超声回波的接收和预处理

1、 一、概述一、概述 接收系统的主要作用接收系统的主要作用 （1 1）换能器接收灵敏度范围的控制）换能器接收灵敏度范围的控制 接收阵元接收阵元( (位置位置) )转接转接( (线阵中线阵中) )；接收方向控制；接收方向控制 （相控阵中（相控阵中) )；接收孔径变换；接收聚焦。；接收孔径变换；接收聚焦。 （2 2）回波信号预处理）回波信号预处理 前置放大，前置放大，TGCTGC放大，动态滤波，对数放大，检波，放大，动态滤波，对数放大，检波， 边缘增强等。边缘增强等。 接收系统的位置及特点接收系统的位置及特点 信号通道的前段信号通道的前段接收系统接收系统模拟处理。模拟处理。 信号通道中后段信号通道中

2、后段数字扫描变换器数字扫描变换器数字处理。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。信号通道：信号经过的从换能器至显示器的所有电路。 接收系统典型结构框图（接收系统典型结构框图（EUB-240EUB-240型线扫式型线扫式B B超）超）（双线箭头（双线箭头多路信号；单线箭头多路信号；单线箭头单路信号）单路信号）二、各部分的简要工作原理二、各部分的简要工作原理 探头探头作用：声电换能。发射接收两用。作用：声电换能。发射接收两用。结构：结构：8080阵元线阵，阵元线阵，二极管开关二极管开关, , 以减少连线和前置放大器。以减少连线和前置放大器。 前置放大器前置放大器作用：放大微弱的

3、接收信号，以利传输，提高信噪比。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。要求：外部干扰小，内部噪声低，灵敏度高，频带宽。数量：前置放大器有数量：前置放大器有1616路。路。 接收多路转换开关接收多路转换开关作用：选择作用：选择1616路前置放大器输出中的路前置放大器输出中的1111路路扫查。扫查。并合成为并合成为6 6个信号个信号F0-F5F0-F5。控制：控制：RQA/RQA/RQE/RQE/码。码。 可变孔径电路可变孔径电路作用：实现可变孔径接收。作用：实现可变孔径接收。具体：近距离具体：近距离( (近场近场) )回波，用小孔径接收，

4、波束窄。回波，用小孔径接收，波束窄。 远距离远距离( (远场远场) )回波，用大孔径接收，以利聚焦。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方法：随时间逐次开通孔径边缘信号F2F2、F1F1、F0F0。控制：控制：AP0/AP0/AP2/AP2/信号。信号。 相位调整（接收聚焦电路）相位调整（接收聚焦电路）作用：接收灵敏范围的聚焦作用：接收灵敏范围的聚焦。方法：对方法：对F0F0F5F5各信号按二次曲线变化延迟，再相加。各信号按二次曲线变化延迟，再相加。控制：控制：FCN0FCN0FCN2FCN2码，控制延迟变化的二次曲线曲率，码，控制延迟变化的二次曲线曲率， 也即控制聚

5、焦焦距。也即控制聚焦焦距。 增益控制和动态滤波增益控制和动态滤波 （1 1）TGCTGC电路电路时间增益控制技术时间增益控制技术 作用：补偿回波因深度增加而造成的衰减：作用：补偿回波因深度增加而造成的衰减：I=II=I0 0e e-2-2x x 方法：由方法：由TGCTGC控制电压，控制压控放大器的增益，随接控制电压，控制压控放大器的增益，随接 收深度而上升。收深度而上升。 结果：使近区增益适当小，远区增益逐渐增大。结果：使近区增益适当小，远区增益逐渐增大。 （2 2）DFDF动态滤波技术动态滤波技术 作用：滤除近场过强的低频，和深部的高频杂波干扰。作用：滤除近场过强的低频，和深部的高频杂波干

6、扰。 方法：由方法：由DFDF控制电压，控制压控带通滤波器的通带中控制电压，控制压控带通滤波器的通带中 心频率，随接收深度而下降。心频率，随接收深度而下降。 结果：近场滤除低频，提高分辨力；结果：近场滤除低频，提高分辨力； 远场滤除高频，提高信噪比。远场滤除高频，提高信噪比。 对数放大器对数放大器作用：压缩信号的动态范围，适配显像管的动态范围，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。防止有用信息的丢失。动态范围：信号动态范围：信号100dB100dB，显像管，显像管约约30dB30dB，特点：信号越大，增益越小。特点：信号越大，增益越小。 检波器检波器作用：检出调

7、制信号。射频信号作用：检出调制信号。射频信号视频信号视频信号回波调制：超声振荡受矩形脉冲幅度调制。回波调制：超声振荡受矩形脉冲幅度调制。 勾边电路（边缘增强电路）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。便于识别和测量。控制：控制：ENHENH信号，控制增强效果。信号，控制增强效果。一、基本要求一、基本要求原因：阵元获取信号原因：阵元获取信号10-30V10-30Vp-pp-p，合成电路本身噪音合成电路本身噪音30V30Vp-pp-p，故需加前置放大器，以提高信噪比。故需加前置放大器，以提高信噪比。路数

