超声成像仪器讲义.pptx

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1、 当超声探头固定不动时，一束超声波产生的回波信号将显示为一条由明暗不等的断续光点构成的直线。当超声探头平行于物体或身体表面移动时，调节垂直偏转板的电压，使得沿水平方向移动的光迹一条能落在另一条的上方，多条直线依次排列，这样就可以构成一幅物体或人体的断面图像。后来B超利用了多阵元探头，用多个探头同时测量，这样就能一次性将图像显示在荧光屏上。第1页/共78页B B型超声仪型超声仪是一种超声切面显像仪。在探测时超声探头在人体表面以一定规律运动,超声束切面扫查人体,以回波信号调辉显示,获得明暗光点,这光点在显示屏上按探头同样的规律运动,构成一幅超声切面图像。B型超声根据其扫描方式分为线性电子扫描,相控

2、聚焦扫描,机械或电子扇扫.在临床应用中,扇形扫描在探查心脏方面有独到好处,线性和相控聚焦扫描适用于腹部区域大面积的探测.第2页/共78页二、基本结构1、发射与接收：电子聚焦数据的形成；超声的发射与接收；TGC信号的形成；信号的对数压缩；接收信号的放大与检波等。2、中央控制单元：A/D和D/A；数据的存储和读取；数字扫描变化；焦点的控制与切换；主控信号；数据的实时相关处理；字符显示及测量功能。第3页/共78页1、概述、概述接收系统的主要作用接收系统的主要作用 （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

3、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）回波信号预处理）回波信号预处理 前置放大，前置放大，TGC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。三、三、超声接收系统概况超声接收系统概况 第4页/共78页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（EUB

4、-240型线扫式B超）（双线箭头多路信号；单线箭头单路信号）第5页/共78页各部分的简要工作原理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：80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16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

5、择16路前置放大器输出中的路前置放大器输出中的11路路扫查。扫查。并合成为并合成为6个信号个信号F0-F5。控制：控制：RQA/RQE/码。码。第6页/共78页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，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F2、F1、F0。控制：控制：AP0/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

6、焦作用：接收灵敏范围的聚焦。方法：对方法：对F0F5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：FCN0FCN2码，控制延迟变化的二次曲线曲率，也即控制聚焦焦距。码，控制延迟变化的二次曲线曲率，也即控制聚焦焦距。第7页/共78页增益控制和动态滤波增益控制和动态滤波uTGC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-2x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。uDF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

7、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。第8页/共78页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，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。检波器检波器作用：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。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，使之便于识别和测量。控制：ENH信号，控制增强效果。第9页/共78页1）基本要求）基本要求原因：阵元获取信号原因：阵元获取信号10-30Vp-p，合成电路本身噪音合

8、成电路本身噪音30Vp-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-240型型B超有超有16路，路，EUB-40型型B超有超有24路。路。基本要求：基本要求：（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、前置信号放大、前置信号放大 第10页/共78页（2）动态范围大）动态范围大前放动态范围信号动

9、态范围前放动态范围信号动态范围100dB，不丢失有价值的信息。不丢失有价值的信息。（3）功率增益）功率增益(P)大大 P=10lgKP (dB)其中，其中，KP放大器功率放大倍数放大器功率放大倍数 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EUB系列系列B超，前放超，前放 P24dB。（4）噪声系数）噪声系数(F)小小 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1 理想：理想：F1，即放大器无附加噪声。，即放大器无附加噪声。实际：实际：F1，晶体管、电阻等总有噪声。，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。小，有限噪声灵敏度高，放

10、大器动态范围大。第11页/共78页2）前置放大器电路）前置放大器电路（1）前置放大器之一前置放大器之一东芝东芝SAL系列线扫系列线扫B超的前置放大器超的前置放大器第12页/共78页特点分析特点分析由三级直接耦合放大器组成。A7（17dB）TR20为射随器，使之与延时线负载阻抗匹配。R62引入深度负反馈，展宽频带，提高稳定性。D33,D34组成双向限幅器，防止大信号阻塞放大器。15V，5V供电，使输出信号动态范围达15V以上。各级射极直流负反馈，稳定工作点，最小可辨信号小。L20，C31，C32电源滤波，减小噪声。C25高频补偿，C18耦合电容。第13页/共78页（2）前置放大器之二日立公司B超

