一、概述⒈ 接收系统的主要作用 ( 1 )换能器接收灵敏度范围的控制 接收阵元 ( 位置 ) 转接 ( 线阵中 ) ;接收方向控制 (相控阵中 ) ;接收孔径变换;接收聚焦。 ( 2 )回波信号预处理 前置放大, TGC 放大,动态滤波,对数放大,检波, 边缘增强等。
第五章第五章超声回波的接收和预处理超声回波的接收和预处理
第一节 超声接收系统概况第一节 超声接收系统概况
⒉ 接收系统的位置及特点① 信号通道的前段——接收系统——模拟处理。② 信号通道中后段——数字扫描变换器——数字处理。信号通道:信号经过的从换能器至显示器的所有电路。
⒊ 接收系统典型结构框图( EUB-240 型线扫式 B 超)(双线箭头——多路信号;单线箭头——单路信号)
二、各部分的简要工作原理⒈ 探头
作用:声-电换能。发射-接收两用。结构: 80 阵元线阵, 二极管开关 , 以减少连线和前置放大器。
⒉ 前置放大器作用:放大微弱的接收信号,以利传输,提高信噪比。要求:外部干扰小,内部噪声低,灵敏度高,频带宽。数量:前置放大器有 16 路。
⒊ 接收多路转换开关作用:选择 16 路前置放大器输出中的 11 路──扫查。 并合成为 6 个信号—— F0-F5 。控制: RQA/ - RQE/ 码。
⒋ 可变孔径电路
作用:实现可变孔径接收。具体:近距离 ( 近场 ) 回波,用小孔径接收,波束窄。 远距离 ( 远场 ) 回波,用大孔径接收,以利聚焦。方法:随时间逐次开通孔径边缘信号 F2 、 F1 、 F0 。控制: AP0/ - AP2/ 信号。
⒌ 相位调整(接收聚焦电路)作用:接收灵敏范围的聚焦。方法:对 F0 - F5 各信号按二次曲线变化延迟,再相加。控制: FCN0 - FCN2 码,控制延迟变化的二次曲线曲
率, 也即控制聚焦焦距。
⒍ 增益控制和动态滤波
( 1 ) TGC 电路──时间增益控制技术 作用:补偿回波因深度增加而造成的衰减: I=I0e-2αx 方法:由 TGC 控制电压,控制压控放大器的增益,随接 收深度而上升。 结果:使近区增益适当小,远区增益逐渐增大。
( 2 ) DF── 动态滤波技术 作用:滤除近场过强的低频,和深部的高频杂波干扰。 方法:由 DF 控制电压,控制压控带通滤波器的通带中 心频率,随接收深度而下降。 结果:近场滤除低频,提高分辨力; 远场滤除高频,提高信噪比。
⒎ 对数放大器作用:压缩信号的动态范围,适配显像管的动态范围, 防止有用信息的丢失。动态范围:信号—— 100dB ,显像管——约 30dB ,特点:信号越大,增益越小。
⒏ 检波器作用:检出调制信号。射频信号→视频信号回波调制:超声振荡受矩形脉冲幅度调制。
⒐ 勾边电路(边缘增强电路)作用:增强视频信号的边缘,突出图像的轮廓,使之 便于识别和测量。控制: ENH信号,控制增强效果。
一、基本要求原因:阵元获取信号= 10-30μVp-p, 合成电路本身噪音>30μVp-p, 故需加前置放大器,以提高信噪比。路数:线阵 B 超,前置放大常为多路,各机型有所差异。 EUB-240 型 B 超有 16 路, EUB-40 型 B 超有 24 路。基本要求:( 1 )与探头馈线匹配良好。 馈线特性阻抗=前放输入阻抗。 否则:① 信号被反射入馈线,信号减弱。 ② 多重反射,造成图象重影。
第二节 前置信号放大第二节 前置信号放大
( 2 )动态范围大 前放动态范围=信号动态范围> 100dB , 不丢失有价值的信息。
( 3)功率增益 (P) 大 P= 10lgKP (dB) 其中, KP── 放大器功率放大倍数 P 大,则极限灵敏度高,信噪比高。 日立 EUB 系列 B 超,前放 P= 24dB 。
( 4 )噪声系数 (F) 小 F=输入端信噪比 / 输出端信噪比≥ 1 理想: F= 1 ,即放大器无附加噪声。 实际: F> 1 ,晶体管、电阻等总有噪声。 F 小,有限噪声灵敏度高,放大器动态范围大。
二、前置放大器电路1. 前置放大器之一东芝SAL系列线扫 B 超的前置放大器
特点分析
由三级直接耦合放大器组成。 A= 7( 17dB )① TR20 为射随器,使之与延时线负载阻抗匹配。② R62引入深度负反馈,展宽频带,提高稳定性。③ D33,D34组成双向限幅器,防止大信号阻塞放大器。④ + 15V,- 5V供电,使输出信号动态范围达 15V以上。⑤ 各级射极直流负反馈,稳定工作点,最小可辨信号小。⑥ L20 , C31 , C32 电源滤波,减小噪声。⑦ C25 高频补偿, C18耦合电容。
2. 前置放大器之二
日立公司 B 超常用的前置放大器。 EUB-240 型也用此。特点:① IC1是大动态、高稳定的集成运算放大器H724B01 。② D1 , D17组成双向限幅器,防止大信号造成放大器阻塞。③ L1 , R1 , C1 为高通滤波器。④ C17, C33, C148 , C149电源退耦电容。⑤ VR1 电位器可调节增益,设计增益 24dB 。
C33
一、回波合成法1. 直接合成法 方法:各阵元信号→孔径控制→聚焦延迟→相加合成。 优点:可不对称延迟,进行微角扫查。 缺点:路数多,设备量大。 实例: Aloka SSD-256 型 B 超仪用之。