8、：线阵路数：线阵B B超，前置放大常为多路，各机型有所差异。超，前置放大常为多路，各机型有所差异。EUB-240EUB-240型型B B超有超有1616路，路，EUB-40EUB-40型型B B超有超有2424路。路。基本要求：基本要求：（1 1）与探头馈线匹配良好。）与探头馈线匹配良好。馈线特性阻抗前放输入阻抗。馈线特性阻抗前放输入阻抗。否则：否则： 信号被反射入馈线，信号减弱。信号被反射入馈线，信号减弱。 多重反射，造成图象重影。多重反射，造成图象重影。 （2 2）动态范围大）动态范围大前放动态范围信号动态范围前放动态范围信号动态范围100dB100dB，不丢失有价值的信息。不丢失有价值的

9、信息。（3 3）功率增益）功率增益(P)(P)大大 P= 10lgKP= 10lgKP P (dB) (dB) 其中，其中，K KP P放大器功率放大倍数放大器功率放大倍数 P P大，则极限灵敏度高，信噪比高。大，则极限灵敏度高，信噪比高。 日立日立EUBEUB系列系列B B超，前放超，前放 P P24dB24dB。（4 4）噪声系数）噪声系数(F)(F)小小 F F输入端信噪比输入端信噪比/ /输出端信噪比输出端信噪比11 理想：理想：F F1 1，即放大器无附加噪声。，即放大器无附加噪声。 实际：实际：F F1 1，晶体管、电阻等总有噪声。，晶体管、电阻等总有噪声。 F F小，有限噪声灵敏

10、度高，放大器动态范围大。小，有限噪声灵敏度高，放大器动态范围大。二、前置放大器电路二、前置放大器电路1. 1. 前置放大器之一前置放大器之一东芝东芝SALSAL系列线扫系列线扫B B超的前置放大器超的前置放大器特点分析特点分析由三级直接耦合放大器组成。由三级直接耦合放大器组成。A A7 7（17dB17dB） TR20 TR20为射随器，使之与延时线负载阻抗匹配。为射随器，使之与延时线负载阻抗匹配。 R R6262引入深度负反馈，展宽频带，提高稳定性。引入深度负反馈，展宽频带，提高稳定性。 D D3333,D,D3434组成双向限幅器，防止大信号阻塞放大器。组成双向限幅器，防止大信号阻塞放大器

11、。 15V15V，5V5V供电，使输出信号动态范围达供电，使输出信号动态范围达15V15V以上。以上。 各级射极直流负反馈，稳定工作点，最小可辨信号小。各级射极直流负反馈，稳定工作点，最小可辨信号小。 L L2020，C C3131，C C3232电源滤波，减小噪声。电源滤波，减小噪声。 C C2525高频补偿，高频补偿，C C1818耦合电容。耦合电容。2. 2. 前置放大器之二前置放大器之二日立公司日立公司B B超常用的前置放大器。超常用的前置放大器。EUB-240EUB-240型也用此。型也用此。特点：特点： IC1 IC1是大动态、高稳定的集成运算放大器是大动态、高稳定的集成运算放大器

12、H724B01H724B01。 D D1 1，D D1717组成双向限幅器，防止大信号造成放大器阻塞。组成双向限幅器，防止大信号造成放大器阻塞。 L L1 1，R R1 1，C C1 1为高通滤波器。为高通滤波器。 C C1717，C C3333，C C148148，C C149149电源退耦电容。电源退耦电容。 VR1 VR1电位器可调节增益，设计增益电位器可调节增益，设计增益24dB24dB。C33一、回波合成法一、回波合成法1. 1. 直接合成法直接合成法 方法：各阵元信号方法：各阵元信号孔径控制孔径控制聚焦延迟聚焦延迟相加合成。相加合成。 优点：可不对称延迟，进行微角扫查。优点：可不对

13、称延迟，进行微角扫查。 缺点：路数多，设备量大。缺点：路数多，设备量大。 实例：实例：Aloka SSD-256Aloka SSD-256型型B B超仪用之。超仪用之。 2. 2. 二步合成法二步合成法方法：各阵元信号方法：各阵元信号对称合成对称合成孔径控制孔径控制聚焦延迟聚焦延迟 相加合成。相加合成。条件：具有对称延迟特性（无偏向）。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。优点：孔径控制电路、聚焦电路减少一半。实例：日立实例：日立EUBEUB系列系列B B超（如超（如EUB-240EUB-240）采用此法。）采用此法。二、接收多路转换开关二、接收多路转换开关（

14、1 1）组成）组成ICIC1717ICIC3838：8 8选选1 1转接开关转接开关TRTR2 2TRTR6 6：倒相驱动管。：倒相驱动管。（2 2）信号）信号输入：输入：CHCH1 1CHCH1616：前放输出：前放输出, ,输出：输出：F F0 0F F5 5：转接合成输出，：转接合成输出，控制：控制：RQA/RQA/RQE/RQE/码码（3 3）功能）功能 从从1616路前置放大器输出中，路前置放大器输出中，每次选通每次选通1111路，并对称合成为路，并对称合成为F F0 0F F5 5的的6 6个信号。个信号。控制码变化，选择通路变化，控制码变化，选择通路变化，实现切换扫查。实现切换扫