11、常用的前置放大器。EUB-240型也用此。特点：IC1是大动态、高稳定的集成运算放大器H724B01。D1，D17组成双向限幅器，防止大信号造成放大器阻塞。L1，R1，C1为高通滤波器。C17，C33，C148，C149电源退耦电容。VR1电位器可调节增益，设计增益24dB。C33第14页/共78页1）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3、超声回波信号的合成 第15页/共78页（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

12、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EUB系列系列B超（如超（如EUB-240）采用此法。）采用此法。第16页/共78页2）接收多路转换开关）接收多路转换开关（1）组成）组成IC17IC38：8选选1转接开关转接开关TR2TR6：倒相驱动管。：倒相驱动管。（2）信号）信号输入：输入：CH1CH16：前放输出：前放输出,输出：输出：F0F5：转接合成输出，：转接合成输出，控制：控制：RQA/RQE/码码（3）功能）功能 从从16路前置放大器输出中，路前置放大器输出中，每次

13、选通每次选通11路，并对称合成为路，并对称合成为F0F5的的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。实现切换扫查。第17页/共78页（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,RQD的连接，简化为图的连接，简化为图5-7.RQE,RQD1,0或或0,1，有输出的芯片编号，如图，有输出的芯片编号，如图5-8。第18页/共78页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)例如：RQE/RQA/01111，经TR2TR6倒相，为10000，则F0CH1+CH11,F1CH2+CH10,F2CH3+CH9

14、,F3CH4+CH8,F4CH5+CH7,F5CH6RQE/RQA/01110，经TR2TR6倒相，为10001，则F0CH2+CH12,F1CH3+CH11,F2CH4+CH10,F3CH5+CH9,F4CH6+CH8,F5CH7第19页/共78页3）可变孔径电路）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）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

15、大，灵敏范围扩散角越小。聚焦：聚焦：焦点处直径：焦点处直径：df2.44F/D D接收孔径接收孔径 即：为使即：为使df小，当小，当F增大时，增大时，D也应增大。也应增大。（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）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。第20页/共78页可变孔径电路可变孔径电路（1）组成及作用）组成及作用MXIC：模拟调制分离器：模拟调制分离器 A=“0”,XX0,A=“1”,XX1,X端端RC：低通滤波器；：低通滤波器；C：隔低频，通高频信号；：隔低频

16、，通高频信号；L：隔高频，通低频信号。：隔高频，通低频信号。D：二极管开关；：二极管开关；（2）信号）信号 F0-5：回波信号回波信号(高频高频)AP0-2：门控信号：门控信号(低频低频)（3）单路工作原理）单路工作原理 因因D负极经负极经L，低频接地，低频接地 AP“1”：X-8V，D截止截止 AP“0”：X+8V，D导通导通第21页/共78页（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：F0F5周边中心周边中心因此，切断因此，切断F0，F1，F2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

17、周边阵元接收信号无效，即缩小了接收孔径。第22页/共78页（5 5）时间段计算举例将探测深度分四段：近场，中场，远场，远场。分界距离：S S1 120mm20mm，S S2 250mm50mm，S S3 390mm90mm。由式：t tKiKiS Si i/V/VD D2S2Si i/c/c可算得各段时间：t tK0K0117s117s，t tK1K165s65s，t tK2K226s26s第23页/共78页4）接收相位调整电路（接收聚焦电路）接收相位调整电路（接收聚焦电路）（1）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（二次曲线变化），使焦点处回

18、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。（2）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。（3）实时分段动态聚焦原理）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。）简述：以超声探查速度，同步分段地移动焦点。（2）例）例接收实时接收实时4段

19、动态聚焦：段动态聚焦：若对应距离若对应距离z1,z2,z3，回波所需时间为，回波所需时间为t1,t2,t3。则：。则：第24页/共78页回波接收过程：回波接收过程：0t1时间：时间：接收接收0z1内回波，用内回波，用48阵元，焦点阵元，焦点N，波束如，波束如()。t1t2时间：时间：接收接收z1z2内回波内回波,用用39阵元，焦点阵元，焦点M，波束如，波束如()。t2t3时间：时间：接收接收z2z3内回波内回波,用用210阵元，焦点阵元，焦点F1，波束如，波束如()。t3以后时间：以后时间：接收接收z3以外回波，用以外回波，用111阵元，焦点阵元，焦点F2，波束如，波束如()。可见：有效接收范

