如何加快超声波系统设计速度的解决方案解析

超声波系统

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借助业界首款集成发送/接收开关 TX810，TI 加快了超声波系统的设计速度并将电路板面积减小 50% 以上不管是医疗还是工业用超声波系统均采用聚焦成像技术，该技术所能达到的成像性能远远超出单通道的方案。采用阵列接收器，通过时间平移、缩放以及智能求和回波能量，可以构建高清晰度的图像。时间平移的概念以及缩放(基于传感器阵列所接收的信号)提供了对扫描区域单点“聚焦”的能力。通过一定的顺序聚焦于不同的点，最终汇集成像。

在扫描开始时，将产生一个脉冲信号并通过每个 8 至 512 传感器的单元发出。此脉冲将定时定量的"照射"人体的特定区域。在发射之后，传感器立即切换至接收模式。该脉冲此时将构成机械能的形态，以高频声波传播通过人体，典型频率范围介于 1MHz 至 15MHz 之间。随着传播的进行，信号急剧衰减，衰减量与传播距离的平方成正比。而随着信号的传播，一部分波前能量将被反射。这部分发射即为回波，将被接收电子器件检测到。由于反射靠近人体的表皮，直接反射的信号将十分强，而历经一段时间之后，反射所发出的脉冲将非常微弱，这是源于人体深处的反射。

传输至人体内部的总能量是有限的，因此业界必须开发出极为敏感的接收电子器件。在接近于皮肤的聚焦点，接收的回波非常强仅需要很小甚至不需要任何的放大。此区域被称为近区。但在深入人体的聚焦点，接收回波将异常的微弱，需要放大上千倍甚至更多。此区域被称为远区。在高增益(远区)模式下，对性能的限制主要源于接收链路中所有噪声信号源的叠加。对接收噪声影响最大的两个因素分别为传感器/电缆线的组装以及用于接收低噪声放大器 (LNA)。在低增益(近区)模式下，对性能的限制主要由输入信号的量级界定。上述两个区域信号之间的比率定义了系统的动态范围。许多接收链路都集成了具有可变增益放大器的 LNA。

低通滤波器应用于 VCA 及 ADC 之间，用于反锯齿滤波并限制噪声带宽。此处通常使用 2 至 5 极点滤波器，线性相位拓扑。在选择运算放大器时，首要的考虑因素包括了信号摆幅、最低及最高输入频率、谐波失真及增益需求。模数转换器 (ADC) 一般为 10 至 12 位。SNR 及功耗是最着重考虑的问题，随后是通道集成。ADC 的另一个趋势就是实现 ADC 与波束成型器之间的 LVDS 接口。通过串行化 ADC 的输出数据，一个 512 通道的系统可将其通道数由 6144 降低至 1024。这一降低将实现更小、更低成本的 PC 载板。

DSP 被用于多普勒处理、2D、3D 乃至 4D 成像以及大量后处理算法的成像系统，以增加功能并改善性能。而成像系统的核心需求正是高性能及大带宽。运行频率达 1GHz 或 1GHz 以上的 DSP 可满足对超声波高强度处理的需求，串行快速输入输出外设还提供了 10Gbps 的全双工带宽。

某些超声波系统需要高动态范围，或具有需要多个周期的功能。这些功能的示例还有频谱缩减及平方根功能。当超声波解决方案需要一个操作系统时，TMS320DM6446 可满足这一需求。DM6446 不仅具有功能强大的核心以及视频加速器(可用于处理成像需求)，还具有 ARM9™ 核心，可满足运行操作系统的需求。信号的汇集通过数字波束成型器实现。它是典型的用户定制设计的 ASIC，但其功能则通过不同可编程逻辑方式实现。在数字波束成型器内部，数字化信号将被缩放及时间延迟，从而在接收链路产生聚焦效应。所有通过接收通道的信号在经过适当的调节之后将被加权，并输送至成像系统。成像系统可被开发为单独的 ASIC，也可以是诸如 DSP 的可编程处理器。

发射单元需要控制 100V 至 200V 的信号摆幅。大多数情况都将使用高电压 FET 实现。控制 FET 可采用以下两种方法中的一种：开-关(推挽)或 AB 级线性控制。推挽的方式最为常见，因为该方式仅需要更为简单且更低成本的接口连接至 FET。AB 级的方法可显著改善谐波失真，但需要更为复杂的驱动器并消耗更多功率。系统及设备制造商选择了多种多样的 TI 产品用于其超声波成像应用，包括运算放大器、单路/双路和八路 ADC(均带有快速输入过载恢复及卓越的动态性能)、数字信号处理器和集成了 8 通道、低功耗超声波前端 IC 的 VCA8617。TI 还提供了具有串行 LVDS 接口的高级 8 通道、12 位数据转换器 ADS5270。