第三节 第三节 超声回波信号的合成超声回波信号的合成
2. 二步合成法
方法:各阵元信号→对称合成→孔径控制→聚焦延迟→ 相加合成。条件:具有对称延迟特性(无偏向)。优点:孔径控制电路、聚焦电路减少一半。实例:日立 EUB 系列 B 超(如 EUB-240 )采用此法。
二、接收多路转换开关( 1 )组成 IC17- IC38 : 8 选 1 转接开关 TR2 - TR6 :倒相驱动管。( 2 )信号 输入: CH1 - CH16 :前放输出 , 输出: F0 - F5 :转接合成输出, 控制: RQA/ - RQE/ 码( 3)功能 从 16 路前置放大器输出中, 每次选通 11 路,并对称合成为 F0 - F5 的 6 个信号。 控制码变化,选择通路变化,实
现切换扫查。
( 4 )电路分析转接开关的使能端与 RQE,RQD 的连接,简化为图 5-7.RQE,RQD= 1,0或 0,1 ,有输出的芯片编号,如图 5 - 8 。
前置放大输出的转接合成关系 (HPi=CHi)
例如:① RQE/ - RQA/= 01111 ,经 TR2 - TR6倒相,为 10000 ,则 F0= CH1+CH11, F1= CH2+CH10, F2= CH3+CH9, F3= CH4+CH8, F4= CH5+CH7, F5= CH6② RQE/ - RQA/= 01110 ,经 TR2 - TR6倒相,为 10001 ,则 F0= CH2+CH12, F1= CH3+CH11, F2= CH4+CH10, F3= CH5+CH9, F4= CH6+CH8, F5= CH7
三、可变孔径电路⒈ 可变孔径的提出及其实现方法
( 1 )接收灵敏范围与孔径的关系 根据:发射与接收的互易性;发射超声场的结论。 ① 非聚焦: 近场:孔径越小,灵敏范围越小; 远场:孔径越大,灵敏范围扩散角越小。 ② 聚焦: 焦点处直径:
df= 2.44λF/D D─ 接收孔径 即:为使 df小,当 F 增大时, D 也应增大。
( 2 )方法 近场用小孔径,远场用大孔径——可变孔径技术。( 3)意义 近场、远场灵敏范围 ( 波束 )均较窄,横向分辨力好。
⒉ 可变孔径电路( 1 )组成及作用 MXIC :模拟调制分离器 A=“0”,X→X0, A=“1”,X→X1, X端 RC :低通滤波器; C :隔低频,通高频信号; L:隔高频,通低频信号。 D :二极管开关;( 2 )信号 F0-5 : 回波信号 ( 高频 ) AP0-2 :门控信号 ( 低频 )( 3)单路工作原理 因 D负极经 L,低频接地 AP=“ 1”: X= -8V, D截止
AP=“ 0”: X= +8V, D导通
( 4 )组合工作过程
由于,各阵元接收的回波信号对应为: F0~ F5——周边~中心因此,切断 F0 , F1 , F2 等信号进入回波合成电路,使周边阵元接收信号无效,即缩小了接收孔径。
( 5 )时间段计算举例
将探测深度分四段:近场,中场,远场Ⅰ,远场Ⅱ。分界距离: S1= 20mm, S2= 50mm, S3=90mm。由式: tKi=Si /VD= 2Si/c可算得各段时间: tK0≈117μs, tK1≈65μs, tK2≈26μs
四、接收相位调整电路(接收聚焦电路)⒈ 作用
对各阵元接收的回波信号进行延迟调整(二次曲线变化),使焦点处回波达到同相位叠加。 其实质是换能器空间灵敏范围的聚焦。
⒉ 分段聚焦的类型① 非实时分段动态聚焦: 多次发射,多次接收。发射与接收同焦距,每次固定。② 实时分段动态聚焦: 一次发射,一次接收。发射固定焦距,接收动态焦距。
⒊ 实时分段动态聚焦原理( 1 )简述:以超声探查速度,同步分段地移动焦点。( 2 )例——接收实时 4 段动态聚焦: 若对应距离 z1,z2,z3,回波所需时间为 t1,t2,t3。则:
回波接收过程:① 0~ t1 时间: 接收 0~ z1 内回波,用 4 - 8 阵元,焦点 N ,波束如 (Ⅰ) 。② t1~ t2 时间: 接收 z1~ z2 内回波 , 用 3- 9阵元,焦点M,波束如 (Ⅱ) 。③ t2~ t3时间: 接收 z2~ z3内回波 , 用 2 - 10 阵元,焦点 F1 ,波束如 (Ⅲ) 。④ t3以后时间: 接收 z3以外回波,用 1 - 11 阵元,焦点 F2 ,波束如 (Ⅳ) 。可见:有效接收范围如图中粗线所围区域,有四个焦点。
⒋ 接收聚焦电路 ( EUB-240 型 B 超所用)
( 1 )电路组成 DL1 - DL5 :模拟延时线。 IC39- IC43:多路转接开关。( 2 )信号 输入:接收回波信号 F0 - F5 。 输出:合成信号。 控制:聚焦码 FCN0-2/ 。( 3)功能 对各阵元接收回波信号经 二次曲线变化延迟,相加合 成为一个信号。 聚焦码控制二次曲线曲率, 即焦距。与可变孔径电路, 协同完成接收动态聚焦。
( 4 )各控制状态下的延时关系有两种频率 (3.5MHz, 5MHz) ,各 4 个焦点,共 8 个焦点。(书中数值有误 )
