超声回波的接收与预处理ppt课件

1、 一、概述一、概述 接纳系统的主要作用接纳系统的主要作用 1 1换能器接纳灵敏度范围的控制换能器接纳灵敏度范围的控制 接纳阵元接纳阵元( (位置位置) )转接转接( (线阵中线阵中) )；接纳方向控制；接纳方向控制 相控阵中相控阵中) )；接纳孔径变换；接纳聚焦。；接纳孔径变换；接纳聚焦。 2 2回波信号预处置回波信号预处置 前置放大，前置放大，TGCTGC放大，动态滤波，对数放大，检放大，动态滤波，对数放大，检波，波， 边缘加强等。边缘加强等。 接纳系统的位置及特点接纳系统的位置及特点 信号通道的前段信号通道的前段接纳系统接纳系统模拟处置。模拟处置。 信号通道中后段信号通道中后段数字扫描变换

2、器数字扫描变换器数字处置。数字处置。信号通道：信号经过的从换能器至显示器的一切电路。信号通道：信号经过的从换能器至显示器的一切电路。 接纳系统典型构造框图接纳系统典型构造框图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、各部分的简要任务原理二、各部分的简要任务原理 探头探头作用：声电换能。发射接纳两用。作用：声电换能。发射接纳两用。构造：构造：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：放大微弱的接纳信号，以利传输，提高信噪比。

3、作用：放大微弱的接纳信号，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。 接纳多路转换开关接纳多路转换开关作用：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：实现可变孔径接纳。作用：实现可变孔径接纳。详细：近间隔详细：近间隔( (近场近场) )回波，用小孔径接纳，波束窄。回波，用小孔径接纳，波束

4、窄。 远间隔远间隔( (远场远场) )回波，用大孔径接纳，以利聚焦。回波，用大孔径接纳，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。 相位调整接纳聚焦电路相位调整接纳聚焦电路作用：接纳灵敏范围的聚焦。作用：接纳灵敏范围的聚焦。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， 也即控制聚焦焦距。也即控制聚焦焦距。 增益控制和

5、动态滤波增益控制和动态滤波 1 1TGCTGC电路电路时间增益控制技术时间增益控制技术 作用：补偿回波因深度添加而呵斥的衰减：作用：补偿回波因深度添加而呵斥的衰减：I=I0e-2x I=I0e-2x 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 2DFDF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扰。 方法：由方法：由DFDF控制电压，控制压控带

6、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，随接纳深度而下降。心频率，随接纳深度而下降。 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：紧缩信号的动态范围，适配显像管的动态范围，作用：紧缩信号的动态范围，适配显像管的动态范围， 防止有用信息的丧失。防止有用信息的丧失。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：检出调制信号。射频信号作用：检出调制信号。射频信号视频信

7、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。 勾边电路边缘加强电路勾边电路边缘加强电路作用：加强视频信号的边缘，突出图像的轮廓，使之作用：加强视频信号的边缘，突出图像的轮廓，使之 便于识别和丈量。便于识别和丈量。控制：控制：ENHENH信号，控制加强效果。信号，控制加强效果。一、根本要求一、根本要求缘由：阵元获取信号缘由：阵元获取信号10-30Vp-p10-30Vp-p，合成电路本身噪音合成电路本身噪音30Vp-p30Vp-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：线阵路数：线阵B B超，前置放大常为多路，各机型有所差超

8、，前置放大常为多路，各机型有所差别。别。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。根本要求：根本要求：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。否那么：否那么： 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，呵斥图象重影。多重反射，呵斥图象重影。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，不丧失有价值的信息。不丧失有价值的信息。3 3功率增益功率增益(P)(P)大大 P= 10lgKP (

9、dB) P= 10lgKP (dB) 其中，其中，KPKP放大器功率放大倍数放大器功率放大倍数 P P大，那么极限灵敏度高，信噪比高。大，那么极限灵敏度高，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。 实践：实践：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

10、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 717dB17dB 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。 R62 R62引入深度负反响，展宽频带，提高稳定性。引入深度负反响，展宽频带，提高稳定性。 D33,D34 D33,D34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。 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15V

