量和分辨力也显著提高。第三脉冲发射控制信号在发射完成后立即对地钳位，有效消弥电子开关通断的时延带来的振铃响应，进一步减小系统的杂波干扰，使超声前端电路和接收电路的隔离简单有效。
[0044] 上述功能模块的划分仅用以举例说明，在实际应用中，可以根据需要将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即划分成不同的功能模块，来完成上述描述的全部或部分功能。
[0045] 可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的
权利要求的保护范围。