一、时间增益补偿( TGC )电路 ⒈ 实现时间增益补偿的意义及方法
( 1 )补偿的意义 由于超声波随传播距离(时间)的衰减,使相同反射系
数的界面近距离反射强,远距离反射弱,若不给予补偿,则图像将随深度(时间)而逐渐变暗。
时间增益补偿:控制放大器增益随探测深度(时间)的增加而加大,以补偿超声随传播距离的衰减。
( 2 )各种名称 时间增益补偿 (Time Gain Compensation——TGC) 深度增益补偿 (Depth Gain Compensation——DGC) 灵敏度时间控制 (Sensitivity Time Control——STC)
第四节 预处理电路第四节 预处理电路
( 3)补偿原理 ∵声传播强度与时间 ( 距离 ) 的关系: I= I0e-2αx= I0e-2αct —— 时间负指数关系。 声 - 电转换、前置放大等——时间线性关系。 经声 - 电转换、前置放大等处理,回波信号仍是: —— 时间负指数关系。 ∴可用时间正指数放大补偿。
( 4 )实际情况及措施
上述分析忽略了多种因素,仅为大致的补偿关系。Ⅰ.实际情况的复杂性 ① 受超声工作频率的影响 ∵α=βf, ∴ f↑→α↑,频率高,衰减快。 ② 多重界面反射的影响 实际常有多重界面,回波穿过界面越多,强度越弱。
③ 临床诊断感兴趣深度的不同 临床对同一患者不同部位,或同一部位不同患者, 成像时关注深度往往有所不同。Ⅱ.对策 TGC 控制波形=指数波形 ( 可变速率 )+修正波形 操作者可调节:指数波形速率,修正波形形状 ——根据实际情况,通过面板按钮、电位器操作。
TGC
Gain
Dynamic Range
Focus
Depth
( 5 )电路框图
① TGC 电压发生器 产生一个随接收时间(深度)而变的 TGC 控制电压, 用以控制可变增益放大器的增益变化。 操作者由面板输入调节量,可调整 TGC 电压的波形, 实现临床干预 TGC 过程。
② 可变增益放大器 在 TGC 电压控制下,放大器增益可变,对不同时间 (深度)的回波信号有不同的放大量。
⒉ TGC 电压产生电路 通常: TGC 电压波形=指数电压波形+可调电压波形( 1 )可调电压波形受调节的型式: ① 斜率控制型 可调电压的大致形状不变,但参数可由面板调节。 其中增益“台柱”用来增强特定深度的回波。 ② 距离增量控制型 整个探测深度分成 n段 (如n=8) ,每段一个控制点, 由面板上的滑杆电位器调节。调节值连线,即是可 调电压波形。见书 P277。
( 2 ) TGC 电压产生电路
有多种型式。数字合成式函数发生器适用性强,目前较多。① 基本原理 ROM中存 TGC 电压函数值,在回波接收过程中: 逐一读出函数值→ D/A→各点电压连接→ TGC 电压波形 函数值寻址地址 A0 - A9,由加法计数器计数产生。
② TGC 波形的改变调整手段a) 制造时预先设计在 ROM中 在 ROM的不同区域,预先存入不同的波形函数值, 工作时根据情况选择。有八种 TGC 曲线供选择。 A12= FCN2= 0 ( 3.5MHz探头), 1 ( 5MHz探头) A11= ZOOM= 0 (电子放大率 1 ), 1 (电子放大率
2 ) A10= FAR = 0 (近程), 1 (远程)
b)操作时随机调节 调节附加在 ROM中读出的固定函数曲线之上。 调节输入:操作者→面板(滑杆电位器) 仪器产生:修正数据 GAIN0-7, 修正方法: TGC 波形= ROM数据+修正数据 GAIN0-7
③ 波形
可调
⒊ 增益控制电路(可变增益放大器)
( 1 )控制放大器增益的方法
① 改变放大器的偏置 右图因晶体管 ( 一定范围内 ) : β∝Ib 从而: TGC 电压→ Ib→β→A
② 改变放大器的反馈 右图由于晶体管: Rce∝1/Ib 而: A=- Rce/R , 从而: TGC 电压→ Ib→Rce→A
R
③ 串入电控衰减器右图电路的总增益为: A= G1· G2
其中: G1> 1—— 放大器 G2< 1—— 衰减器。若 TGC 电压控制下, G2 可
变,即能起 TGC 作用。a) 衰减器基本结构 (右图 ) Uo= (R2/(R1+R2))Ui G= Uo/Ui = R2/(R1+R2) ≤1
b) 电控变阻元件 Ⅰ) 二极管 ∵ I= Is(eVq/KT-1) 其中: Is——反向饱和电流, K—— 波尔兹曼常数 q—— 电子的电荷量, T——绝对温度 ∴ V= (KT/q)ln(I+Is) RD=dV/dI = (KT/q)/(I+Is) ≈(KT/q)/I (∵I>>Is) ∴ RD∝1/I Ⅱ )晶体管 Rce∝1/Ib Ⅲ) 场效应管 RDS∝1/VGS
c) 电控衰减器举例
以上: (a)串联二极管型, (b) 并联二极管型, (c) 并联场效应管型说明: 由于:回波信号——高频, 控制信号——低频 利用: L——隔高频通低频、 C——隔低频通高频, 可防止:回波信号-控制信号——相互干扰。
( 2 )可变增益放大器实例