11、15V以上。以上。 各级射极直流负反响，稳定任务点，最小可辨信号小。各级射极直流负反响，稳定任务点，最小可辨信号小。 L20 L20，C31C31，C32C32电源滤波，减小噪声。电源滤波，减小噪声。 C25 C25高频补偿，高频补偿，C18C18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超凡用的前置放大器。超凡用的前置放大器。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H724B01H724B01。 D1 D1，D17D17组成双向限幅器，防止大信号呵斥放大

12、器阻塞。组成双向限幅器，防止大信号呵斥放大器阻塞。 L1 L1，R1R1，C1C1为高通滤波器。为高通滤波器。 C17 C17，C33C33，C148C148，C149C149电源退耦电容。电源退耦电容。 VR1 VR1电位器可调理增益，设计增益电位器可调理增益，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，进展微角扫查。优点：可不对称延迟，进展微角扫查。 缺陷：路数多，设备量大。缺陷：路数多，设备量大。 实例：实例：Aloka SSD-25

13、6Aloka 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、接纳多路转换开关二、接纳多路转换开关1 1组成组成IC17IC17IC38IC38：8 8选选1 1转接开关转接开关TR2TR2TR6TR6：倒相驱动管。：倒相驱动管

14、。2 2信号信号输入：输入：CH1CH1CH16CH16：前放输出：前放输出, ,输出：输出：F0F0F5F5：转接合成输：转接合成输出，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，并对称合成路，并对称合成为为F0F0F5F5的的6 6个信号。个信号。控制码变化，选择通路变控制码变化，选择通路变化，实现切换扫查。化，实现切换扫查。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的衔接，简化为图的衔接，简化为图5-7.5-7.RQE,RQDRQE,RQD1

15、,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(HPi=CHi)(HPi=CHi)例如：例如： RQE/ RQE/RQA/RQA/0111101111，经，经TR2TR2TR6TR6倒相，为倒相，为1000010000，那么，那么 F0 F0CH1+CH11, F1CH1+CH11, F1CH2+CH10, F2CH2+CH10, F2CH3+CH9,CH3+CH9, F3 F3CH4+CH8, F4CH4+CH8, F4CH5+CH7, F5CH5+CH7, F5CH6CH6 RQE/ RQE/RQ

16、A/RQA/0111001110，经，经TR2TR2TR6TR6倒相，为倒相，为1000110001，那么，那么 F0 F0CH2+CH12, F1CH2+CH12, F1CH3+CH11, F2CH3+CH11, F2CH4+CH10,CH4+CH10, F3 F3CH5+CH9, F4CH5+CH9, F4CH6+CH8, F5CH6+CH8, F5CH7CH7三、可变孔径电路三、可变孔径电路 可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接纳灵敏范围与孔径的关系接纳灵敏范围与孔径的关系根据：发射与接纳的互易性；发射超声场的结论。根据：发射与接纳的互易性；发射超声场的结论。 非

17、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，灵敏范围分散角越小。远场：孔径越大，灵敏范围分散角越小。 聚焦：聚焦： 焦点处直径：焦点处直径： dfdf2.44F/D D2.44F/D D接纳孔径接纳孔径 即：为使即：为使dfdf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MX

18、ICMXIC：模拟调制分别器：模拟调制分别器 A= A=“0 0,XX0,XX0, A= A=“1 1,XX1,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 F0-5 F0-5： 回波信号回波信号( (高频高频) ) AP0-2 AP0-2：门控信号：门控信号( (低频低频) )3 3单路任务原理单路任务原理 因因D D负极经负极经L L，低频接地，低频接地 AP AP“1 1：X X-8V-8V，D D截止截止 AP AP“0

19、0：X X+8V+8V，D D导通导通4 4组合任务过程组合任务过程由于，各阵元接纳的回波信号对应为：由于，各阵元接纳的回波信号对应为：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，使周边阵元接纳信号无效，即减少了接纳孔径。使周边阵元接纳信号无效，即减少了接纳孔径。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。分界间隔：分界间隔：S1S120mm20mm，S2S250mm50mm，S3S390mm90mm。由式：由式： tKi tKiSi /V

