為超聲系統(tǒng)選擇高速信號(hào)處理元件

圖2.模擬波束成形系統(tǒng)的前端信號(hào)電子器件。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)使用 FPGA、固定功能的現(xiàn)成數(shù)字元件和數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP） 進(jìn)行處理。超聲的實(shí)時(shí)能力需要通過(guò)數(shù)字處理（包括FIR，IIR濾波器和FFT處理）進(jìn)行優(yōu)化。然后，必須處理數(shù)字化數(shù)據(jù)（極坐標(biāo)）并將其映射到矩形坐標(biāo)，存儲(chǔ)在緩沖存儲(chǔ)器中，然后發(fā)送到視頻和音頻編碼器。

數(shù)字波束成形 （DBF） 系統(tǒng)用每通道一個(gè) ADC 取代了每個(gè)通道的時(shí)間延遲元件，并將連續(xù)信號(hào)元件存儲(chǔ)在緩沖存儲(chǔ)器中（參見(jiàn)圖 3）。該轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘頻率通常為40 MHz，需要10位分辨率。

用于超聲波的高速IC元件

開(kāi)關(guān)： 在ABF系統(tǒng)中，高速多路復(fù)用器用于創(chuàng)建交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)用于通過(guò)將每個(gè)接收通道連接到集總無(wú)源LC元件或有源電路元件來(lái)選擇每個(gè)通道的預(yù)定時(shí)間延遲。多路復(fù)用器必須表現(xiàn)出低R值上和快速 T上/T關(guān)閉開(kāi)關(guān)特性。開(kāi)關(guān)建立時(shí)間>100+ ns對(duì)于單條掃描線期間的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)（門(mén)）來(lái)說(shuō)不夠快。四通道高速開(kāi)關(guān)，如ADG201HS、ADG411和ADG441/2/4，提供快速T溫度上/T關(guān)閉開(kāi)關(guān)速度。

* 有關(guān)這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，請(qǐng)致電ADI的AnalogFax?行 1-800-466-6212，然后輸入相應(yīng)的傳真回代碼。

時(shí)間增益控制：隨時(shí)間變化增益或時(shí)間增益控制（TGC）放大器是ABF和DBF架構(gòu)的關(guān)鍵接收器組件。由于反射超聲信號(hào)的大小取決于穿透深度，并且在靠近接收器的地方要大得多，因此增益必須隨著時(shí)間的增加而增加。1 dB/cm/MHz的經(jīng)驗(yàn)法則衰減系數(shù)要求TGC增益必須是控制電壓的線性函數(shù)或“線性dB”。此外，帶寬、群延遲和失真應(yīng)與增益無(wú)關(guān)。三個(gè)第一代寬帶寬（高達(dá)90 MHz）、低噪聲（<1.7 nV/√Hz）、低失真TGC放大器可用于此功能。第二代類(lèi)型（AD604和AD605）提供樣品數(shù)量，提供更寬的增益控制、更高的集成度、更低的功耗和成本。

* 有關(guān)這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，請(qǐng)致電ADI的AnalogFax?熱線1-800-466-6212，然后輸入相應(yīng)的傳真回碼。

TGC 控制 DAC 以 8 位分辨率提供控制 TGC 增益的電壓。其輸出壓擺率和建立時(shí)間必須足夠快，以執(zhí)行“線性dB”電壓控制。數(shù)據(jù)加載速度必須足夠快，以便為每個(gè)新測(cè)量點(diǎn)更新每個(gè)控制DAC。由于ABF和DBF中都使用多個(gè)接收器通道，因此需要AD8600、AD7228和AD7528等多通道DAC。

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放大 器：在整個(gè)系統(tǒng)中，需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行緩沖、縮放、放大和濾波。高速緩沖器用于驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，或用于驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)或短電纜（例如，從系統(tǒng)到傳感器頭）的高速信號(hào)。它們還用于通過(guò)連接器或沿著印刷電路板的蝕刻將信號(hào)從一個(gè)印刷電路板驅(qū)動(dòng)到另一個(gè)印刷電路板。