① TR19—— 第一级放大② TR20 , TR21—— 具正向压控增益特性的双栅极场效应管放大器。 控制 G1 、 G2 电位可控制场效应管的跨导,从而改变放大器增益。 VR17调节 G1 电位——静态增益调节。 TGC 电压控制 G2 电位—— TGC 控制。③ TR22 , TR23为——射极跟随器。
④ TGC 作用下的场效应管特性曲线
TGC 控制电压↑→工作点 Q沿 ID - VG 曲线↑→斜率↑→增益↑如:近场 (t1~ t2) ,回波强 (Vi1 , Vi2) ,但增益小,信号压缩。 远场 (t3~ t4) ,回波弱 (Vi3 , Vi4) ,但增益大,信号放大。
二、动态滤波( Dynamic Filter: DF )电路⒈ 动态滤波的意义 ( 1 )原因 超声传播时: I=I0e-2αx, α=βf 所以:高频↓快,低频↓慢, 造成:探测距离↑→信号 f0↓(f0 —频谱中心频率 ) ( 2 )接收频带范围固定的不利 接收电路 f0<信号 f0→高频损失→分辨力↓ 接收电路 f0>信号 f0→噪声增加→信噪比↓ ( 3)动态滤波的过程和意义 随探测距离↑→接收电路的 f0↓, 近区:选通高频,抑制低频→分辨力↑; 远区:选通低频,抑制高频→信噪比↑。
⒉ 动态滤波 (DF) 电路
动态滤波,也就是通频带可变的带通滤波器。
( 1 )电路结构及特性
如图: Dc为变容二极管, L、 C1 、 Dc构成 LC 并联回路。 当信号频率 f等于回路谐振频率 f0 时,回路阻抗 Z0最大。
此时电路(可看成 R与 Z0 构成的衰减器)对信号的衰减最小,输出 Uo最大。当f≠f0 时,输出 Uo减小。 f0 —— 也称为滤波器通带中心频率。
CR
LZ
00
10
1
1,
2D
D
C Cf C
C CLC
( 2 ) DF 工作过程由于变容二极管的反偏结电容 CD 电压特性: E↑→CD↓所以在回波信号接收过程中:D↑→DF 电压↓→ CD↑→C=C1CD/(C1+CD)↑→滤波器 f0↓
EDc
( 3 )动态滤波电路实例
如图为 EUB-27所用带通滤波器。V1 、 V2—— 变容二极管 并联目的:增大电容变化量→增大频率控制范围。 反偏结电容变化范围: 30PF(9V) - 400PF(1V) L、 C1 和 V1 、 V2组成 LC 选频网络。
⒊ DF 电压发生器( 1 ) DF 电压的取值范围和变化规律
由以下因素确定 ① 变容二极管的变容特性。 ② 被探测介质(人体)对超声衰减的频率特性。 ③ 探头工作频率(频谱中最强分量频率)的变化。 ④ 观察视野的移动。 ⑤ 图像电子放大与否。 可见,后三种因素是不确定的,由操作者决定。 故 DF 电压也应是可变的,由操作者临时确定。
( 2 ) DF 电压发生器电路形式
可有多种形式,由于波形的可变性,在微机化 B 超 中,用数字函数发生器获取 DF函数电压比较方便。
( 3 ) DF 电压发生器实例 (EUB-240B 超用 )
① 电路组成 IC42 :驱动器, 74HC244 。 IC44 : D/A 转换器。 DAC-08CN 。 IC46 :流压变换器, TL081 ,有滤波回路。 R150 、 L2 、 C156 :低通滤波器,平滑输出波形。
② 工作过程 CPU 以一定速率送出数据 DDF0-4(5 位 ) ,经驱动器后, 由 D/A 转换成模拟电流输出,再流压变换成电压。 各数据电压相连,经滤波光滑,形成 DF 电压波形。 CPU送出不同数据可得不同波形。
③ 波形图 接收期, DF 电压以近似指数规律下降。周期性变化。
⒋ TGC 和 DF综合实例( EUB-240 中用)
动态滤波电路设置在两个虚线框内。L20 、 C212 、 C136 和变容二极管 D37、 D38组成选频槽路。L21 、 C213、 C150 和变容二极管 D39、 D40组成选频槽路。
三、对数放大器 1. 对数放大的意义
( 1 )原因 ∵回波信号动态范围: LD> 100 dB 显像亮度动态范围: LD= 20~ 30dB 若直接显示: 强信号图像一片模糊 弱信号图像星星点点 如同胶片曝光太过和曝光不足。 ∴需要压缩信号动态范围: 100dB→20~ 30dB 同时,并不丢失亮度信息。 对数放大器能起到这样的作用。
信息淹没、丢失
(2)对数放大器的特性
① 输入、输出关系 uo=K1lg(K2ui)=K1lgK2+(K1/20)(20lgui) 其中: K1─斜率, K2─ 对数偏差。② 输入、输出关系曲线
均匀座标系中:斜率递减、数值递增曲线。 输入对数座标/输出均匀座标系中:递增直线。
③ 对数放大器参数的外部调整原理
对于对数放大器: Vo= K1lg(K2Vi)经如上前后线性放大后,输入输出关系: uo= G2K1lg(K2G1ui)其中: G1 , G2—— 线性放大器增益令: K1’= G2K1
K2’= G1K2
则: uo= K1’lg(K2’ui)故可:改变 G1 、 G2→改变 K1’ 、 K2’
Vo=K1lg(K2Vi)G1 G2ui uo
G1ui K1lg(K2G1ui
)G2K1lg(K2G1ui)