20、DSi /VD2Si/c2Si/c可算得各段时间：可算得各段时间： tK0117s tK0117s，tK165stK165s，tK226stK226s四、接纳相位调整电路接纳聚焦电路四、接纳相位调整电路接纳聚焦电路 作用作用对各阵元接纳的回波信号进展延迟调整二次曲线对各阵元接纳的回波信号进展延迟调整二次曲线变化，使焦点处回波到达同相位叠加。变化，使焦点处回波到达同相位叠加。 其本质是换能器空间灵敏范围的聚焦。其本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，多次接纳。发射与接纳同焦距，每次固定。多次发射，多次接纳。发射与接纳同

21、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，一次接纳。发射固定焦距，接纳动态焦距。一次发射，一次接纳。发射固定焦距，接纳动态焦距。 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，同步分段地挪动焦点。简述：以超声探查速度，同步分段地挪动焦点。2 2例例接纳实时接纳实时4 4段动态聚焦：段动态聚焦： 假设对应间隔假设对应间隔z1,z2,z3z1,z2,z3，回波所需时间为，回波所需时间为t1,t2,t3t1,t2,t3。那么：。那么： 回波接纳过程：回波接纳过程： 0 0t1t1时间：时间： 接纳接纳0 0z1z1内回波，用内回波，用4 48 8阵元，焦点

22、阵元，焦点N N，波束如，波束如()()。 t1 t1t2t2时间：时间： 接纳接纳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： 接纳接纳z2z2z3z3内回波内回波, ,用用2 21010阵元，焦点阵元，焦点F1F1，波束如，波束如()()。 t3 t3以后时间：以后时间： 接纳接纳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：有效接纳范围如图中粗线所围区域，有四个焦点。可见：有效接纳范围如图中粗线所围区域，有四个焦点。 接纳聚焦电路接纳聚焦电

23、路 EUB-240EUB-240型型B B超所用超所用1 1电路组成电路组成 DL1DL1DL5DL5：模拟延时线。：模拟延时线。 IC39IC39IC43IC43：多路转接开关。：多路转接开关。2 2信号信号 输入：接纳回波信号输入：接纳回波信号F0F0F5F5。 输出：合成信号。输出：合成信号。 控制：聚焦码控制：聚焦码FCN0-2/FCN0-2/。3 3功能功能 对各阵元接纳回波信号经对各阵元接纳回波信号经 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

24、同完成接纳动态聚焦。协同完成接纳动态聚焦。4 4各控制形状下的延时关系各控制形状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) )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 由于超声波随传播间隔时间的衰减，使一由于超声波随传播间隔时间的衰减，使一样反射系数的界面近间隔反射强，远间隔反射弱，样反射系数的界面近间隔反射强，远间隔反射弱，假设不给予补偿，那么图像将随深度时间而假设不给予

25、补偿，那么图像将随深度时间而逐渐变暗。逐渐变暗。 时间增益补偿：控制放大器增益随探测深度时间增益补偿：控制放大器增益随探测深度时间的添加而加大，以补偿超声随传播间隔时间的添加而加大，以补偿超声随传播间隔的衰减。的衰减。2 2各种称号各种称号时间增益补偿时间增益补偿 (Time Gain Compensation (Time Gain CompensationTGC)TGC)深度增益补偿深度增益补偿 (Depth Gain Compensation (Depth Gain CompensationDGC)DGC)灵敏度时间控制灵敏度时间控制(Sensitivity Time Control(Se

26、nsitivity Time ControlSTC)STC)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( (间隔间隔) )的关系：的关系： I II0e-2xI0e-2xI0e-2ct I0e-2ct 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、前置放大等处置，回波信号仍是：电转换、前置放大等处置，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实践情况及措施实践情况及措施 上述分析忽略了多种要素，仅为大致的补偿关系。.实践情况的复杂性

27、受超声任务频率的影响 f，f，频率高，衰减快。 多重界面反射的影响 实践常有多重界面，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。.对策 TGC控制波形指数波形(可变速率)修正波形操作者可调理：指数波形速率，修正波形外形根据实践情况，经过面板按钮、电位器操作。TGCGainDynamic RangeFocusDepth5 5电路框图电路框图 TGC TGC电压发生器电压发生器 产生一个随接纳时间深度而变的产生一个随接纳时间深度而变的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