圖3.用于數(shù)字波束系統(tǒng)的前端信號(hào)電子器件。

高頻信號(hào)的壓縮和檢測(cè)用于提高轉(zhuǎn)換器的有效范圍并提高系統(tǒng)性能。AD606和AD640是兩款寬帶對(duì)數(shù)放大器，提供必要的壓縮，并具有模擬波束形成超聲所需的信號(hào)帶寬。AD606提供80 dB的動(dòng)態(tài)范圍，頻率高達(dá)50 MHz;AD640在高達(dá)50 MHz時(shí)提供120 dB的動(dòng)態(tài)范圍，兩個(gè)器件可以級(jí)聯(lián)95 dB。在某些工作模式下，壓縮輸出將超量程并使信號(hào)鏈中的下一個(gè)組件飽和。AD8036/AD8037等寬帶箝位放大器是該應(yīng)用的理想緩沖器;它們還可用于限制模擬輸入電壓和驅(qū)動(dòng)高速ADC，防止模擬輸入使ADC輸入采樣保持飽和。

除了具有寬帶寬和功率經(jīng)濟(jì)性外，接收器信號(hào)鏈中使用的放大器（每個(gè)系統(tǒng)多個(gè)）還必須具有低失真。AD8011、AD8001、AD8047和AD9631/AD9632等放大器可提供許多超聲應(yīng)用所需的速度和性能。

高速視頻放大器還用于驅(qū)動(dòng)顯示器和視頻捕獲設(shè)備的電纜。AD817/AD818、AD826和 AD828等視頻放大器具有良好的視頻性能，如差分相位和增益規(guī)格。

*有關(guān)這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，請(qǐng)致電ADI公司的AnalogFax?行 1-800-466-6212，然后輸入相應(yīng)的傳真回代碼。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器：向DBF的持續(xù)轉(zhuǎn)變正在增加每個(gè)系統(tǒng)使用的ADC數(shù)量。隨著低功耗、低成本和高性能ADC的問(wèn)世，超聲設(shè)計(jì)人員正在為每個(gè)換能器元件集成一個(gè)ADC。這允許在數(shù)字域中完成波束形成，從而提供固有的穩(wěn)定性和更高的精度。DBF省去了笨重的LC延遲元件，并用高速ADC取代了每個(gè)元件。每個(gè)系統(tǒng)的典型通道數(shù)從64到256不等，由傳感器元件的數(shù)量和信噪比目標(biāo)決定。

AD9050（10位、40 MSPS ADC）旨在滿足DBF超聲系統(tǒng)的苛刻要求。首先重要的是低功耗。由于每個(gè)系統(tǒng)多達(dá) 256 個(gè) ADC，即使 ADC 功率略有增加，也會(huì)顯著提高整體系統(tǒng)功耗。AD9050采用單電源（+300 V）供電，功耗僅為5 mW;它采用創(chuàng)新的架構(gòu)，采用最先進(jìn)的BiCMOS工藝制造。

ADC性能對(duì)圖像質(zhì)量至關(guān)重要。DBF系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的關(guān)鍵要求是以最低的功耗和成本提供最高質(zhì)量的圖像。用于量化圖像質(zhì)量的關(guān)鍵ADC參數(shù)是有效位數(shù)（ENOB）。ADC的ENOB越接近理論分辨率，圖像再現(xiàn)就越忠實(shí)。圖像帶寬由換能器頻率決定，通常范圍為1至10 MHz。ADC的ENOB與頻率的關(guān)系圖在目標(biāo)帶寬上應(yīng)該是平坦的。