15、查。（4 4）电路分析）电路分析转接开关的使能端与转接开关的使能端与RQE,RQDRQE,RQD的连接，简化为图的连接，简化为图5-7.5-7.RQE,RQDRQE,RQD1,01,0或或0,10,1，有输出的芯片编号，如图，有输出的芯片编号，如图5 58 8。前置放大输出的转接合成关系前置放大输出的转接合成关系(HP(HPi i=CH=CHi i) )例如：例如： RQE/ RQE/RQA/RQA/0111101111，经，经TR2TR2TR6TR6倒相，为倒相，为1000010000，则，则 F F0 0CH1+CH11, FCH1+CH11, F1 1CH2+CH10, FCH2+CH1

16、0, F2 2CH3+CH9,CH3+CH9, F F3 3CH4+CH8, FCH4+CH8, F4 4CH5+CH7, FCH5+CH7, F5 5CH6CH6 RQE/ RQE/RQA/RQA/0111001110，经，经TR2TR2TR6TR6倒相，为倒相，为1000110001，则，则 F F0 0CH2+CH12, FCH2+CH12, F1 1CH3+CH11, FCH3+CH11, F2 2CH4+CH10,CH4+CH10, F F3 3CH5+CH9, FCH5+CH9, F4 4CH6+CH8, FCH6+CH8, F5 5CH7CH7三、可变孔径电路三、可变孔径电路 可

17、变孔径的提出及其实现方法可变孔径的提出及其实现方法（1 1）接收灵敏范围与孔径的关系）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。根据：发射与接收的互易性；发射超声场的结论。 非聚焦：非聚焦：近场：孔径越小，灵敏范围越小；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。远场：孔径越大，灵敏范围扩散角越小。 聚焦：聚焦： 焦点处直径：焦点处直径： d df f2.44F/D D2.44F/D D接收孔径接收孔径 即：为使即：为使d df f小，当小，当F F增大时，增大时，D D也应增大。也应增大。（2 2）方法）方法 近场用小孔径，远场用大孔径近场用小

18、孔径，远场用大孔径可变孔径技术。可变孔径技术。（3 3）意义）意义近场、远场灵敏范围近场、远场灵敏范围( (波束波束) )均较窄，横向分辨力好。均较窄，横向分辨力好。 可变孔径电路可变孔径电路（1 1）组成及作用）组成及作用MXICMXIC：模拟调制分离器：模拟调制分离器 A=“0”,XX0,A=“0”,XX0, A=“1”,XX1, A=“1”,XX1, X X端端RCRC：低通滤波器；：低通滤波器； C C：隔低频，通高频信号；：隔低频，通高频信号； L L：隔高频，通低频信号。：隔高频，通低频信号。 D D：二极管开关；：二极管开关；（2 2）信号）信号 F F0-50-5： 回波信号回

19、波信号( (高频高频) ) AP AP0-20-2：门控信号：门控信号( (低频低频) )（3 3）单路工作原理）单路工作原理 因因D D负极经负极经L L，低频接地，低频接地 APAP“1”1”：X X-8V-8V，D D截止截止 APAP“0”0”：X X+8V+8V，D D导通导通（4 4）组合工作过程）组合工作过程由于，各阵元接收的回波信号对应为：由于，各阵元接收的回波信号对应为：F0F0F5F5周边中心周边中心因此，切断因此，切断F0F0，F1F1，F2F2等信号进入回波合成电路，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。使周边阵元接收信号无效，即缩小了接收孔

20、径。（5 5）时间段计算举例）时间段计算举例将探测深度分四段：近场，中场，远场将探测深度分四段：近场，中场，远场，远场，远场。分界距离：分界距离：S S1 120mm20mm，S S2 250mm50mm，S S3 390mm90mm。由式：由式： t tKiKiS Si i /V/VD D2S2Si i/c/c可算得各段时间：可算得各段时间： t tK0K0117s117s，t tK1K165s65s，t tK2K226s26s四、接收相位调整电路（接收聚焦电路）四、接收相位调整电路（接收聚焦电路） 作用作用对各阵元接收的回波信号进行延迟调整（二次曲线对各阵元接收的回波信号进行延迟调整（二次

21、曲线变化），使焦点处回波达到同相位叠加。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。其实质是换能器空间灵敏范围的聚焦。 分段聚焦的类型分段聚焦的类型 非实时分段动态聚焦：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。多次发射，多次接收。发射与接收同焦距，每次固定。 实时分段动态聚焦：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。一次发射，一次接收。发射固定焦距，接收动态焦距。 实时分段动态聚焦原理实时分段动态聚焦原理（1 1）简述：以超声探查速度，同步分段地移动焦点。）简述：以超声探查速度，同步分段地移动焦点。（2 2）例

22、）例接收实时接收实时4 4段动态聚焦：段动态聚焦： 若对应距离若对应距离z1,z2,z3z1,z2,z3，回波所需时间为，回波所需时间为t1,t2,t3t1,t2,t3。则：。则： 回波接收过程：回波接收过程： 0 0t1t1时间：时间： 接收接收0 0z1z1内回波，用内回波，用4 48 8阵元，焦点阵元，焦点N N，波束如，波束如()()。 t1 t1t2t2时间：时间： 接收接收z1z1z2z2内回波内回波, ,用用3 39 9阵元，焦点阵元，焦点M M，波束如，波束如()()。 t2 t2t3t3时间：时间： 接收接收z2z2z3z3内回波内回波, ,用用2 21010阵元，焦点阵元，