28、变增益放大器的增益变化。 操作者由面板输入调理量，可调整操作者由面板输入调理量，可调整TGCTGC电压的波形，电压的波形， 实现临床干涉实现临床干涉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电压产生电路电压产生电路 通常：TGC电压波形指数电压波形可调电压波形1可调电压波形受调理的型式： 斜率控制型 可调电压的大致外形不变，但参数可由面板调理。 其中增益“台柱用来加强特定深度的回波。 间隔增量控制型整个探测深度分

29、成n段(如n=8)，每段一个控制点， 由面板上的滑杆电位器调理。调理值连线，即是可 调电压波形。见书P277。2 TGC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。 根本原理 ROM中存TGC电压函数值，在回波接纳过程中： 逐一读出函数值D/A各点电压衔接TGC电压波形 函数值寻址地址A0A9，由加法计数器计数产生。 TGC TGC波形的改动调整手段波形的改动调整手段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， 任务时根据情况选择。有八种任务时根据情况选择

30、。有八种TGCTGC曲线供选择。曲线供选择。 A12A12FCN2FCN20 03.5MHz3.5MHz探头，探头， 1 15MHz5MHz探头探头 A11A11ZOOMZOOM0 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 A10A10FAR FAR 0 0近程，近程， 1 1远程远程b)b)操作时随机调理操作时随机调理 调理附加在ROM中读出的固定函数曲线之上。 调理输入：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 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

31、方法控制放大器增益的方法 改动放大器的偏置改动放大器的偏置 右图因晶体管右图因晶体管( (一定范围内一定范围内) )： IbIb从而：从而： TGCTGC电压电压IbA IbA 改动放大器的反响改动放大器的反响 右图由于晶体管：右图由于晶体管： Rce1/Ib Rce1/Ib 而：而：A ARce/RRce/R， 从而：从而： TGCTGC电压电压IbRceA IbRceA 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 AG1 G2G1 G2其中：其中： G1 G111放大器放大器 G2 G211衰减器。衰减器。假设假设TGCTGC电压控制下，电压控制下，G2G

32、2可变，可变，即能起即能起TGCTGC作用。作用。a)a)衰减器根本构造衰减器根本构造( (右图右图) ) Uo Uo(R2/(R1+R2)Ui(R2/(R1+R2)Ui G GUo/UiUo/Ui R2/(R1+R2)R2/(R1+R2) 1 1b)b)电控变阻元件电控变阻元件 )二极管 IIs(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) RDdV/dI (KT/q)/(I+Is) (KT/q)/I (IIs) RD1/I)晶体管 Rce1/Ib )场效应管 RDS1/VGSc)c)电控衰减器举例电控衰减器举例

33、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阐明：阐明：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关扰。相互关扰。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

34、应管的跨导，从而改动放大器增益。电位可控制场效应管的跨导，从而改动放大器增益。 VR17 VR17调理调理G1G1电位电位静态增益调理。静态增益调理。 TGC TGC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控制电压控制电压任务点任务点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)，但增益小，信号紧缩。，但增益小，信号紧缩。 远场远场(t3t4)，回波弱，回波弱(Vi3，Vi4)，但增益大，信

35、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缘由缘由 超声传播时：超声传播时： I=I0e-2x, =fI=I0e-2x, =f 所以：高频所以：高频快，低频快，低频慢，慢， 呵斥：探测间隔呵斥：探测间隔信号信号f0(f0 f0(f0 频谱中心频率频谱中心频率) ) 2 2接纳频带范围固定的不利接纳频带范围固定的不利 接纳电路接纳电路f0f0信号信号f0f0高频损失高频损失分辨力分辨力 接纳电路接纳电路f0f0信号信号f0f0噪声添加噪声添加信噪比信噪比 3 3动态滤波的过

36、程和意义动态滤波的过程和意义 随探测间隔随探测间隔接纳电路的接纳电路的f0f0， 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电路构造及特性电路构造及特性 如图：如图：DcDc为变容二极管，为变容二极管，L L、C1C1、DcDc构成构成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f0f0时，时，回路阻抗回路阻抗Z0Z0最大。最大。 此时电路

