高速模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (High speed ADC) 通常是模擬前端PCB電路系統(tǒng)里最基本的組成組件。由于模擬/數(shù)字元轉(zhuǎn)換器的性能決定系統(tǒng)的整體效能表現(xiàn)，因此系統(tǒng)制造商往往將模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器視為最重要的組件。本文將詳細(xì)介紹超音波系統(tǒng)前端的運(yùn)作原理，并特別討論模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器在其中所發(fā)揮的作用。
在PCB設(shè)計(jì)超音波系統(tǒng)的前端PCB電路時(shí)，制造商必須審慎考慮幾項(xiàng)重要因素，以便進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩帷ａt(yī)務(wù)人員能否作出正確的診斷，乃取決于模擬PCB電路在這個(gè)過程當(dāng)中關(guān)鍵性的作用。模擬PCB電路的表現(xiàn)則取決于許多不同的參數(shù)，其中包括通道之間的串音干擾、無雜散訊號(hào)動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 以及總諧波失真。因此制造商在決定選用何種模擬PCB電路之前，必須詳細(xì)考慮這些參數(shù)。
以模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器為例來說，如果加設(shè)串行 LVDS 驅(qū)動(dòng)器等先進(jìn)PCB電路，便可縮小PCB電路板，以及抑制電磁波等噪聲的干擾，有助于進(jìn)一步改善系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)。微型化、高效能及功能齊備的超音波系統(tǒng)產(chǎn)品的制造，造成市場(chǎng)上持續(xù)要求生產(chǎn)低耗電模擬IC，使其具備與放大器、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和小封裝的更佳整合。
系統(tǒng)概述
超音波影像系統(tǒng)是目前最常用而又最精密的訊號(hào)處理儀器，可協(xié)助醫(yī)務(wù)人員作出正確診斷。在超音波系統(tǒng)的前端，采用極度精密的模擬訊號(hào)處理PCB電路，像是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器及低噪聲放大器(LNA)等，而這些模擬PCB電路的表現(xiàn)是決定系統(tǒng)效能的關(guān)鍵因素。
超音波設(shè)備非常接近于雷達(dá)或聲納系統(tǒng)，只不過是在不同的頻率帶（范圍）中操作。 雷達(dá)操作于GHz（千兆赫）的范圍中，聲納在kHz（千赫）的范圍內(nèi)，而超音波系統(tǒng)則在MHz（兆赫）范圍內(nèi)操作。 這些設(shè)備的原理幾乎與商業(yè)和軍用航空器所用的－數(shù)組天線雷達(dá)系統(tǒng)操作模式相同。雷達(dá)系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)者是使用相控操縱波束形成器數(shù)組為原理，這些原理后來也被超音波系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)者采用并加以改進(jìn)。
在所有超音波系統(tǒng)儀器中，都有一個(gè)多元轉(zhuǎn)換器在相對(duì)較長(zhǎng)的電纜（大約2公尺）的末端。電纜內(nèi)含高達(dá) 256 條微型同軸電纜，是超音波系統(tǒng)內(nèi)最昂貴的組件之一。超音波系統(tǒng)一般會(huì)配備多個(gè)不同的轉(zhuǎn)換器探頭，讓負(fù)責(zé)操作的醫(yī)務(wù)人員可以依掃描影像的現(xiàn)場(chǎng)需求來選擇適用的轉(zhuǎn)換器。
影像的產(chǎn)生