23、焦点F1F1，波束如，波束如()()。 t3 t3以后时间：以后时间： 接收接收z3z3以外回波，用以外回波，用1 11111阵元，焦点阵元，焦点F2F2，波束如，波束如()()。可见：有效接收范围如图中粗线所围区域，有四个焦点。可见：有效接收范围如图中粗线所围区域，有四个焦点。 接收聚焦电路接收聚焦电路 （EUB-240EUB-240型型B B超所用）超所用）（1 1）电路组成）电路组成 DLDL1 1DLDL5 5：模拟延时线。：模拟延时线。 ICIC3939ICIC4343：多路转接开关。：多路转接开关。（2 2）信号）信号 输入：接收回波信号输入：接收回波信号F F0 0F F5 5。

24、 输出：合成信号。输出：合成信号。 控制：聚焦码控制：聚焦码FCNFCN0-20-2/ /。（3 3）功能）功能 对各阵元接收回波信号经对各阵元接收回波信号经 二次曲线变化延迟，相加合二次曲线变化延迟，相加合 成为一个信号。成为一个信号。 聚焦码控制二次曲线曲率，聚焦码控制二次曲线曲率， 即焦距。与可变孔径电路，即焦距。与可变孔径电路， 协同完成接收动态聚焦。协同完成接收动态聚焦。（4 4）各控制状态下的延时关系）各控制状态下的延时关系有两种频率有两种频率(3.5MHz(3.5MHz，5MHz)5MHz)，各，各4 4个焦点，共个焦点，共8 8个焦点。个焦点。( (书中数值有误书中数值有误)

25、)一、时间增益补偿（一、时间增益补偿（TGCTGC）电路）电路 实现时间增益补偿的意义及方法实现时间增益补偿的意义及方法（1 1）补偿的意义）补偿的意义 由于超声波随传播距离（时间）的衰减，使相同反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。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）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。的增加而加大，以补偿超声随传播距离的衰减。（2

26、 2）各种名称）各种名称时间增益补偿时间增益补偿 (Time Gain CompensationTGC)(Time Gain CompensationTGC)深度增益补偿深度增益补偿 (Depth Gain CompensationDGC)(Depth Gain CompensationDGC)灵敏度时间控制灵敏度时间控制(Sensitivity Time ControlSTC)(Sensitivity Time ControlSTC) （3 3）补偿原理）补偿原理 声传播强度与时间声传播强度与时间( (距离距离) )的关系：的关系： I II I0 0e e-2-2x xI I0 0e e-

27、2-2ct ct 时间负指数关系。时间负指数关系。 声声- -电转换、前置放大等电转换、前置放大等时间线性关系。时间线性关系。 经声经声- -电转换、前置放大等处理，回波信号仍是：电转换、前置放大等处理，回波信号仍是： 时间负指数关系。时间负指数关系。 可用时间正指数放大补偿。可用时间正指数放大补偿。（4 4）实际情况及措施）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。上述分析忽略了多种因素，仅为大致的补偿关系。.实际情况的复杂性实际情况的复杂性 受超声工作频率的影响受超声工作频率的影响 ff，ff，频率高，衰减快。，频率高，衰减快。 多重界面反射的影响多重界面反射的影响 实际

28、常有多重界面，回波穿过界面越多，强度越弱。实际常有多重界面，回波穿过界面越多，强度越弱。 临床诊断感兴趣深度的不同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，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。成像时关注深度往往有所不同。.对策对策 TGCTGC控制波形指数波形控制波形指数波形( (可变速率可变速率) )修正波形修正波形操作者可调节：指数波形速率，修正波形形状操作者可调节：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。根据实际情况，通过面板按钮、电位器操作。TGCGainDynamic RangeFocusDe

29、pth（5 5）电路框图）电路框图 TGC TGC电压发生器电压发生器 产生一个随接收时间（深度）而变的产生一个随接收时间（深度）而变的TGCTGC控制电压，控制电压， 用以控制可变增益放大器的增益变化。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，可调整操作者由面板输入调节量，可调整TGCTGC电压的波形，电压的波形， 实现临床干预实现临床干预TGCTGC过程。过程。 可变增益放大器可变增益放大器 在在TGCTGC电压控制下，放大器增益可变，对不同时间电压控制下，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。（深度）的回波信号有不同的放大量。 TGC TGC电压

30、产生电路电压产生电路 通常：通常：TGCTGC电压波形指数电压波形可调电压波形电压波形指数电压波形可调电压波形（1 1）可调电压波形受调节的型式：）可调电压波形受调节的型式： 斜率控制型斜率控制型 可调电压的大致形状不变，但参数可由面板调节。可调电压的大致形状不变，但参数可由面板调节。 其中增益其中增益“台柱台柱”用来增强特定深度的回波。用来增强特定深度的回波。 距离增量控制型距离增量控制型整个探测深度分成整个探测深度分成n n段段( (如如n=8)n=8)，每段一个控制点，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。