37、可看成此时电路可看成R R与与Z0Z0构成的衰减构成的衰减器对信号的衰减最小，输出器对信号的衰减最小，输出UoUo最大。当最大。当ff0ff0时，输出时，输出UoUo减小。减小。 f0 f0 也称为滤波器通带中心频率。也称为滤波器通带中心频率。CRLZ001011,2DDCCfCCCLC2 2DFDF任务过程任务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CDCD电压特性：电压特性： ECD ECD所以在回波信号接纳过程中：所以在回波信号接纳过程中：DDFDDF电压电压CDC=C1CD/(C1+CD)CDC=C1CD/(C1+CD)滤波器滤波器f0f0EDc3动态滤波电路实例动态滤

38、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。V1V1、V2V2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、C1C1和和V1V1、V2V2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 1DFDF电压的取值范围和变化规律电压的取值范围和变化规律 由以下要素确定由以下要素确定 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

39、测介质人体对超声衰减的频率特性。 探头任务频率频谱中最强分量频率的变化。探头任务频率频谱中最强分量频率的变化。 察看视野的挪动。察看视野的挪动。 图像电子放大与否。图像电子放大与否。 可见，后三种要素是不确定的，由操作者决议。可见，后三种要素是不确定的，由操作者决议。 故故DFDF电压也应是可变的，由操作者暂时确定。电压也应是可变的，由操作者暂时确定。2 2DFDF电压发生器电路方式电压发生器电路方式 可有多种方式，由于波形的可变性，在微机化可有多种方式，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。3DF电压

40、发生器实例电压发生器实例(EUB-240B超用超用) 电路组成电路组成 IC42 IC42：驱动器，：驱动器，74HC24474HC244。 IC44 IC44：D/AD/A转换器。转换器。DAC-08CNDAC-08CN。 IC46 IC46：流压变换器，：流压变换器，TL081TL081，有滤波回路。，有滤波回路。 R150 R150、L2L2、C156C156：低通滤波器，平滑输出波形。：低通滤波器，平滑输出波形。 任务过程任务过程 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，构成DF电压波形。

41、CPU送出不同数据可得不同波形。 波形图 接纳期，DF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。L20L20、C212C212、C C和变容二极管和变容二极管D37D37、D38D38组成选频槽路。组成选频槽路。L21L21、C213C213、C150C150和变容二极管和变容二极管D39D39、D40D40组成选频槽组成选频槽路。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缘由缘由回波信号动态范围：回波信号动态范围： L

42、D LD100 dB100 dB 显像亮度动态范围：显像亮度动态范围： LD LD202030dB30dB 假设直接显示：假设直接显示： 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 好像胶片曝光太过和曝光缺乏。好像胶片曝光太过和曝光缺乏。 需求紧缩信号动态范围：需求紧缩信号动态范围： 100dB20 100dB2030dB30dB 同时，并不丧失亮度信息。同时，并不丧失亮度信息。 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、丧失信息淹没、丧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 uo uoK1lg(K2ui)K1l

43、g(K2ui)K1lgK2+(K1/20)(20lgui)K1lgK2+(K1/20)(20lgui) 其中：其中：K1K1斜率，斜率， K2 K2对数偏向。对数偏向。 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： uoG2K1lg(K2G1ui)其中：其中：

44、G1，G2线性放大器增益线性放大器增益令：令： K1G2K1 K2G1K2那么：那么： uoK1lg(K2ui)故可：改动故可：改动G1、G2改动改动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ui0时： uoK1lg(K2ui)- 不可实现 实践的对数放大器，小信号时： u0K3ui 线性放大 动态范围紧缩特性 当线性-对数放大特性平滑过渡时，可推得： LDo1+lnLDi 其中：LDiuimax/uimin 输入信号动态范围 LDouomax/uomin 输出信号动态范围 普通

45、：LDi1， 右图可见： LDoLDi 即：可紧缩信号 的动态范围。LDoLDo1+lnLDi1+lnLDiLDoLDoLDiLDi110LDLDo oLDLDi i2. 2. 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紧缩比较动态紧缩比较 TGC TGC放大放大 浅部信号浅部信号( (含含Umax)Umax)增益小：增益小：UOmaxUOmaxA1Uimax A1Uimax ，A1A1小小 深部信号深部信号( (含含Umin)Umin)增益大：增益大：UOminUOminA2Uimin A2Uimin ，A2A2大大 UOmax/UOmin UOmax/UOminA

