超声便携式设备原理及系统划分详解

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  •     90年代初期,便携式电话风靡一时。随着膝上型计算机的体积缩小,它们也被称为“背包电话”。目前,电子行业已经取得长足的发展,现今的手机可以发送电子邮件和短信,可以拍照、查询股票价格、安排会议,当然,也可以同世界上任何地方的任何人通话。同样在医疗领域中,以前所谓的便携式超声系统装载在手推车上,并且可以拖拽,但是实际上它们是难于拖拽的。幸而超声系统也在持续改进,并且被医生们称为“新型听诊器”。
      本文将回顾经典的超声信号链路,讨论不同的系统划分策略以及它们的优缺点,并且展示这些系统划分策略在便携式超声应用中的意义。

      超声信号链路

      图1所示的是超声系统的简化原理图。系统的传感器均位于相对较长的电缆末端,这些电缆约两米长。这些电缆包含有至少8个至256个微型同轴电缆,是系统最昂贵的部件之一。几乎在每个系统中,电缆由传感器单元直接驱动。电缆的电容成为传感器元件的负载,引起了很大的信号损耗,这对接收端提出了灵敏度的要求,以便保持动态范围和实现最佳系统性能。

    典型的超声信号链路

    图1. 典型的超声信号链路

      在发射端(Tx路径),波束成形器确定了延迟模式和脉冲序列,其是专为所需的焦点而设定的。然后,驱动传感器的高压发射放大器将波束成形器的输出放大。这些放大器可由数模转换器(DAC)或者高压FET开关阵列控制,将发射脉冲整形,以便较好的将能量传递到传感器单元。而在接收端,发射/接收(T/R)开关(通常是二极管电桥)阻挡Tx高压脉冲。在某些阵列中使用高压(HV)多路复用器/多路分离器减少发射和接收硬件的复杂度,但是这牺牲了灵活性。

      时间增益控制(TGC)路径由一个低噪声放大器(LNA)、一个可变增益放大器(VGA)和一个模数转换器(ADC)构成。在操作人员的控制下,TGC路径用于在扫描过程中保持图像的均匀性。良好的噪声性能取决于LNA,它可以减少后面的VGA对噪声的贡献。对于受益于输入阻抗匹配的应用,有源阻抗控制可以优化噪声性能。

      通过VGA将宽动态范围的输入信号压缩,以满足ADC的输入范围要求。LNA的折算至输入端的噪声限制了可分辨的最小输入信号,而折算至输出端的噪声主要取决于VGA,它限制了特定增益控制电压下的最大瞬时动态范围。该限制是根据量化的本底噪声设定的,而量化本底噪声由ADC的分辨率决定。

      抗混叠滤波器(AAF)限制了信号带宽,同时也限制了ADC之前的TGC路径中的其它噪声。

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