20、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。第25页/共78页（4）接收聚焦电路）接收聚焦电路 （EUB-240型型B超所用）超所用）u电路组成电路组成 DL1DL5：模拟延时线。：模拟延时线。IC39IC43：多路转接开关。：多路转接开关。u信号信号 输入：接收回波信号输入：接收回波信号F0F5。输出：合成信号。输出：合成信号。控制：聚焦码控制：聚焦码FCN0-2/。u功能功能 对各阵元接收回波信号对各阵元接收回波信号经经 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聚焦码控制二次曲线曲率，即焦距。

21、与可变孔径电路，率，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。第26页/共78页u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，5MHz)，各，各4个焦点，共个焦点，共8个焦点。个焦点。第27页/共78页1）时间增益补偿（）时间增益补偿（TGC）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）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，使相同反射系数的界面近距离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，若不给予补偿，则图像将随深度（时间）而逐渐变暗。射

22、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。偿超声随传播距离的衰减。（2）各种名称）各种名称时间增益补偿时间增益补偿(Time Gain CompensationTGC)深度增益补偿深度增益补偿(Depth Gain CompensationDGC)灵敏度时间控制灵敏度时间控制(Sensitivity Time ControlSTC)4、预处理电路 第28页/共78页（3）补偿原理）补偿原理 声传播强度与时间声传播强度与时

23、间(距离距离)的关系：的关系：II0e-2xI0e-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。第29页/共78页（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 f，f，频率高，衰减快。，频率高，衰减快。多重界面反

24、射的影响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。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 TGC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。第30页/共78页（5）电路框图）电路框

25、图 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TGC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TGC电压的波形，电压的波形，实现临床干预实现临床干预TGC过程。过程。可变增益放大器可变增益放大器 在在TGC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。第31页/共78页TGCTGC电压产生电路电压产生电路通常：通常：TGC电压波形指数电压波形

26、可调电压波形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：）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段段(如如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。调电压波形。第32页/共78页（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

27、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 ROM中存中存TGC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/A各点电压连接各点电压连接TGC电压波形电压波形 函数值寻址地址函数值寻址地址A0A9，由加法计数器计数产生。，由加法计数器计数产生。第33页/共78页 TGC波形的改变调整手段波形的改变调整手段a)制造时预先设计在制造时预先设计在ROM中中 在在ROM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TGC曲线供

28、选择。曲线供选择。A12FCN20（3.5MHz探头），探头），1（5MHz探头）探头）A11ZOOM0（电子放大率（电子放大率1），），1（电子放大率（电子放大率2）A10FAR 0（近程），（近程），1（远程）（远程）第34页/共78页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ROM中读出的固定函数曲线之上。中读出的固定函数曲线之上。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GAIN0-7,修正方法：修正方法：TGC波形波形ROM数据修正数据数据修正数据GAIN0-7 波形波形可调可调第35页/共78页增益控制电路（可

29、变增益放大器）增益控制电路（可变增益放大器）（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)：Ib从而：从而：TGC电压电压IbA 改变放大器的反馈改变放大器的反馈 右图由于晶体管：右图由于晶体管：Rce1/Ib 而：而：ARce/R，从而：从而：TGC电压电压IbRceA R第36页/共78页 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：AG1 G2其中：其中：G11放大器放大器 G21衰减器。衰减器。若若TGC电压控制下，电压控制下，G2可变，可变，即能起即能起TGC作用。作用。a)

30、衰减器基本结构衰减器基本结构(右图右图)Uo(R2/(R1+R2)Ui GUo/Ui R2/(R1+R2)1第37页/共78页b)电控变阻元件电控变阻元件)二极管二极管 IIs(eVq/KT-1)其中：其中：Is反向饱和电流，反向饱和电流，K波尔兹曼常数波尔兹曼常数 q电子的电荷量，电子的电荷量，T绝对温度绝对温度 V(KT/q)ln(I+Is)RDdV/dI (KT/q)/(I+Is)(KT/q)/I (IIs)RD1/I)晶体管晶体管 Rce1/Ib )场效应管场效应管 RDS1/VGS第38页/共78页c)c)电控衰减器举例以上：以上：(a)串联二极管型，串联二极管型，(b)并联二极管型

31、，并联二极管型，(c)并联场效应并联场效应管型管型说明：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：L隔高频通低频、隔高频通低频、C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。第39页/共78页（2）可变增益放大器实例）可变增益放大器实例 TR19第一级放大第一级放大 TR20，TR21具正向压控增益特性的双栅极场效应管放大具正向压控增益特性的双栅极场效应管放大器。器。控制控制G1、G2电位可控制场效应管的跨导，从而改变放大器增益。电位可控制场效应管的跨导，从而改变放大器增益。VR17调节调节G1电位电位