④ 小信号放大特性的修正 当 ui= 0 时: uo=K1lg(K2ui)= -∞ ——不可实现 实际的对数放大器,小信号时: u0=K3ui —— 线性放大⑤ 动态范围压缩特性 当线性 - 对数放大特性平滑过渡时,可推得: LDo= 1+lnLDi
其中: LDi= uimax/uimin —— 输入信号动态范围 LDo= uomax/uomin —— 输出信号动态范围 一般: LDi> 1 , 右图可见: LDo< LDi
即:可压缩信号 的动态范围。
LDo= 1+lnLDi
LDo= LDi
1
10
LDo
LDi
2. 对数放大和 TGC 放大的比较和关系(1)动态压缩比较 ① TGC 放大 浅部信号 (含 Umax) 增益小: UOmax= A1Uimax , A1
小 深部信号 (含 Umin) 增益大: UOmin= A2Uimin , A2 大 ∴ UOmax/UOmin= A1Uimax/A2Uimin< Uimax/Uimin
也有压缩信号动态范围的作用。 但中间信号并不按比例压缩。 ——总动态范围压缩。 ② 对数放大 增益只与 Ui有关,与时间无关。 信号全部按一定规律压缩。 ——瞬时动态范围和总动态范围全面压缩。
(2)位置安排的影响 ① 先 TGC 放大,再对数放大 TGC 放大压缩信号动态范围: 100dB→60dB 要求对数放大器: LDi= 60dB ,电路可简化。② 先对数放大,再 TGC 放大 要求对数放大器: LDi> 100dB 。 ∵输入信号伴有随传播距离 ( 时间 ) 的指数衰减: I= I0e-2αx = I0e-2αct
经线性声 - 电变换和放大得: V= V0e-2αct ——时间指数衰减 ∴经对数放大: U=K1lg(K2V0e-2αct) =K1lg(K2V0)-2K1αctlge—— 时间线性衰减 这使 TGC 简化——线性补偿, TGC 电压产生电路简
化。
3. 基本对数放大器电路原理(1)二极管特性 I= Is(eVq/KT-1) 室温下( 20℃), KT/q≈26mV 当 V>>KT/q时,可有: I≈IseVq/KT
或: V≈(KT/q)ln(I/Is)(2)基本对数放大器 (如图 ) ∵ I= Ui/R= ID
∴ UO= -VD
= -(KT/q)ln(I/Is) = -(KT/q)ln(Ui/IsR) 但是,二极管对数工作的动态范围很窄, 温度稳定性,频率稳定性,也不理想。
4. 宽输入动态范围对数放大器的结构(一)概述 (1)特性要求 作用:压缩宽广的信号动态范围 要求:有宽广的输入动态范围。 (2)名称及含义 名称:似对数放大器 含义:以多段直线或曲线相加──近似对数函数。 它与真正的对数放大之间有一定误差。 (3)结构和类型 以多级限幅放大器构成: 线性限幅放大器 串联相加
非线性限幅放大器 并联相加
①②③④
(二)串联相加型对数放大器
(1)单级限幅放大器特性 图中: L1 , L2 ,…, LN——限幅放大器,特性相同。 若放大区为线性,则可写为: 0 , Vi< 0 截止区 Vo= KVi , 0≤Vi< VT 线性放大区 Vm , Vi≥VT 限幅区 其中: K> 1 (放大), Vm=KVT
(2)电路总体输入输出关系 ① 分析 ∵K> 1 ,故限幅放大器放大区有: Vo>Vi 则当信号很小,各级限幅放大器都在放大区时: Vop>Vip, P= 1,2,3,…,N ∴当信号由小变大时,总是最后一级先进入限幅区, 并向前依次逐级进入限幅区。 每增加一级限幅, uo的增益减小 KN-P ,数值增加 Vm。
② 电路总体输入输出关系式
ou
0
N
0j
ji Ku
m
1N
0j
ji VKu
m
2N
0j
ji 2VKu
m
PN
0j
ji PVKu
m
1
0j
ji V1)(NKu
mi NVu
0ui
1NT
i KV
u0
2NT
i1NT
KV
uKV
3NT
i2NT
KV
uKV
1)(PNT
iPNT
KV
uKV
TiT VuKV
Ti Vu
┆
┆
┆
┆ N210P ,,,
③ 电路总体输入输出关系曲线上式表明: 此放大器输入输出关系呈多段折线。 输入信号越大,对应直线斜率越小。(如图)
(3)误差分析 分析此函数与标准对数函数间的误差。① 标准对数函数的特征 对于对数函数 :
uo=K1lg(K2ui) 如输入一组公比为 R 的等比量: uiP/uiP-1= R , P= 1,2…N 则输出: uoP - uoP-1=K1lg(K2uiP) - K1lg(K2uiP-1) =K1lg(uiP/uiP-1) =K1lgR 为一组公差为 K1lgR 的等差量。
② 与标准对数函数之间的误差令函数折线各拐点对应的输入和输出为: uip, uop, P= 1,2…N则: ——等比量
∴当K>>1时,曲线各拐点在对数曲线上。
KKV
KV
uu 1)(PNT
PNT
1ipip
1)-(PN
0jm
j1)-(PN
TPN
0jm
jPN
T1opop 1)V-(PK
KV
PVKKV
uu
时)近似等差量—( 1KVKV
V
VKKKV