31、见书调电压波形。见书P277P277。（2） TGCTGC电压产生电路电压产生电路 有多种型式。数字合成式函数发生器适用性强，目前较多。有多种型式。数字合成式函数发生器适用性强，目前较多。 基本原理基本原理 ROMROM中存中存TGCTGC电压函数值，在回波接收过程中：电压函数值，在回波接收过程中： 逐一读出函数值逐一读出函数值D/AD/A各点电压连接各点电压连接TGCTGC电压波形电压波形 函数值寻址地址函数值寻址地址A0A0A9A9，由加法计数器计数产生。，由加法计数器计数产生。 TGC TGC波形的改变调整手段波形的改变调整手段a)a)制造时预先设计在制造时预先设计在ROMROM中中 在

32、在ROMROM的不同区域，预先存入不同的波形函数值，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。有八种工作时根据情况选择。有八种TGCTGC曲线供选择。曲线供选择。 A A1212FCNFCN2 20 0（3.5MHz3.5MHz探头），探头）， 1 1（5MHz5MHz探头）探头） A A1111ZOOMZOOM0 0（电子放大率（电子放大率1 1），），1 1（电子放大率（电子放大率2 2） A A1010FAR FAR 0 0（近程），（近程）， 1 1（远程）（远程）b)b)操作时随机调节操作时随机调节 调节附加在调节附加在ROMROM中读出的固定函数曲线之上。中读出的

33、固定函数曲线之上。 调节输入：操作者调节输入：操作者面板（滑杆电位器）面板（滑杆电位器） 仪器产生：修正数据仪器产生：修正数据GAINGAIN0-70-7, , 修正方法：修正方法：TGCTGC波形波形ROMROM数据修正数据数据修正数据GAINGAIN0-70-7 波形波形可调可调 增益控制电路（可变增益放大器）增益控制电路（可变增益放大器）（1 1）控制放大器增益的方法）控制放大器增益的方法 改变放大器的偏置改变放大器的偏置 右图因晶体管右图因晶体管( (一定范围内一定范围内) )： IIb b从而：从而： TGCTGC电压电压IIb bAA 改变放大器的反馈改变放大器的反馈 右图由于晶体

34、管：右图由于晶体管： R Rcece1/I1/Ib b 而：而：A AR Rcece/R/R， 从而：从而： TGCTGC电压电压IIb bRRceceAA R 串入电控衰减器串入电控衰减器右图电路的总增益为：右图电路的总增益为： A AG G1 1 G G2 2其中：其中： G G1 111放大器放大器 G G2 211衰减器。衰减器。若若TGCTGC电压控制下，电压控制下，G G2 2可变，可变，即能起即能起TGCTGC作用。作用。a)a)衰减器基本结构衰减器基本结构( (右图右图) ) U Uo o(R(R2 2/(R/(R1 1+R+R2 2)U)Ui i G GU Uo o/U/Ui

35、 i R R2 2/(R/(R1 1+R+R2 2) ) 1 1b)b)电控变阻元件电控变阻元件 )二极管二极管 I II Is s(e(eVq/KTVq/KT-1)-1) 其中：其中： I Is s反向饱和电流，反向饱和电流， KK波尔兹曼常数波尔兹曼常数 qq电子的电荷量，电子的电荷量， TT绝对温度绝对温度 V V(KT/q)ln(I+I(KT/q)ln(I+Is s) ) R RD DdV/dIdV/dI (KT/q)/(I+I(KT/q)/(I+Is s) ) (KT/q)/I (II (KT/q)/I (IIs s) ) R RD D1/I1/I)晶体管晶体管 R Rcece1/I

36、1/Ib b ) )场效应管场效应管 R RDSDS1/V1/VGSGSc)c)电控衰减器举例电控衰减器举例以上：以上：(a)(a)串联二极管型，串联二极管型，(b)(b)并联二极管型，并联二极管型，(c)(c)并联场效应管型并联场效应管型说明：说明：由于：回波信号由于：回波信号高频，高频， 控制信号控制信号低频低频利用：利用：LL隔高频通低频、隔高频通低频、CC隔低频通高频，隔低频通高频，可防止：回波信号控制信号可防止：回波信号控制信号相互干扰。相互干扰。（2 2）可变增益放大器实例）可变增益放大器实例 TR19 TR19第一级放大第一级放大 TR20 TR20，TR21TR21具正向压控增

37、益特性的双栅极场效应管放大器。具正向压控增益特性的双栅极场效应管放大器。 控制控制G1G1、G2G2电位可控制场效应管的跨导，从而改变放大器增益。电位可控制场效应管的跨导，从而改变放大器增益。 VR17VR17调节调节G1G1电位电位静态增益调节。静态增益调节。 TGCTGC电压控制电压控制G2G2电位电位TGCTGC控制。控制。 TR22 TR22，TR23TR23为为射极跟随器。射极跟随器。 TGC TGC作用下的场效应管特性曲线作用下的场效应管特性曲线TGC控制电压控制电压工作点工作点Q沿沿IDVG曲线曲线斜率斜率增益增益如：近场如：近场(t1t2)，回波强，回波强(Vi1，Vi2)，但