46、1Uimax/A2UiminA1Uimax/A2UiminUimax/Uimin Uimax/Uimin 也有紧缩信号动态范围的作用。也有紧缩信号动态范围的作用。 但中间信号并不按比例紧缩。但中间信号并不按比例紧缩。 总动态范围紧缩。总动态范围紧缩。 对数放大对数放大 增益只与增益只与UiUi有关，与时间无关。有关，与时间无关。 信号全部按一定规律紧缩。信号全部按一定规律紧缩。 瞬时动态范围和总动态范围全面紧缩。瞬时动态范围和总动态范围全面紧缩。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 TGC TGC放大紧缩信号动态范围：放大紧缩信号动态范围：100dB6

47、0dB100dB60dB 要求对数放大器：要求对数放大器：LDiLDi60dB60dB，电路可简化。，电路可简化。 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：LDiLDi100dB100dB。 输入信号伴有随传播间隔输入信号伴有随传播间隔( (时间时间) )的指数衰减：的指数衰减： I II0e-2x I0e-2x I0e-2ctI0e-2ct 经线性声经线性声- -电变换和放大得：电变换和放大得： V VV0e-2ctV0e-2ct时间指数衰减时间指数衰减 经对数放大：经对数放大： U UK1lg(K2V0e-2ct)K1lg(K2V0e-2ct) K

48、1lg(K2V0)-2K1ctlgeK1lg(K2V0)-2K1ctlge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. 根本对数放大器电路原理根本对数放大器电路原理二极管特性二极管特性 I IIs(eVq/KT-1)Is(eVq/KT-1) 室温下室温下2020，KT/q26mVKT/q26mV 当当V VKT/qKT/q时，可有：时，可有： IIseVq/KT IIseVq/KT 或：或：V(KT/q)ln(I/Is)V(KT/q)ln(I/Is)根本对数放大器根本对数放大器( (如图如图) ) I IU

49、i/RUi/RIDID UO UO-VD-VD -(KT/q)ln(I/Is)-(KT/q)ln(I/Is) -(KT/q)ln(Ui/IsR)-(KT/q)ln(Ui/IsR) 但是，二极管对数任务的动态范围很窄，但是，二极管对数任务的动态范围很窄， 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构造宽输入动态范围对数放大器的构造一概述一概述 特性要求特性要求 作用：紧缩广大的信号动态范围作用：紧缩广大的信号动态范围 要求：有广大的输入动态范围。要求：有广大的输入动态范围。 称号及含义称号及含义 称号：似对数放大器称号：似对数放大器

50、 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。 构造和类型构造和类型 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：L1L1，L2L2，LNLN限幅放大器，特性一样。限幅放大器，特性一样。 假设放大区为线性，那么可写为：假设放大区为线性，那么可写为： 0 0 ， Vi Vi0 0 截止区截止区 Vo

51、Vo KVi KVi ， 0Vi 0ViVT VT 线性放大区线性放大区 Vm Vm ， ViVT ViVT 限幅区限幅区 其中：其中：K K1 1放大，放大，VmVmKVTKVT电路总体输入输出关系电路总体输入输出关系 分析 K1，故限幅放大器放大区有： VoVi 那么当信号很小，各级限幅放大器都在放大区时： VopVip， P1,2,3,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。 每添加一级限幅，uo的增益减小KN-P，数值添加Vm。 电路总体输入输出关系式电路总体输入输出关系式o ou u0 0N N0 0j jj ji iK Ku um m1 1N N

52、0 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 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 T

53、V Vu uK KV VT Ti iV Vu uN N2 21 10 0P P， 电路总体输入输出关系曲线电路总体输入输出关系曲线上式阐明：上式阐明： 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 分析此函数与规范对数函数间的误差。 规范对数函数的特征 对于对数函数: uoK1lg(K2ui) 如输入一组公比为R的等比量： uiPuiP-1R， P1,2N 那么输出： uoPuoP-1K1lg(K2uiP)K1lg(K2uiP-1) K1lg(uiP/uiP-1) K1lgR 为一组公

54、差为K1lgR的等差量。 与规范对数函数之间的误差与规范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： uip, uop, P1,2N那么：那么：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 PN NT TP PN N0 0j jm mj jP PN NT T1 1o op po op p1 1) )V V- -(