m
1PNT
m
m
1PN
1j
1PN
0j
jj1PN
T
(三)并联相加型对数放大器(1)框图
图中: A1,A2,…,AN——N 个线性放大器。 L1,L2,…,LN——N 个限幅放大器,特性相同。 Σ—— 为加法器。
(2)单级限幅及线性放大器特性① 限幅放大器 假定放大区为线性,可有: 0 , Vi< Vs 截止区 Vo= KVi-δ, Vs≤Vi< VT 线性放大区 Vm , Vi≥VT 限幅区 其中: δ=KVs, Vm=KVT-δ 线性区动态范围为: lDi= 20lg(VT/VS)② 线性放大器 放大倍数均为 A , A=VT/VS 即: 20lgA= 20lg(VT/VS)= lDi
(3)电路总的输入输出关系① 分析 ∵ A=VT/Vs> 1 ∴ Aui< A2ui< … < AN-Pui< … < ANui 当任一级输入: AN-Pui=Vs, 刚进放大区时, 其后一级输入: AN-P+1ui= AVs=VT ,刚进限幅区。 即:相邻两极同时进行状态变化——类似接力。 故任一时刻仅一级放大,其前均截止,其后均限幅。 若有 P级限幅,则 uo 的增益下降 AP倍,数值增加 PVm。
② 电路总的输入输出关系式
ou
0
δuKA iN
mi1-N VδuKA
mi2 2)V(NδuKA
mi 1)V(NδKAu
mNV
miP-N PVδuKA
┆
┆
NS
i AV
u
1NS
NT
iNS
AV
AV
uAV
2NS
1NT
i1NS
AV
AV
uAV
1)(P-NS
P-NT
iP-NS
AV
AV
uAV
AV
AV
uAV S
2T
i2S
AV
uAV T
iS
AV
u Ti
P=0,1,2,…,N-1
┆
┆
③ 电路总的输入输出关系曲线
上式表明: 此输入输出关系曲线也是多段折线。 输入越大,对应折线斜率越小,放大器增益越小。uo
ui0 ui1 ui2 ui3 ui4 ui5
uo1= Vmuo0= 0 ui
A=2N=5
N=4
N=3
N=2
N=1
VT/AVs/A
Vs/A2…Vs/A3
uo2=2Vm
uo3=3Vm
uo4=4Vm
uo5=5V
m
(4)误差分析分析此函数与标准对数函数间的误差。令函数折线各拐点对应的输入和输出为: uip, uop, P= 0,1,2…N (如上图)
∵
∴折线各拐点完全符合对数关系,误差为零。 若拐点之间以对数曲线连接,将非常理想。
—等比量—AAV
AV
uu 1)-(PNS
PNS
1ipip
m1)(PN
S1)(PNmPN
SPN1opop 1)V(Pδ
AV
KAPVδAV
KAuu
—等差量—mV
(5)对数放大输入动态范围① 以上,对数放大有效范围在 Vs/AN - VT/A之间。
为单个限幅放大器动态范围的 N倍──动态范围扩大。 这是以减小 uimin,向小信号方向扩展(用放大器)。 也可以扩大 uimax ,向大信号方向扩展(用衰减器), 或双向扩展。如图:
ST/VVA
DiS
T
N
S
TNST
Di lNVV
20lgNVV
20lgAV
AV
20lgL
② 多级相加动态范围扩展图例:
)VV20lg(l STDi Di2l
Di3lDi2l
Di3l
Di5lDi4l
Di2l
AVS
2S
AV
SV TV TAV T2VA
L5
L4
L2
L1
uo
5Vm4Vm3Vm2Vm1Vm0
ui
L3
5. 集成对数放大器 TL441 现代 B 超通常采用集成对数放大器, TL441应用最普遍。 产品公司: 美国德克萨斯仪器公司( Texas Instrument Inc)(1) TL441 的内部电路图
(2)电路分析如图为一半电路。① 组成 T1-T2 ; T3-T4 ; T5-T6 ; T7-T8 : 四级差分放大器。 T11,T12,T13,T14 : 射极恒流源负载。 T9,T10 : 差分输出级。 电阻: R1= 590 Ω R2= 2.73 KΩ R3= 590 Ω R4= 147 KΩ
② 单级差分放大器工作原理∵
假设: Is1= Is2 ── 管子对称, ui=Vb1-Vb2=Vbe1-Vbe2 则:或:其中:再令:射极恒流源电流为 Ik,则:∴
∴
q/KTVs1
q/KTVs1e1c1
be1be1 eI1eIII q/KTV
s2e2c2be2eIII
,Xq/KTUc2c1 eeII i
q/KTuX i
ke2e1c2c1 IIIII
Xk
c1 e1I
I
Xk
c2 e1I
I
,Xc2c1 eII Xc1c2 eII
k2X-2X
2X2X
kX
X
Xk
Xk
c2c1 Ieeee
I1e1e
e1I
e1I
II
)2KTqtanh(uI2)(XtanhI ikk
Ic1 Ic2
Vb1 Vb2
Ie1 Ie2
Ik
IC1-IC2与 ui 关系的归一化曲线: (取: KT/q= 26mV)
特点:非线性限幅函数。分区:对数区: ui= 13mV~ 75mV(≈ 15dB )。 (在对数 - 线性座标系中,曲线线性段 ) 线性区: ui< -40dB. 限幅区: ui> -20dB.
