如何加快超聲波系統(tǒng)設(shè)計(jì)速度的解決方案解析

超聲波系統(tǒng)

超聲波系統(tǒng)設(shè)計(jì)資源和方框圖。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

最新熱點(diǎn)

借助業(yè)界首款集成發(fā)送/接收開(kāi)關(guān) TX810，TI 加快了超聲波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shù)，該技術(shù)所能達(dá)到的成像性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單通道的方案。采用陣列接收器，通過(guò)時(shí)間平移、縮放以及智能求和回波能量，可以構(gòu)建高清晰度的圖像。時(shí)間平移的概念以及縮放(基于傳感器陣列所接收的信號(hào))提供了對(duì)掃描區(qū)域單點(diǎn)“聚焦”的能力。通過(guò)一定的順序聚焦于不同的點(diǎn)，最終匯集成像。

在掃描開(kāi)始時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)并通過(guò)每個(gè) 8 至 512 傳感器的單元發(fā)出。此脈沖將定時(shí)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(shí)將構(gòu)成機(jī)械能的形態(tài)，以高頻聲波傳播通過(guò)人體，典型頻率范圍介于 1MHz 至 15MHz 之間。隨著傳播的進(jìn)行，信號(hào)急劇衰減，衰減量與傳播距離的平方成正比。而隨著信號(hào)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(cè)到。由于反射靠近人體的表皮，直接反射的信號(hào)將十分強(qiáng)，而歷經(jīng)一段時(shí)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(nèi)部的總能量是有限的，因此業(yè)界必須開(kāi)發(fā)出極為敏感的接收電子器件。在接近于皮膚的聚焦點(diǎn)，接收的回波非常強(qiáng)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(diǎn)，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(yuǎn)區(qū)。在高增益(遠(yuǎn)區(qū))模式下，對(duì)性能的限制主要源于接收鏈路中所有噪聲信號(hào)源的疊加。對(duì)接收噪聲影響最大的兩個(gè)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(duì)性能的限制主要由輸入信號(hào)的量級(jí)界定。上述兩個(gè)區(qū)域信號(hào)之間的比率定義了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。許多接收鏈路都集成了具有可變?cè)鲆娣糯笃鞯?LNA。

低通濾波器應(yīng)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(diǎn)濾波器，線性相位拓?fù)洹Ｔ谶x擇運(yùn)算放大器時(shí)，首要的考慮因素包括了信號(hào)擺幅、最低及最高輸入頻率、諧波失真及增益需求。模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 一般為 10 至 12 位。SNR 及功耗是最著重考慮的問(wèn)題，隨后是通道集成。ADC 的另一個(gè)趨勢(shì)就是實(shí)現(xiàn) ADC 與波束成型器之間的 LVDS 接口。通過(guò)串行化 ADC 的輸出數(shù)據(jù)，一個(gè) 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(shí)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(yùn)行頻率達(dá) 1GHz 或 1GHz 以上的 DSP 可滿足對(duì)超聲波高強(qiáng)度處理的需求，串行快速輸入輸出外設(shè)還提供了 10Gbps 的全雙工帶寬。

某些超聲波系統(tǒng)需要高動(dòng)態(tài)范圍，或具有需要多個(gè)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(dāng)超聲波解決方案需要一個(gè)操作系統(tǒng)時(shí)，TMS320DM6446 可滿足這一需求。DM6446 不僅具有功能強(qiáng)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(yùn)行操作系統(tǒng)的需求。信號(hào)的匯集通過(guò)數(shù)字波束成型器實(shí)現(xiàn)。它是典型的用戶定制設(shè)計(jì)的 ASIC，但其功能則通過(guò)不同可編程邏輯方式實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字波束成型器內(nèi)部，數(shù)字化信號(hào)將被縮放及時(shí)間延遲，從而在接收鏈路產(chǎn)生聚焦效應(yīng)。所有通過(guò)接收通道的信號(hào)在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)之后將被加權(quán)，并輸送至成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)可被開(kāi)發(fā)為單獨(dú)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(hào)擺幅。大多數(shù)情況都將使用高電壓 FET 實(shí)現(xiàn)。控制 FET 可采用以下兩種方法中的一種：開(kāi)-關(guān)(推挽)或 AB 級(jí)線性控制。推挽的方式最為常見(jiàn)，因?yàn)樵摲绞絻H需要更為簡(jiǎn)單且更低成本的接口連接至 FET。AB 級(jí)的方法可顯著改善諧波失真，但需要更為復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器并消耗更多功率。系統(tǒng)及設(shè)備制造商選擇了多種多樣的 TI 產(chǎn)品用于其超聲波成像應(yīng)用，包括運(yùn)算放大器、單路/雙路和八路 ADC(均帶有快速輸入過(guò)載恢復(fù)及卓越的動(dòng)態(tài)性能)、數(shù)字信號(hào)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(jí) 8 通道、12 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 ADS5270。