38、增益小，信号压缩。，但增益小，信号压缩。 远场远场(t3t4)，回波弱，回波弱(Vi3，Vi4)，但增益大，信号放大。，但增益大，信号放大。二、动态滤波（二、动态滤波（Dynamic FilterDynamic Filter：DFDF）电路）电路 动态滤波的意义动态滤波的意义 （1 1）原因）原因 超声传播时：超声传播时： I=II=I0 0e e- -22x x, =f, =f 所以：高频所以：高频快，低频快，低频慢，慢， 造成：探测距离造成：探测距离信号信号f f0 0(f(f0 0 频谱中心频率频谱中心频率) ) （2 2）接收频带范围固定的不利）接收频带范围固定的不利 接收电路接收电路

39、f f0 0信号信号f f0 0高频损失高频损失分辨力分辨力 接收电路接收电路f f0 0信号信号f f0 0噪声增加噪声增加信噪比信噪比 （3 3）动态滤波的过程和意义）动态滤波的过程和意义 随探测距离随探测距离接收电路的接收电路的f f0 0， 近区：选通高频，抑制低频近区：选通高频，抑制低频分辨力分辨力； 远区：选通低频，抑制高频远区：选通低频，抑制高频信噪比信噪比。 动态滤波动态滤波(DF)(DF)电路电路 动态滤波，也就是通频带可变的带通动态滤波，也就是通频带可变的带通滤波器。滤波器。（1 1）电路结构及特性）电路结构及特性 如图：如图：D Dc c为变容二极管，为变容二极管，L L

40、、C C1 1、D Dc c构构成成LCLC并联回路。并联回路。 当信号频率当信号频率f f等于回路谐振频率等于回路谐振频率f f0 0时，时，回路阻抗回路阻抗Z Z0 0最大。最大。 此时电路（可看成此时电路（可看成R R与与Z Z0 0构成的衰减器）构成的衰减器）对信号的衰减最小，输出对信号的衰减最小，输出U Uo o最大。当最大。当ffff0 0时，输出时，输出U Uo o减小。减小。 f f0 0 也称为滤波器通带中心频率。也称为滤波器通带中心频率。CRLZ001011,2DDCCfCCCLC（2 2）DFDF工作过程工作过程由于变容二极管的反偏结电容由于变容二极管的反偏结电容C CD

41、 D电压特性：电压特性： ECECD D所以在回波信号接收过程中：所以在回波信号接收过程中：DDFDDF电压电压CCD DC=CC=C1 1C CD D/(C/(C1 1+C+CD D)滤波器滤波器f f0 0EDc（3）动态滤波电路实例动态滤波电路实例如图为如图为EUB-27EUB-27所用带通滤波器。所用带通滤波器。V V1 1、V V2 2变容二极管变容二极管 并联目的：增大电容变化量并联目的：增大电容变化量增大频率控制范围。增大频率控制范围。 反偏结电容变化范围：反偏结电容变化范围：30PF(9V)30PF(9V)400PF(1V)400PF(1V) L L、C C1 1和和V V1

42、1、V V2 2组成组成LCLC选频网络。选频网络。 DF DF电压发生器电压发生器（1 1）DFDF电压的取值范围和变化规律电压的取值范围和变化规律 由以下因素确定由以下因素确定 变容二极管的变容特性。变容二极管的变容特性。 被探测介质（人体）对超声衰减的频率特性。被探测介质（人体）对超声衰减的频率特性。 探头工作频率（频谱中最强分量频率）的变化。探头工作频率（频谱中最强分量频率）的变化。 观察视野的移动。观察视野的移动。 图像电子放大与否。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。可见，后三种因素是不确定的，由操作者决定。 故故DFDF电压也应是可变的，由操作者临时确定

43、。电压也应是可变的，由操作者临时确定。（2 2）DFDF电压发生器电路形式电压发生器电路形式 可有多种形式，由于波形的可变性，在微机化可有多种形式，由于波形的可变性，在微机化B B超超 中，用数字函数发生器获取中，用数字函数发生器获取DFDF函数电压比较方便。函数电压比较方便。（3）DFDF电压发生器实例电压发生器实例(EUB-240B(EUB-240B超用超用) ) 电路组成电路组成 ICIC4242：驱动器，：驱动器，74HC24474HC244。 ICIC4444：D/AD/A转换器。转换器。DAC-08CNDAC-08CN。 ICIC4646：流压变换器，：流压变换器，TL081TL0

44、81，有滤波回路。，有滤波回路。 R R150150、L L2 2、C C156156：低通滤波器，平滑输出波形。：低通滤波器，平滑输出波形。 工作过程工作过程 CPUCPU以一定速率送出数据以一定速率送出数据DDFDDF0-40-4(5(5位位) )，经驱动器后，经驱动器后， 由由D/AD/A转换成模拟电流输出，再流压变换成电压。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，形成各数据电压相连，经滤波光滑，形成DFDF电压波形。电压波形。 CPUCPU送出不同数据可得不同波形。送出不同数据可得不同波形。 波形图波形图 接收期，接收期，DFDF电压以近似指数规律下降。周期

