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      PCB設計的轉換器介紹

          高速模擬/數字轉換器 (High speed ADC) 通常是模擬前端PCB電路系統里最基本的組成組件。由于模擬/數字元轉換器的性能決定系統的整體效能表現,因此系統制造商往往將模擬/數字轉換器視為最重要的組件。本文將詳細介紹超音波系統前端的運作原理,并特別討論模擬/數字轉換器在其中所發揮的作用。
          在PCB設計超音波系統的前端PCB電路時,制造商必須審慎考慮幾項重要因素,以便進行適當的取舍。醫務人員能否作出正確的診斷,乃取決于模擬PCB電路在這個過程當中關鍵性的作用。模擬PCB電路的表現則取決于許多不同的參數,其中包括通道之間的串音干擾、無雜散訊號動態范圍 (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,必須詳細考慮這些參數。
          以模擬/數字轉換器為例來說,如果加設串行 LVDS 驅動器等先進PCB電路,便可縮小PCB電路板,以及抑制電磁波等噪聲的干擾,有助于進一步改善系統的PCB設計。微型化、高效能及功能齊備的超音波系統產品的制造,造成市場上持續要求生產低耗電模擬IC,使其具備與放大器、模擬/數字轉換器和小封裝的更佳整合。

       系統概述

          超音波影像系統是目前最常用而又最精密的訊號處理儀器,可協助醫務人員作出正確診斷。在超音波系統的前端,采用極度精密的模擬訊號處理PCB電路,像是模擬/數字轉換器及低噪聲放大器(LNA)等,而這些模擬PCB電路的表現是決定系統效能的關鍵因素。
          超音波設備非常接近于雷達或聲納系統,只不過是在不同的頻率帶(范圍)中操作。 雷達操作于GHz(千兆赫)的范圍中,聲納在kHz(千赫)的范圍內,而超音波系統則在MHz(兆赫)范圍內操作。 這些設備的原理幾乎與商業和軍用航空器所用的-數組天線雷達系統操作模式相同。雷達系統的PCB設計者是使用相控操縱波束形成器數組為原理,這些原理后來也被超音波系統PCB設計者采用并加以改進。

          在所有超音波系統儀器中,都有一個多元轉換器在相對較長的電纜(大約2公尺)的末端。電纜內含高達 256 條微型同軸電纜,是超音波系統內最昂貴的組件之一。超音波系統一般會配備多個不同的轉換器探頭,讓負責操作的醫務人員可以依掃描影像的現場需求來選擇適用的轉換器。

         影像的產生

         掃描過程的第一步,每一個轉換器負責產生脈沖訊號,并將訊號傳送出去。傳送出去的脈沖訊號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。這些脈沖訊號開始在人體內進行定時和定標偵測。當訊號穿越身體的組織時,其中部分聲波會反射回轉換器模塊,并由轉換器負責偵測這些回波的電位(轉換器將訊號傳送出去之后,會立即進行切換,改用接收模式)?;夭ㄓ嵦柕膹姸热Q于回波訊號反射點在人體內的位置。直接從皮下組織反射回來的訊號一般都極強,而從人體內深入部位反射回來的訊號則極微弱。

         由于健康安全相關法律對人體可以承受的最大輻射量有所規定,因此工程師PCB設計的電子接收系統必須極為靈敏。接近于人體表皮的病癥區,我們稱之為近場 (near field),被反射回來的能量是高的。 但是如果病癥區在人體內的深處部位,稱之為遠場 (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。

         在遠場影像的模式時,其效能限制來自于接收鏈路中存在的所有噪聲。轉換器/電纜組件以及接收系統的低噪聲放大器是兩個最大的外來噪聲源。 而近場影像模式下,效能限制則是來自于輸入訊號的大小。 這兩種訊號之間的比率決定了超音波儀器的動態范圍。

         通過一系列接收器的時相轉換、振幅調整以及智能型累計回波能量等過程,既可以獲得高清晰度的影像。利用轉換器數組的時移與調整接收訊號振幅的原理可以使設備具有定點觀測掃描部位的功能。經過序列化的不同部位定位觀測,超音波儀器即可建立一個組合影像。

         數字聚波可以完成訊號的組合處理。在數字聚波中,經由身體內某一點反射回來的回波脈沖訊號會在每一信道內先儲存起來,然后按照其先后次序排列一起,并將之固定成為同調訊號,然后聚集起來。這種將多個模擬/數字轉換器的輸出聚集一起的處理方法可以提高增益,因為信道內的噪聲是互不相關的。(備注:模擬聚波技術基本已經成為過時的方法,現代所采用的大部分為數字聚波)。影像的形成,是于最接近轉換器系統的仿真層取樣,將其存儲起來,再以數字化把它們聚集在一起而成。

           DBF 系統需要精確的信道與信道匹配。兩信道均需要VGA(視頻圖形數組),這種情況將會持續,直到模擬/數字轉換器設備足夠應付大的動態范圍,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,呈現的影像是由發射能量以及檢測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物體在各種環境中運動的速度。這些原理被應用在檢查體內血液或者其它液體在體內流動的情形。這種技術是透過發射一連串聲波進入體內,然后對反射波進行快速傅利葉轉換(Fourier Transform, FFT)處理。這種計算處理方法即可確定來自人體的訊號頻率分量,以及它們與流體速度的關系。
      3.靜脈和動脈模式的- 這種方式是將多普勒影像與灰度模式的聯合應用。通過處理多普勒位移產生的音效訊號即可獲得速率與節律。


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