超聲波系統(tǒng)

超聲波系統(tǒng)設計資源和方框圖。

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借助業(yè)界首款集成發(fā)送/接收開關 TX810，TI 加快了超聲波系統(tǒng)的設計速度并將電路板面積減小 50% 以上不管是醫(yī)療還是工業(yè)用超聲波系統(tǒng)均采用聚焦成像技術，該技術所能達到的成像性能遠遠超出單通道的方案。采用陣列接收器，通過時間平移、縮放以及智能求和回波能量，可以構建高清晰度的圖像。時間平移的概念以及縮放(基于傳感器陣列所接收的信號)提供了對掃描區(qū)域單點“聚焦”的能力。通過一定的順序聚焦于不同的點，最終匯集成像。

在掃描開始時，將產生一個脈沖信號并通過每個 8 至 512 傳感器的單元發(fā)出。此脈沖將定時定量的照射人體的特定區(qū)域。在發(fā)射之后，傳感器立即切換至接收模式。該脈沖此時將構成機械能的形態(tài)，以高頻聲波傳播通過人體，典型頻率范圍介于 1MHz 至 15MHz 之間。隨著傳播的進行，信號急劇衰減，衰減量與傳播距離的平方成正比。而隨著信號的傳播，一部分波前能量將被反射。這部分發(fā)射即為回波，將被接收電子器件檢測到。由于反射靠近人體的表皮，直接反射的信號將十分強，而歷經一段時間之后，反射所發(fā)出的脈沖將非常微弱，這是源于人體深處的反射。

傳輸至人體內部的總能量是有限的，因此業(yè)界必須開發(fā)出極為敏感的接收電子器件。在接近于皮膚的聚焦點，接收的回波非常強僅需要很小甚至不需要任何的放大。此區(qū)域被稱為近區(qū)。但在深入人體的聚焦點，接收回波將異常的微弱，需要放大上千倍甚至更多。此區(qū)域被稱為遠區(qū)。在高增益(遠區(qū))模式下，對性能的限制主要源于接收鏈路中所有噪聲信號源的疊加。對接收噪聲影響最大的兩個因素分別為傳感器/電纜線的組裝以及用于接收低噪聲放大器 (LNA)。在低增益(近區(qū))模式下，對性能的限制主要由輸入信號的量級界定。上述兩個區(qū)域信號之間的比率定義了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。許多接收鏈路都集成了具有可變增益放大器的 LNA。

低通濾波器應用于 VCA 及 ADC 之間，用于反鋸齒濾波并限制噪聲帶寬。此處通常使用 2 至 5 極點濾波器，線性相位拓撲。在選擇運算放大器時，首要的考慮因素包括了信號擺幅、最低及最高輸入頻率、諧波失真及增益需求。模數(shù)轉換器 (ADC) 一般為 10 至 12 位。SNR 及功耗是最著重考慮的問題，隨后是通道集成。ADC 的另一個趨勢就是實現(xiàn) ADC 與波束成型器之間的 LVDS 接口。通過串行化 ADC 的輸出數(shù)據(jù)，一個 512 通道的系統(tǒng)可將其通道數(shù)由 6144 降低至 1024。這一降低將實現(xiàn)更小、更低成本的 PC 載板。

DSP 被用于多普勒處理、2D、3D 乃至 4D 成像以及大量后處理算法的成像系統(tǒng)，以增加功能并改善性能。而成像系統(tǒng)的核心需求正是高性能及大帶寬。運行頻率達 1GHz 或 1GHz 以上的 DSP 可滿足對超聲波高強度處理的需求，串行快速輸入輸出外設還提供了 10Gbps 的全雙工帶寬。

某些超聲波系統(tǒng)需要高動態(tài)范圍，或具有需要多個周期的功能。這些功能的示例還有頻譜縮減及平方根功能。當超聲波解決方案需要一個操作系統(tǒng)時，TMS320DM6446 可滿足這一需求。DM6446 不僅具有功能強大的核心以及視頻加速器(可用于處理成像需求)，還具有 ARM9™ 核心，可滿足運行操作系統(tǒng)的需求。信號的匯集通過數(shù)字波束成型器實現(xiàn)。它是典型的用戶定制設計的 ASIC，但其功能則通過不同可編程邏輯方式實現(xiàn)。在數(shù)字波束成型器內部，數(shù)字化信號將被縮放及時間延遲，從而在接收鏈路產生聚焦效應。所有通過接收通道的信號在經過適當?shù)恼{節(jié)之后將被加權，并輸送至成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)可被開發(fā)為單獨的 ASIC，也可以是諸如 DSP 的可編程處理器。

發(fā)射單元需要控制 100V 至 200V 的信號擺幅。大多數(shù)情況都將使用高電壓 FET 實現(xiàn)?？刂?FET 可采用以下兩種方法中的一種：開-關(推挽)或 AB 級線性控制。推挽的方式最為常見，因為該方式僅需要更為簡單且更低成本的接口連接至 FET。AB 級的方法可顯著改善諧波失真，但需要更為復雜的驅動器并消耗更多功率。系統(tǒng)及設備制造商選擇了多種多樣的 TI 產品用于其超聲波成像應用，包括運算放大器、單路/雙路和八路 ADC(均帶有快速輸入過載恢復及卓越的動態(tài)性能)、數(shù)字信號處理器和集成了 8 通道、低功耗超聲波前端 IC 的 VCA8617。TI 還提供了具有串行 LVDS 接口的高級 8 通道、12 位數(shù)據(jù)轉換器 ADS5270。