掃描過程的第一步，每一個(gè)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)產(chǎn)生脈沖訊號(hào)，并將訊號(hào)傳送出去。傳送出去的脈沖訊號(hào)以高頻率的聲波形式穿過人體組織，聲波的傳送速度一般介于1至20MHz之間。這些脈沖訊號(hào)開始在人體內(nèi)進(jìn)行定時(shí)和定標(biāo)偵測(cè)。當(dāng)訊號(hào)穿越身體的組織時(shí)，其中部分聲波會(huì)反射回轉(zhuǎn)換器模塊，并由轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)偵測(cè)這些回波的電位（轉(zhuǎn)換器將訊號(hào)傳送出去之后，會(huì)立即進(jìn)行切換，改用接收模式）。回波訊號(hào)的強(qiáng)度取決于回波訊號(hào)反射點(diǎn)在人體內(nèi)的位置。直接從皮下組織反射回來的訊號(hào)一般都極強(qiáng)，而從人體內(nèi)深入部位反射回來的訊號(hào)則極微弱。
由于健康安全相關(guān)法律對(duì)人體可以承受的最大輻射量有所規(guī)定，因此工程師PCB設(shè)計(jì)的電子接收系統(tǒng)必須極為靈敏。接近于人體表皮的病癥區(qū)，我們稱之為近場(chǎng) (near field)，被反射回來的能量是高的。 但是如果病癥區(qū)在人體內(nèi)的深處部位，稱之為遠(yuǎn)場(chǎng) (far field)，接收到的回波將極為微弱，因此必須被放大為1000倍或以上。
在遠(yuǎn)場(chǎng)影像的模式時(shí)，其效能限制來自于接收鏈路中存在的所有噪聲。轉(zhuǎn)換器/電纜組件以及接收系統(tǒng)的低噪聲放大器是兩個(gè)最大的外來噪聲源。 而近場(chǎng)影像模式下，效能限制則是來自于輸入訊號(hào)的大小。 這兩種訊號(hào)之間的比率決定了超音波儀器的動(dòng)態(tài)范圍。
通過一系列接收器的時(shí)相轉(zhuǎn)換、振幅調(diào)整以及智能型累計(jì)回波能量等過程，既可以獲得高清晰度的影像。利用轉(zhuǎn)換器數(shù)組的時(shí)移與調(diào)整接收訊號(hào)振幅的原理可以使設(shè)備具有定點(diǎn)觀測(cè)掃描部位的功能。經(jīng)過序列化的不同部位定位觀測(cè)，超音波儀器即可建立一個(gè)組合影像。
數(shù)字聚波可以完成訊號(hào)的組合處理。在數(shù)字聚波中，經(jīng)由身體內(nèi)某一點(diǎn)反射回來的回波脈沖訊號(hào)會(huì)在每一信道內(nèi)先儲(chǔ)存起來，然后按照其先后次序排列一起，并將之固定成為同調(diào)訊號(hào)，然后聚集起來。這種將多個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出聚集一起的處理方法可以提高增益，因?yàn)樾诺纼?nèi)的噪聲是互不相關(guān)的。（備注：模擬聚波技術(shù)基本已經(jīng)成為過時(shí)的方法，現(xiàn)代所采用的大部分為數(shù)字聚波）。影像的形成，是于最接近轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的仿真層取樣，將其存儲(chǔ)起來，再以數(shù)字化把它們聚集在一起而成。
DBF 系統(tǒng)需要精確的信道與信道匹配。兩信道均需要VGA（視頻圖形數(shù)組），這種情況將會(huì)持續(xù)，直到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)備足夠應(yīng)付大的動(dòng)態(tài)范圍，并可以提供合理的成本和低耗電量。
影像模式
1. 灰度影像的- 產(chǎn)生基本的黑白圖像
影像將被辨析成1毫米那么小的單位，呈現(xiàn)的影像是由發(fā)射能量以及檢測(cè)那些返回的能量而成 (如先前所述)。
2. 多普勒影像(Doppler)--多普勒模式 (Doppler mode) 是通過跟蹤回波的頻率偏移來探測(cè)物體在各種環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的速度。這些原理被應(yīng)用在檢查體內(nèi)血液或者其它液體在體內(nèi)流動(dòng)的情形。這種技術(shù)是透過發(fā)射一連串聲波進(jìn)入體內(nèi)，然后對(duì)反射波進(jìn)行快速傅利葉轉(zhuǎn)換(Fourier Transform, FFT)處理。這種計(jì)算處理方法即可確定來自人體的訊號(hào)頻率分量，以及它們與流體速度的關(guān)系。
3.靜脈和動(dòng)脈模式的- 這種方式是將多普勒影像與灰度模式的聯(lián)合應(yīng)用。通過處理多普勒位移產(chǎn)生的音效訊號(hào)即可獲得速率與節(jié)律。
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