③ 级联关系Ⅰ.输入级联 T1-T2与 T3-T4 : R2,R3衰减量为:
Ⅱ.输出级联 uo=VY+-VY-
= (V+-Ic9R9)-(V+-Ic10R10) = (Ic10-Ic9)R ≈ (Ie10-Ie9)R = ((Ic1+Ic3+Ic5+Ic7)-(Ic2+Ic4+Ic6+Ic8))R = ((Ic1-Ic2)+(Ic3-Ic4)+(Ic5-Ic6)+(Ic7-Ic8))R
∴T9,T10 :流压变换,合成差分电压输出
15dB
590102.73590
20lg
RRR
20lg
3
32
3
④ 总体框图
∵每级对数动态范围= 15dB ,级间衰减= -15dB ,∴两级组合对数放大输入动态范围: LDi=30dB 。 ——非线性限幅并联相加型对数放大器CA2,CA2’,CB2,CB2’:对数线性度调节,以利匹配。
6. 集成对数放大器 TL441在 B 超中的应用(1)一个实用对数放大器的方框图
非线性限幅并联相加型对数放大器 对数放大输入动态范围: LDi= 4×30dB= 120dB
( 2 ) EUB-240 型 B 超用对数放大器
TL441 小动态应用实例① 适用:先 TGC ,后对数② 要求: IC 线性增益= 30dB③ 输入动态范围 : 理论: LDi= 2×30= 60d
B 实际: LDi≈50dB 因对数放大动态范围 之外有过度区,与前述 的理论分析之间产生误 差。④ 输出动态范围: LDo= 27dB
⑤ 电路输入输出关系曲线
对数放大输入动态范围限制因素: 下限:主要受噪声电平和线性 - 对数过渡点限制。 上限:主要受限幅电平限制。
三、检波电路1. 概述
① 检波定义:振幅调制波的解调——信号包络检波。② 信号包络含信息 包络大小——界面反射的强弱, 包络时间——反射界面的距离。③ 信号称谓 检波前——射频信号;检波后——视频信号。 ④ 检波方框图
非线性器件:二极管、三极管、集成运算放大器。⑤ 检波类型 a)峰值包络检波:输出反馈到二极管两端。二极管。 b)平均包络检波:输入与输出隔离。三极管、运放。
2. 二极管峰值包络检波电路
(1)基本型 ① 原理 当 Ui> Uc时, D导通, C充电。 τ= RDC ,小,充电快。 当 Ui< Uc时, D截止, C 放电。 τ= RC , 大,放电慢。 形成 Ui的峰值包络输出。 ② 要求 RC 选值恰当。 太小:放电太快,不能检出包络——失效。 太大:放电太慢,包络拖尾——惰性失真。 因超声调制与载波信号频率接近,使 R 、 C 选择困难。
充电 放电
(2)二极管全波峰值包络检波
① 原理 差分输入,正半周 D1 检波,负半周 D2 检波。② 优点 a.电容充电时间增加一倍,放电时间不足一半。 元件参数更易选取。 b.高频纹波是载频的两倍,更易滤除。 c.传输系数提高,并可偏置调节,此可进行 TGC 控制。
3. EUB-240 检波电路① 组成 IC46 :差动放大器 IC47:低通滤波器 D41,D42 : 检波二极管 C165,C166 : 耦合电容 R87:检波负载电阻 D43:偏置二极管, 克服检波管死区 L23,L24 : 偏置引入电感 , 通低频阻高频。
② 工作原理
等效电路见图 (b) 差动放大器输出差动信号a. 正半周: 输出→ R87→D42→C166 。b. 负半周: 输出→ R87→D41→C165 。 ——全波整流 R87上,得负向整流电压。 经 IC47低通滤波后,检出 信号平均值——平均包络。各点波形见图 (c) 。
四、边缘增强电路⒈ 原理
(1)名称 边缘增强,勾边,或称: 快时间常数( Fast Time Constant——FTC )处理。(2)处理对象和目的 对象:视频信号。 目的:锐化图像,增强图像轮廓。以利识别、测量。(3)基本原理 对信号频谱:增强高频成分,减弱低频成分。(4)方法 ① 微分相加法:原始信号+原始信号的微分信号。 ② 积分相减法:原始信号-原始信号的积分信号。 ③ 带通滤波器:通高频信号,减弱低频信号。
(5)微分相加法电路
如图 (a) :① 组成 R0 、 C0 :微分器 IC : 倒相加法器② 原理 uo= -(K1ui+K2dui/dt)③ 调节 W:调节相加比例。④ 波形如图
(6)积分相减法电路如图 (b) :① 组成 IC1 :带限幅积分器 限幅值= -(R2/R1)ui IC2 :倒相加法器② 元件作用 D2 :禁止负向输出 , 半波整流。 D1 :负向输出时反馈, 防止开环过载。③ 原理
dt)uτK
u(Ku i2
i1o
⒉ EUB-240 边缘增强电路
① 组成 IC48 、 IC49:限幅积分器; IC50 :加法器; IC51 :三路 2 选 1 模拟开关。② 原理
电路具有:积分相减——边缘增强 微分相减——边缘减弱(防止过增强)。③ 控制 ENH/ 控制开关,改变参数,控制边缘增强程度。 开关与参数关系: X→VX; Y→KC ; Z→τB