32、静态增益调节。静态增益调节。TGC电压控制电压控制G2电位电位TGC控制。控制。TR22，TR23为为射极跟随器。射极跟随器。第40页/共78页 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)，但增益小，信号压，但增益小，信号压缩。缩。远场远场(t3t4)，回波弱，回波弱(Vi3，Vi4)，但增益大，信号，但增益大，信号放大。放大。第41页/共78页2）动态滤波（）动态滤波（Dynamic Filter：DF）电路）电路动态滤波的意义动态滤波的意义 （1

33、）原因）原因 超声传播时：超声传播时：I=I0e-2x,=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f0(f0 频谱中心频率频谱中心频率)（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f0信号信号f0高频损失高频损失分辨力分辨力 接收电路接收电路f0信号信号f0噪声增加噪声增加信噪比信噪比（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f0，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。第42页/共78页动态滤

34、波动态滤波(DF)电路电路 动态滤波，也就是通频带可变的带动态滤波，也就是通频带可变的带通滤波器。通滤波器。（1）电路结构及特性）电路结构及特性 如图：如图：Dc为变容二极管，为变容二极管，L、C1、Dc构成构成LC并联回路。并联回路。当信号频率当信号频率f等于回路谐振频率等于回路谐振频率f0时，时，回路阻抗回路阻抗Z0最大。最大。此时电路（可看成此时电路（可看成R与与Z0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Uo最大。最大。当当ff0时，输出时，输出Uo减小。减小。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。第43页/共78页（2）DF工作过程

35、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CD电压特性：电压特性：ECD所以在回波信号接收过程中：所以在回波信号接收过程中：DDF电压电压CDC=C1CD/(C1+CD)滤波器滤波器f0EDc第44页/共78页（3）动态滤波电路实例）动态滤波电路实例如图为如图为EUB-27所用带通滤波器。所用带通滤波器。V1、V2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)400PF(1V)L、C1和和V1、V2组成组成LC选频网络。选频网络。第45页/共78页DF电压发生器

36、电压发生器（1）DF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DF电压也应是可变的，由操作者临时确定。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电压发生器电路形式 可有多种形式

37、，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超超 中，用数字函数发生器获取中，用数字函数发生器获取DF函数电压比较方便。函数电压比较方便。第46页/共78页（3）DF电压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：驱动器，：驱动器，74HC244。IC44：D/A转换器。转换器。DAC-08CN。IC46：流压变换器，：流压变换器，TL081，有滤波回路。，有滤波回路。R150、L2、C156：低通滤波器，平滑输出波形。：低通滤波器，平滑输出波形。第47页/共78页 工作过程工作过程CPU以一定速率送出数据以一定速率送出数据DDF0

38、-4(5位位)，经驱动器后，经驱动器后，由由D/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DF电压波形。电压波形。CPU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，DF电压以近似指数规律下降。周期性变化。电压以近似指数规律下降。周期性变化。第48页/共78页TGCTGC和DFDF综合实例（EUB-240EUB-240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。L20、C212、C136和变容二极管和变容二极管D37、D38组成选频槽

39、路。组成选频槽路。L21、C213、C150和变容二极管和变容二极管D39、D40组成选频槽路。组成选频槽路。第49页/共78页5、对数放大器、对数放大器1）对数放大的意义）对数放大的意义（1）原因）原因回波信号动态范围：回波信号动态范围：LD100 dB 显像亮度动态范围：显像亮度动态范围：LD2030dB 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：100dB2030dB 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

40、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、丢失第50页/共78页（）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 uoK1lg(K2ui)K1lgK2+(K1/20)(20lgui)其中：其中：K1斜率，斜率，K2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。第51页/共78页 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(K2V

41、i)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：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)第52页/共78页 小信号放大特性的修正小信号放大特性的修正当当ui0时：时：uoK1lg(K2ui)-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：u0K3ui 线性放大线性放大 动态范围压缩特性

42、动态范围压缩特性 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：LDo1+lnLDi 其中：其中：LDiuimax/uimin 输入信号动态范围输入信号动态范围 LDouomax/uomin 输出信号动态范围输出信号动态范围 一般：一般：LDi1，右图可见：右图可见：LDoLDi 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 LDiDi第53页/共78页2）对数放大和）对数放大和TGC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 TGCTGC

