超声波扫描仪

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借助业界首款集成发送/接收开关 TX810,TI 加快了超声波系统的设计速度并将电路板面积减小 50% 以上

不管是医疗还是工业用超声波系统均采用聚焦成像技术,该技术所能达到的成像性能远远超出单通道的方案。采用阵列接收器,通过时间平移、缩放以及智能求和回波能量,可以构建高清晰度的图像。时间平移的概念以及缩放(基于传感器阵列所接收的信号)提供了对扫描区域单点“聚焦”的能力。通过一定的顺序聚焦于不同的点,最终汇集成像。

在扫描开始时,将产生一个脉冲信号并通过每个 8 至 512 传感器的单元发出。此脉冲将定时定量的&#34照射&#34人体的特定区域。在发射之后,传感器立即切换至接收模式。该脉冲此时将构成机械能的形态,以高频声波传播通过人体,典型频率范围介于 1MHz 至 15MHz 之间。随着传播的进行,信号急剧衰减,衰减量与传播距离的平方成正比。而随着信号的传播,一部分波前能量将被反射。这部分发射即为回波,将被接收电子器件检测到。由于反射靠近人体的表皮,直接反射的信号将十分强,而历经一段时间之后,反射所发出的脉冲将非常微弱,这是源于人体深处的反射。

传输至人体内部的总能量是有限的,因此业界必须开发出极为敏感的接收电子器件。在接近于皮肤的聚焦点,接收的回波非常强仅需要很小甚至不需要任何的放大。此区域被称为近区。但在深入人体的聚焦点,接收回波将异常的微弱,需要放大上千倍甚至更多。此区域被称为远区。在高增益(远区)模式下,对性能的限制主要源于接收链路中所有噪声信号源的叠加。对接收噪声影响最大的两个因素分别为传感器/电缆线的组装以及用于接收低噪声放大器 (LNA)。在低增益(近区)模式下,对性能的限制主要由输入信号的量级界定。上述两个区域信号之间的比率定义了系统的动态范围。许多接收链路都集成了具有可变增益放大器的 LNA。

低通滤波器应用于 VCA 及 ADC 之间,用于反锯齿滤波并限制噪声带宽。此处通常使用 2 至 5 极点滤波器,线性相位拓扑。在选择运算放大器时,首要的考虑因素包括了信号摆幅、最低及最高输入频率、谐波失真及增益需求。模数转换器 (ADC) 一般为 10 至 12 位。SNR 及功耗是最着重考虑的问题,随后是通道集成。ADC 的另一个趋势就是实现 ADC 与波束成型器之间的 LVDS 接口。通过串行化 ADC 的输出数据,一个 512 通道的系统可将其通道数由 6144 降低至 1024。这一降低将实现更小、更低成本的 PC 载板。

DSP 被用于多普勒处理、2D、3D 乃至 4D 成像以及大量后处理算法的成像系统,以增加功能并改善性能。而成像系统的核心需求正是高性能及大带宽。运行频率达 1GHz 或 1GHz 以上的 DSP 可满足对超声波高强度处理的需求,串行快速输入输出外设还提供了 10Gbps 的全双工带宽。

某些超声波系统需要高动态范围,或具有需要多个周期的功能。这些功能的示例还有频谱缩减及平方根功能。当超声波解决方案需要一个操作系统时,TMS320DM6446 可满足这一需求。DM6446 不仅具有功能强大的核心以及视频加速器(可用于处理成像需求),还具有 ARM9™ 核心,可满足运行操作系统的需求。信号的汇集通过数字波束成型器实现。它是典型的用户定制设计的 ASIC,但其功能则通过不同可编程逻辑方式实现。在数字波束成型器内部,数字化信号将被缩放及时间延迟,从而在接收链路产生聚焦效应。所有通过接收通道的信号在经过适当的调节之后将被加权,并输送至成像系统。成像系统可被开发为单独的 ASIC,也可以是诸如 DSP 的可编程处理器。

发射单元需要控制 100V 至 200V 的信号摆幅。大多数情况都将使用高电压 FET 实现。控制 FET 可采用以下两种方法中的一种:开-关(推挽)或 AB 级线性控制。推挽的方式最为常见,因为该方式仅需要更为简单且更低成本的接口连接至 FET。AB 级的方法可显著改善谐波失真,但需要更为复杂的驱动器并消耗更多功率。系统及设备制造商选择了多种多样的 TI 产品用于其超声波成像应用,包括运算放大器、单路/双路和八路 ADC(均带有快速输入过载恢复及卓越的动态性能)、数字信号处理器和集成了 8 通道、低功耗超声波前端 IC 的 VCA8617。TI 还提供了具有串行 LVDS 接口的高级 8 通道、12 位数据转换器 ADS5270。

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应用手册和用户指南

应用手册 (8)

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PDF 488 KB 2017年 4月 26日 648
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HTM 8 KB 2012年 7月 30日 0 查看英文版本
HTM 9 KB 2010年 6月 8日 191
HTM 8 KB 2009年 4月 3日 162
HTM 8 KB 2008年 12月 18日 253
HTM 9 KB 2008年 11月 7日 138

选择和解决方案指南

选择指南 (6)

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PDF 8.19 MB 2013年 5月 6日 0 下载最新的英文版本 (Rev.H)
PDF 9.09 MB 2013年 5月 2日 3155
PDF 3.34 MB 2013年 5月 2日 2167
PDF 3 MB 2013年 4月 10日 2167
PDF 5.18 MB 2010年 9月 7日 0 下载最新的英文版本 (Rev.H)
PDF 4.5 MB 2009年 6月 12日 0

工具和软件

名称 器件型号 公司 工具/软件类型
AFE5808A 评估模块 AFE5808AEVM Texas Instruments 评估模块和开发板
AFE5816 评估模块 AFE5816EVM Texas Instruments 评估模块和开发板
AFE5818 评估模块 AFE5818EVM Texas Instruments 评估模块和开发板
AFE58JD16 评估模块 AFE58JD16EVM Texas Instruments 评估模块和开发板
AFE58JD18 评估模块 AFE58JD18EVM Texas Instruments 评估模块和开发板
VCA2615EVM 评估模块 VCA2615EVM Texas Instruments 评估模块和开发板
VCA2617EVM 评估模块 VCA2617EVM Texas Instruments 评估模块和开发板
VCA2619 评估模块 VCA2619EVM Texas Instruments 评估模块和开发板
VCA5807 评估模块 VCA5807EVM Texas Instruments 评估模块和开发板

产品公告和白皮书

产品公告 (1)

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PDF 515 KB 2012年 11月 9日 320

白皮书 (11)

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PDF 1.86 MB 2011年 4月 5日 0 下载英文版本
PDF 1.71 MB 2011年 4月 5日 0 下载英文版本 (Rev.A)
HTM 9 KB 2011年 3月 16日 60
PDF 793 KB 2011年 3月 16日 211
PDF 1.69 MB 2011年 3月 6日 210
PDF 333 KB 2010年 6月 8日 274
PDF 583 KB 2009年 11月 4日 0 下载英文版本
PDF 358 KB 2009年 3月 18日 42
HTM 9 KB 2008年 11月 11日 363
PDF 115 KB 2008年 11月 3日 393
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