)V)VdtVτ1
(K)VdtVτ1
(KdtdV
KV(K
)V)VdtVτ1
(K)VdtVτ1
(KV(KdtdV
K
)VVKVKV(KVKV
RYiiC
CXiB
Bi
DiA
RYiiC
CXiB
BiAi
D
RCCBBAADDo
超声作业一、是非题
1 .若一台 B 超仪的工作频率为 3MHz ,则其脉冲重复频率为 3MHz 。
2. 电子聚焦技术用在接收时可使回波超声场发生会聚作用。
3. 据B型超声仪的成像原理可知,图像中越明亮的区域反映了组织中该区域的特性阻抗越大。
4. 介质的声阻抗率越大,其中的声速越低。
5. 可对肺部进行超声检查。
6. M 式显示是运动显示,故探头要进行扫查。
7. 超声的工作频率越高,在人体组织中的作用距离越大。
8 .若一台 B 超仪的图像由 128 根超声扫线组成,其M式图像由这 128根扫线之一形成。
9. 如果超声换能器背面不加背衬材料而悬空,则将不利于成像。
10. 纵波是一种疏密波。11. 频率和波长在超声成像中是两个极为重要的参数,波长决定了成像的组织深度,而频率则决定了可成像的极限分辨率。
12. 超声诊断仪换能器中压电体的作用是电 - 声转换。
13. 改变激励脉冲的时延,就可调节焦距,从而获得动态电子聚焦。
14. 虽然采用多阵元组合发射实现了电子聚焦和动态电子聚焦,但也使得换能器的有效孔径增大。
15. 在电子相控阵中不仅发射要偏转,接收时也要偏转。
16. 超声脉冲有效持续时间越短,成像的分辨率越高。
二、选择题
1. 提高超声工作频率可使 ____________ 。A .探测深度增加 B .图像帧频提高C .图像分辨率改善 D .超声脉冲重复频率提高
2. 以下人体部位中 __________ 部位适用超声成像。A .脑 B .眼 C .耳 D .胃
3. 发射聚焦电路是 ________________ 。A .一路进一路出 B .多路进多路出C .一路进多路出 D .多路进一路出
4. 各阵元信号不同延迟之后,发射聚焦效果的获得是通过 ______ 。A .电路中各路发射信号叠加 B .介质中各阵元发射声波叠加C .电路中各路接收信号叠加 D .介质中各阵元接收声波叠加
5 .改变聚焦控制码,将使各阵元对应信号延迟变化率 __________ 。A .按线性改变斜率 B .按指数型改变速率 C .按对数型改变斜率 D .按二次曲线型改变曲率
6. 针对超声传播过程中的信号衰减要用 ___________ 。 A . DF 技术 B . FTC 技术 C . DSC 技术 D . TG
C 技术
7. 换能器电子聚焦时,各阵元延迟变化是 _______________ 。A .边缘延迟长、中间延迟短 B .边缘延迟短、中间延迟长C .一侧延迟长、另一侧延迟短 D .均匀延迟
8. 电子相控阵探头只实现偏转时延迟线是 _______________ 。 A .指数变化 B .对数变化 C .二次曲线变化 D .线性
变化
9.B 型超声成像的信息特点是 _______________ 。A .组织密度像 B .组织声阻抗率像 C .组织超声反射特性像 D .组织超声衰减率像
10. 线阵多阵元组合工作的原因之一是 ________________ 。A .扩展频带宽度 B .扩展接收动态范围C .可实现电子聚焦 D .提高工作可靠性
11. 超声成像的优点之一是 _______________ 。A .能对任何脏器成像 B .能从任何部位探查脏器 C .对不同密度的软组织鉴别力强 D .对不同声阻抗率的软组织鉴别力
强
12. 动态电子聚焦,每次接收 _____________ 。A. 仅一个焦点 B. 总有多个焦点 C. 可没有焦点 D. 可有一个或多个焦点
13 .接收聚焦电路是 __________________ 。A. 一路进一路出 B. 多路进多路出C. 一路进多路出 D. 多路进一路出
14.TGC 技术要求可变的 _________________ 。A .焦距 B .通频带 C .孔径 D .增益
三、超声换能器在如图坐标系中扫查,且声束始终在 y方向,扫查方式如表。试根据各种显示方式显示屏各方向及亮度的意义,在表中适当位置填入字母: x 、 y 、z 、 u 、 t ,以说明对应关系。其中: x 、 y 、 z——坐标, u—— 回波信号强度, t—— 时间。
X
Y
Z
换能器u
声束
显示方式
A
B
C
M
扫查方式
固定
X方向线扫
X-Z平面内扫
固定
屏水平方向 屏垂直方向 屏幕亮度
四、.如图小球在水中作水平振动,超声换能器在水面探查。试画出A式,B式和M式显示的图形(假定B式显示时换能器作扇形扫查)。
探头
A式 B式 M式
水槽
小球
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