43、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

44、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。第54页/共78页（）位置安排的影响（）位置安排的影响 先先TGC放大，再对数放大放大，再对数放大 TGC放大压缩信号动态范围：放大压缩信号动态范围：100dB60dB 要求对数放大器：要求对数放大器：LDi60dB，电路可简化。，电路可简化。先对数放大，再先对数放大，再TGC放大放大 要求对数放大器：要求对数放大器：LDi100dB。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

45、减：II0e-2x I0e-2ct 经线性声经线性声-电变换和放大得：电变换和放大得：VV0e-2ct时间指数衰减时间指数衰减 经对数放大：经对数放大：UK1lg(K2V0e-2ct)K1lg(K2V0)-2K1ctlge时间线性衰减时间线性衰减 这使这使TGC简化简化线性补偿，线性补偿，TGC电压产生电路简化。电压产生电路简化。第55页/共78页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 IIs(eVq/KT-1)室温下（室温下（20），），KT/q26mV 当当VKT/q时，可有：时，可有：IIseVq/KT 或：或：V(KT/q)ln(I/Is)（）基

46、本对数放大器（）基本对数放大器(如图如图)IUi/RID 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，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。第56页/共78页4）集成对数放大器）集成对数放大器TL441现代现代B超通常采用集成对数放大器，超通常采用集成对数放大器，TL441应用最普遍。应用最普遍。产品公司：产品公司：美国德州仪器公司（美国德州仪器公司（Texas Instrument Inc）（）（）TL441的内部电路图的内部电路图 第57页/共78页（）电路

47、分析（）电路分析如图为一半电路。如图为一半电路。组成组成 T1-T2；T3-T4；T5-T6；T7-T8：四级差分放大器。四级差分放大器。T11,T12,T13,T14：射极恒流源负载。射极恒流源负载。T9,T10：差分输出级。差分输出级。电阻：电阻：R1590 R22.73 K R3590 R4147 K第58页/共78页 单级差分放大器工作原理单级差分放大器工作原理假设：Is1Is2 管子对称，uiVb1-Vb2Vbe1-Vbe2 则：或：其中：再令：射极恒流源电流为Ik，则：Ic1Ic2Vb1Vb2Ie1Ie2Ik第59页/共78页IC1-IC2与与ui关系的归一化曲线：关系的归一化曲线

48、：（取：（取：KT/q26mV）特点：非线性限幅函数。特点：非线性限幅函数。分区：对数区：分区：对数区：ui13mV75mV（15dB）。）。(在对数在对数-线性座标系中，曲线线性段线性座标系中，曲线线性段)线性区：线性区：ui-40dB.限幅区：限幅区：ui-20dB.第60页/共78页 级联关系级联关系.输入级联输入级联 T1-T2与与T3-T4：R2,R3衰减量为：衰减量为：.输出级联输出级联 uoVY+-VY-(V+-Ic9R9)-(V+-Ic10R10)(Ic10-Ic9)R (Ie10-Ie9)R (Ic1+Ic3+Ic5+Ic7)-(Ic2+Ic4+Ic6+Ic8)R (Ic1-

49、Ic2)+(Ic3-Ic4)+(Ic5-Ic6)+(Ic7-Ic8)R T9,T10：流压变换，合成差分电压输出：流压变换，合成差分电压输出第61页/共78页 总体框图总体框图每级对数动态范围每级对数动态范围15dB，级间衰减，级间衰减-15dB，两级组合对数放大输入动态范围：两级组合对数放大输入动态范围：LDi30dB。非线性限幅并联相加型对数放大器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。：对数线性度调节，以利匹配。第62页/共78页5）集成对数放大器）集成对数放大器TL441在在B超中的应用超中的应用（）一个实用对数放大器的方框图 非线性限幅

50、并联相加型对数放大器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：对数放大输入动态范围：LDi430dB120dB第63页/共78页（2）EUB-240型型B超用对数放大器超用对数放大器TL441小动态应用实例小动态应用实例 适用：先适用：先TGC，后对数，后对数 要求：要求：IC线性增益线性增益30dB 输入动态范围输入动态范围:理论：理论：LDi23060dB 实际：实际：LDi50dB 因对数放大动态范围因对数放大动态范围 之外有过度区，与前述之外有过度区，与前述 的理论分析之间产生误的理论分析之间产生误 差。差。输出动态范围：输出动态范围：LDo27dB第64页/共78页 电路