55、 (P PK KK KV VP PV VK KK KV Vu uu u时时）近近似似等等差差量量( (1 1K KV VK KV VV VV VK KK KK KV Vm m1 1P PN NT Tm mm m1 1P PN N1 1j j1 1P PN N0 0j jj jj j1 1P PN NT T三并联相加型对数放大器三并联相加型对数放大器框图框图 图中：图中： A1,A2,ANN A1,A2,ANN个线性放大器。个线性放大器。 L1,L2,LNN L1,L2,LNN个限幅放大器，特性一样。个限幅放大器，特性一样。 为加法器。为加法器。 单级限幅及线性放大器特性单级限幅及线性放大器特性

56、 限幅放大器限幅放大器假定放大区为线性，可有：假定放大区为线性，可有： 0 , Vi 0 , ViVs Vs 截止区截止区 Vo Vo KVi-, VsVi KVi-, VsViVT VT 线性放大区线性放大区 Vm , ViVT Vm , ViVT 限幅区限幅区 其中：其中：KVsKVs， Vm VmKVT-KVT- 线性区动态范围为：线性区动态范围为： lDi lDi20lg(VT/VS)20lg(VT/VS) 线性放大器线性放大器 放大倍数均为放大倍数均为A A， A AVT/VS VT/VS 即：即： 20lgA 20lgA20lg(VT/VS)20lg(VT/VS)lDilDi电路总

57、的输入输出关系电路总的输入输出关系 分析分析 AVT/Vs1 AuiA2ui AN-Pui ANui当任一级输入：当任一级输入：AN-PuiVs， 刚进放大区时，刚进放大区时，其后一级输入：其后一级输入：AN-P+1uiAVsVT，刚进限幅区。，刚进限幅区。即：相邻两极同时进展形状变化即：相邻两极同时进展形状变化类似接力。类似接力。故任一时辰仅一级放大，其前均截止，其后均限幅。故任一时辰仅一级放大，其前均截止，其后均限幅。 假设有假设有P级限幅，那么级限幅，那么uo的增益下降的增益下降AP倍，数值添加倍，数值添加PVm。 电路总的输入输出关系式电路总的输入输出关系式o ou u0 0u uK

58、KA Ai iN Nm mi i1 1- -N NV Vu uK KA Am mi i2 22 2) )V V( (N Nu uK KA Am mi i1 1) )V V( (N NK KA Au um mN NV Vm mi iP P- -N NP PV Vu uK KA AN NS Si iA AV Vu u1 1N NS SN NT Ti iN NS SA AV VA AV Vu uA AV V2 2N NS S1 1N NT Ti i1 1N NS SA AV VA AV Vu uA AV V1 1) )( (P P- -N NS SP P- -N NT Ti iP P- -N NS

59、SA AV VA AV Vu uA AV VA AV VA AV Vu uA AV VS S2 2T Ti i2 2S SA AV Vu uA AV VT Ti iS SA AV Vu uT Ti iP=0,1,2,N-1P=0,1,2,N-1 电路总的输入输出关系曲线电路总的输入输出关系曲线上式阐明：上式阐明： 此输入输出关系曲线也是多段折线。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。输入越大，对应折线斜率越小，放大器增益越小。uoui0ui1ui2 ui3ui4ui5uo1= Vmuo0= 0ui A=2N=5N=4N=3N=2N=1VT/AVT/AVs

60、/AVs/AVs/A2Vs/A2Vs/A3Vs/A3uo2=2Vmuo3=3Vmuo4=4Vmuo5=5Vm误差分析误差分析分析此函数与规范对数函数间的误差。分析此函数与规范对数函数间的误差。令函数折线各拐点对应的输入和输出为：令函数折线各拐点对应的输入和输出为： uip, uop, P0,1,2N 如上图如上图折线各拐点完全符合对数关系，误差为零。折线各拐点完全符合对数关系，误差为零。 假设拐点之间以对数曲线衔接，将非常理想。假设拐点之间以对数曲线衔接，将非常理想。等等比比量量A AA AV VA AV Vu uu u1 1) )- -( (P PN NS SP PN NS S1 1i ip