45、性变化。电压以近似指数规律下降。周期性变化。 TGC TGC和和DFDF综合实例（综合实例（EUB-240EUB-240中用）中用）动态滤波电路设置在两个虚线框内。动态滤波电路设置在两个虚线框内。L L2020、C C212212、C C136136和变容二极管和变容二极管D D3737、D D3838组成选频槽路。组成选频槽路。L L2121、C C213213、C C150150和变容二极管和变容二极管D D3939、D D4040组成选频槽路。组成选频槽路。三、对数放大器三、对数放大器 1. 1. 对数放大的意义对数放大的意义（1 1）原因）原因回波信号动态范围：回波信号动态范围： L

46、LD D100 dB100 dB 显像亮度动态范围：显像亮度动态范围： L LD D202030dB30dB 若直接显示：若直接显示： 强信号图像一片模糊强信号图像一片模糊 弱信号图像星星点点弱信号图像星星点点 如同胶片曝光太过和曝光不足。如同胶片曝光太过和曝光不足。 需要压缩信号动态范围：需要压缩信号动态范围： 100dB20100dB2030dB30dB 同时，并不丢失亮度信息。同时，并不丢失亮度信息。 对数放大器能起到这样的作用。对数放大器能起到这样的作用。信息淹没、丢失信息淹没、丢失（）对数放大器的特性（）对数放大器的特性 输入、输出关系输入、输出关系 u uo oK K1 1lg(K

47、lg(K2 2u ui i) )K K1 1lgKlgK2 2+(K+(K1 1/20)(20lgu/20)(20lgui i) ) 其中：其中：K K1 1斜率，斜率， K K2 2对数偏差。对数偏差。 输入、输出关系曲线输入、输出关系曲线 均匀座标系中：斜率递减、数值递增曲线。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。输入对数座标输出均匀座标系中：递增直线。 对数放大器参数的外部调整原理对数放大器参数的外部调整原理对于对数放大器：对于对数放大器： VoK1lg(K2Vi)经如上前后线性放大后，输入输出关系：经如上前后线性放大后，输入输出关系： uoG2

48、K1lg(K2G1ui)其中：其中：G1，G2线性放大器增益线性放大器增益令：令： K1G2K1 K2G1K2则：则： uoK1lg(K2ui)故可：改变故可：改变G1、G2改变改变K1、K2Vo=K1lg(K2Vi)G1G2uiuoG1uiK1lg(K2G1ui)G2K1lg(K2G1ui) 小信号放大特性的修正小信号放大特性的修正 当当u ui i0 0时：时： u uo oK K1 1lg(Klg(K2 2u ui i) )- - 不可实现不可实现 实际的对数放大器，小信号时：实际的对数放大器，小信号时： u u0 0K K3 3u ui i 线性放大线性放大 动态范围压缩特性动态范围压

49、缩特性 当线性当线性- -对数放大特性平滑过渡时，可推得：对数放大特性平滑过渡时，可推得： L LDoDo1+lnL1+lnLDiDi 其中：其中：L LDiDiu uimaximax/u/uimin imin 输入信号动态范围输入信号动态范围 L LDoDou uomaxomax/u/uomin omin 输出信号动态范围输出信号动态范围 一般：一般：L LDiDi1 1， 右图可见：右图可见： L LDoDoL LDiDi 即：可压缩信号即：可压缩信号 的动态范围。的动态范围。L LDoDo1+lnL1+lnLDiDiL LDoDoL LDiDi110L LDoDoL LDiDi2. 2.

50、 对数放大和对数放大和TGCTGC放大的比较和关系放大的比较和关系（）动态压缩比较（）动态压缩比较 TGC TGC放大放大 浅部信号浅部信号( (含含U Umaxmax) )增益小：增益小：U UOmaxOmaxA A1 1U Uimax imax ，A A1 1小小 深部信号深部信号( (含含U Uminmin) )增益大：增益大：U UOminOminA A2 2U Uimin imin ，A A2 2大大 U UOmaxOmax/U/UOminOminA A1 1U Uimaximax/A/A2 2U UiminiminU Uimaximax/U/Uimin imin 也有压缩信号动态范

51、围的作用。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。但中间信号并不按比例压缩。 总动态范围压缩。总动态范围压缩。 对数放大对数放大 增益只与增益只与U Ui i有关，与时间无关。有关，与时间无关。 信号全部按一定规律压缩。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。瞬时动态范围和总动态范围全面压缩。（）位置安排的影响（）位置安排的影响 先先TGCTGC放大，再对数放大放大，再对数放大 TGCTGC放大压缩信号动态范围：放大压缩信号动态范围：100dB60dB100dB60dB 要求对数放大器：要求对数放大器：L LDiDi60dB60dB，电路可简化。，电路可简化

52、。 先对数放大，再先对数放大，再TGCTGC放大放大 要求对数放大器：要求对数放大器：L LDiDi100dB100dB。 输入信号伴有随传播距离输入信号伴有随传播距离( (时间时间) )的指数衰减：的指数衰减： I II I0 0e e-2-2x x I I0 0e e-2-2ctct 经线性声经线性声- -电变换和放大得：电变换和放大得： V VV V0 0e e-2-2ctct时间指数衰减时间指数衰减 经对数放大：经对数放大： U UK K1 1lg(Klg(K2 2V V0 0e e-2-2ctct) ) K K1 1lg(Klg(K2 2V V0 0)-2K)-2K1 1ctlgec