ADC的采樣速率經(jīng)過(guò)明智選擇，以實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能。高時(shí)鐘速率提供了解決小時(shí)間延遲的能力，從而改善了數(shù)字波束成型機(jī)的焦點(diǎn)。高時(shí)鐘速率還允許探頭頻率過(guò)采樣4×以便對(duì)彩色流應(yīng)用進(jìn)行高效檢測(cè)。大多數(shù)DBF系統(tǒng)的時(shí)鐘速率范圍為30至40 MSPS。AD9050的采樣速率高達(dá)40 MSPS，其時(shí)鐘輸入和數(shù)字輸出可配置為5 V或3 V工作電壓。隨著設(shè)計(jì)人員尋求最大限度地降低系統(tǒng)功耗，使用3V ASIC處理ADC的數(shù)字輸出變得越來(lái)越普遍。

超聲系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵ADC參數(shù)是輸入過(guò)驅(qū)的恢復(fù)時(shí)間。在多普勒模式下，增益設(shè)置為最大值，因?yàn)闇y(cè)量的現(xiàn)象非常?。ㄑ魉俣龋?。在這種情況下，來(lái)自容器壁的反射信號(hào)將過(guò)驅(qū)動(dòng)ADC輸入;然后在恢復(fù)后進(jìn)行有效的血流量測(cè)量。由于ADC分辨率僅為10位，因此必須對(duì)多條數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行平均，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的血流測(cè)量。如果過(guò)載恢復(fù)不一致，則記錄之間缺乏相關(guān)性將導(dǎo)致流量測(cè)量錯(cuò)誤。

AD9050的模擬輸入部分設(shè)計(jì)用于防止輸入過(guò)驅(qū)動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)損壞和損壞。標(biāo)稱輸入范圍為+2.8 V至+3.8 V（1 V p-p，中心電壓為3.3 V）?！俺龇秶?a target="_blank">比較器檢測(cè)模擬輸入信號(hào)何時(shí)超出此范圍，并關(guān)閉輸入跟蹤保持。數(shù)字輸出鎖定在其最大值或最小值（即所有“0”或全部“1”）。這可以防止它們?cè)谀M輸入超出范圍時(shí)更改為無(wú)效值。輸入保護(hù)電壓高達(dá)0.7 V;即，對(duì)于標(biāo)稱功率（+5 V和地），模擬輸入不會(huì)因+5.7 V至-0.7 V的信號(hào)而損壞。

當(dāng)模擬輸入信號(hào)返回到標(biāo)稱范圍時(shí)，超出范圍的比較器將軌道保持切換回活動(dòng)模式，器件在大約10 ns內(nèi)恢復(fù)。

以下是可用合適轉(zhuǎn)換器的快速摘要：

* 有關(guān)這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，請(qǐng)致電ADI公司的AnalogFax?行，1-800-446-6212，然后輸入相應(yīng)的傳真回代碼.

數(shù)字信號(hào)處理器：必須處理的數(shù)據(jù)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)量、速度和寬動(dòng)態(tài)范圍需要使用高速數(shù)字處理器。DSP執(zhí)行FIR/IIR濾波和計(jì)算AFE時(shí)間延遲變量等任務(wù)。ADSP-21060（32位浮點(diǎn)、40 MIPS）SHARC DSP處理器具有4 Mbit片內(nèi)存儲(chǔ)器，可提供超聲和許多其他醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用等要求苛刻的應(yīng)用所需的性能。如果許多計(jì)算的累積舍入誤差不會(huì)對(duì)給定系統(tǒng)造成嚴(yán)重問(wèn)題，那么具有片內(nèi)存儲(chǔ)器和高速操作的高性價(jià)比16位定點(diǎn)處理器（如ADSP-2171和ADSP-2181）可提供多功能I/O和高達(dá)33 MIPS的性能。

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處理后的數(shù)據(jù)被發(fā)送到視頻顯示器和音頻編碼器。三路8位至10位RAM-DAC，即ADV系列產(chǎn)品，用于將數(shù)字字轉(zhuǎn)換為模擬字以進(jìn)行彩色顯示。AD720/721/722系列模擬RGB至NTSC/PAL編碼器與AD813、AD817/818和AD826/828等視頻放大器（低成本、良好視頻性能的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)放大器）相結(jié)合，適用于各種視頻顯示和錄制標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯：郭婷