53、tlge时间线性衰减时间线性衰减 这使这使TGCTGC简化简化线性补偿，线性补偿，TGCTGC电压产生电路简化。电压产生电路简化。3. 3. 基本对数放大器电路原理基本对数放大器电路原理（）二极管特性（）二极管特性 I II Is s(e(eVq/KTVq/KT-1)-1) 室温下（室温下（2020），），KT/q26mVKT/q26mV 当当V VKT/qKT/q时，可有：时，可有： IIIIs se eVq/KTVq/KT 或：或：V(KT/q)ln(I/IV(KT/q)ln(I/Is s) )（）基本对数放大器（）基本对数放大器( (如图如图) ) I IU Ui i/R/RI ID D

54、 U UO O-V-VD D -(KT/q)ln(I/I-(KT/q)ln(I/Is s) ) -(KT/q)ln(U-(KT/q)ln(Ui i/I/Is sR)R) 但是，二极管对数工作的动态范围很窄，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。温度稳定性，频率稳定性，也不理想。4. 4. 宽输入动态范围对数放大器的结构宽输入动态范围对数放大器的结构（一）概述（一）概述 （）特性要求（）特性要求 作用：压缩宽广的信号动态范围作用：压缩宽广的信号动态范围 要求：有宽广的输入动态范围。要求：有宽广的输入动态范围。 （）名称及含义（）名称及含义 名称：似对数放大器名称

55、：似对数放大器 含义：以多段直线或曲线相加含义：以多段直线或曲线相加近似对数函数。近似对数函数。 它与真正的对数放大之间有一定误差。它与真正的对数放大之间有一定误差。 （）结构和类型（）结构和类型 以多级限幅放大器构成：以多级限幅放大器构成： 线性限幅放大器线性限幅放大器 串联相加串联相加 非线性限幅放大器非线性限幅放大器 并联相加并联相加（二）串联相加型对数放大器（二）串联相加型对数放大器（）单级限幅放大器特性（）单级限幅放大器特性 图中：图中：L L1 1，L L2 2，L LN N限幅放大器，特性相同。限幅放大器，特性相同。 若放大区为线性，则可写为：若放大区为线性，则可写为： 0 0

56、， V Vi i0 0 截止区截止区 V Vo o KVKVi i ， 0V0Vi iV VT T 线性放大区线性放大区 V Vm m ， V Vi iVVT T 限幅区限幅区 其中：其中：K K1 1（放大），（放大），V Vm mKVKVT T（）电路总体（）电路总体输入输出关系输入输出关系 分析分析 KK1 1，故限幅放大器放大区有：，故限幅放大器放大区有： V Vo oV Vi i 则当信号很小，各级限幅放大器都在放大区时：则当信号很小，各级限幅放大器都在放大区时： V VopopV Vipip， P P1,2,3,N1,2,3,N 当信号由小变大时，总是最后一级先进入限幅区，当信号由

57、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。并向前依次逐级进入限幅区。 每增加一级限幅，每增加一级限幅，u uo o的增益减小的增益减小K KN-PN-P，数值增加，数值增加V Vm m。 电路总体电路总体输入输出关系式输入输出关系式o ou u0 0N N0 0j jj ji iK Ku um m1 1N N0 0j jj ji iV VK Ku um m2 2N N0 0j jj ji i2 2V VK Ku um mP PN N0 0j jj ji iP PV VK Ku um m1 10 0j jj ji iV V1 1) )( (N NK Ku um mi iN

58、NV Vu u0 0u ui i1 1N NT Ti iK KV Vu u0 02 2N NT Ti i1 1N NT TK KV Vu uK KV V3 3N NT Ti i2 2N NT TK KV Vu uK KV V1 1) )( (P PN NT Ti iP PN NT TK KV Vu uK KV VT Ti iT TV Vu uK KV VT Ti iV Vu uN N2 21 10 0P P， 电路总体电路总体输入输出关系曲线输入输出关系曲线上式表明：上式表明： 此放大器输入输出关系呈多段折线。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）输入信号越

59、大，对应直线斜率越小。（如图）（）误差分析（）误差分析 分析此函数与标准对数函数间的误差。分析此函数与标准对数函数间的误差。 标准对数函数的特征标准对数函数的特征 对于对数函数对于对数函数: u uo oK K1 1lg(Klg(K2 2u ui i) ) 如输入一组公比为如输入一组公比为R的等比量：的等比量： u uiPiPu uiP-1iP-1R R， P P1,2N1,2N 则输出：则输出： u uoPoPu uoPoP-1-1K K1 1lg(Klg(K2 2u uiPiP) )K K1 1lg(Klg(K2 2u uiP-1iP-1) ) K K1 1lg(ulg(uiPiP/u/u

60、iP-1iP-1) ) K K1 1lgRlgR 为一组公差为为一组公差为K K1 1lgRlgR的等差量。的等差量。 与标准与标准对数函数之间的误差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：令函数折线各拐点对应的输入和输出为： u uipip, u, uopop, P, P1,2N1,2N则：则：等比量等比量当时，曲线各拐点在对数曲线上。当时，曲线各拐点在对数曲线上。K KK KV VK KV Vu uu u1 1) )( (P PN NT TP PN NT T1 1i ip pi ip p1 1) )- -( (P PN N0 0j jm mj j1 1) )- -( (P P