波束控制与脉冲产生电路

波束控制与脉冲产生电路第一页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路４.1、波束控制电路基本构成与简要工作原理

波束扫描是Ｂ超实现二维信息采集和图象显示的基础．波束扫描控制电路的任务就是用来产生超声波束．第二页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路４.２、二极管开关电路

对于多振元的探头，每片晶体都必须连接信号线，为使连接的信号线尽量减少，加入了二极管开关电路。１、振元激励顺序举例：以64阵元电子线阵探头为例：每路发射脉冲产生电路产生的高频脉冲F，激励4个相隔的阵元，因此，64阵元需要16路发射脉冲产生电路。这16路发射脉冲产生电路产生的高频脉冲信号F通过二极管开关控制电路发射到相应的64个阵元，而且该信号是由16路二极管开关控制电路的控制信号K控制。连接方法如表一、二所示。第一组组合阵元被激励时，F1～F11同时有激励脉冲，由表一可以看出，可能被激励的阵元有1～11、17～27、33～43和49～59。但此时，控制信号仅有K1～K3为高电平，从表二可以看出，被选通的阵元只有1～12。所以，被选通而又有激励脉冲的阵元只有1～11。依此类推，可得到下图的顺序扫描方式。第三页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路表一脉冲产生电路与阵元的接法表二二极管开关控制电路与阵元的接法第四页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路

根据电子线阵探头阵元的接法，我们可以知道，如果缺少一路发生脉冲产生电路的激励信号F，探头将缺少四个间隔阵元的信号，但实际应用当中，由于单个阵元辐射面积很小，在显示器上很难发现图象缺少信号，只有在探测介质时，才隐约看见3-4条竖直暗线（根据每个发生脉冲产生电路所接的阵元数决定）。当缺少一路二极管开关控制电路的控制信号K，探头将缺少四个连续阵元的信号，这时，在显示器上可看见一条相对较宽的竖直暗线。２、二极管开关控制电路第五页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路４.２、发射聚焦电路１、延时线电路延迟线电路就是对传输信号作延时的部件。根据传输信号的不同，延迟线又可分为模拟延迟线和数字延迟线。

模拟延迟线用于延迟模拟信号，它是由一级或多级电感、电容组成（又称LC延迟线）；

数字延迟线由A/D转换器和数据存贮器组成。数字延迟线成本高，只有在高级成像设备中才采用。在中档或普及型B超仪中，发射和接收延时均采用模拟延迟线。1．模拟延迟线下面我们介绍一下基于分布参数下用长线理论而设计的集中参数延迟线。讨论这种延迟线，一般假定集中参数延迟线中电阻小到可忽略不计，其等效电路如图所示。第六页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路由电磁场传输理论得知，信号在延迟线中的传输过程，实质是电磁场在线间的运动过程。在延迟线输入端加上一脉冲电压，在多级LC组成的延迟线中，电容充电过程中产生电场，而电流流过电感则产生磁场，电磁场以波动方式运动形成一入射波，如果负载RH与延迟线完全匹配，即负载RH等于延迟线的特性阻抗时，则信号传至终端后被完全吸收而不产生反射。当延迟线的介质为空气时，入射波传播速度为设负载RH与延迟线完全匹配，即RH=ρ，且延迟线长度为L‘，则延迟线上的脉冲信号从始端传向末端所需的时间为td=第七页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路补充:三-八译码器1、型号：74HC4051、74HCT4051、CD4051、MC14051等。2、功能：八选一，双向模拟多路开关。3、超声仪器应用：聚焦电路、发射/接收多路转换开关4、引脚功能：I/O0~I/O7:输入/输出O/I:公共输入/输出A、B、C：选通控制码E/：使能控制Vdd，Vcc：电源，接地Vee：信号零点

第八页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路2．可变延时电路

在B超仪中，往往都采用可变延时线。这只要将延迟线上引出的若干抽头与多路转换开关的输出端相接，就构成一个可变延迟电路，如图所示。多路转换开关（多路调节器）的输入端接选通控制码，改变选通控制码的状态，可使输出的延时量在0~6级内任意选定。假定延迟线每两个相邻抽头的延时量为10ns。选通控制码与延时关系如表所示。选通控制码CBA接通开关延时量0000号0ns001110ns010220ns011330ns100440ns101550ns110660ns第九页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路３、发射聚焦电路a、日立EUB-240发射聚焦电路

该电路由五根多抽头的延迟线DL1~DL5，八选一多路转换开关IC3~IC7以及驱动器等组成。IC3~IC7各自的输出端Y由控制码控制，以形成六个聚焦脉冲。各脉冲的延迟量与所用探头的工作频率和动态聚焦的焦点位置有关。下表展示了控制码与之间的关系。第十页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路探头工作频率焦点聚焦控制码六个聚焦延迟脉冲延时量（ns）FCN2FCN1FCN0F5F4F3F2F1F03.5MHZN0002402101000--M0013403102601500-F10103203002602001200F20112002001701409005MHZN100200170800--M101230200170800-F1110200200170140900F211180808060400*表中“-”表示无脉冲输出

聚焦控制码与聚焦延迟脉冲延时量的关系

第十一页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路以3.5MHZ的探头为例，看一看六个聚焦延时脉冲F0~F5激励十一群振元的情况。图展现六个脉冲激励11群振元相应的延迟关系。补充：①焦点越远，则被激励的振元数越多；②每路脉冲激励二个对称的振元，并以F5为中心；③虽然焦点F1和F2都是激励11个振元产生发射波，但延时量不相同。F1的延迟量大于F2的延迟量，所以F1的焦距近，F2的焦距远。

第十二页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路b、SSD-256发射聚焦电路

下图是SSD-256型B超仪16路发射聚焦电路中的一路。电路构成十分简单，只要将延迟线的各抽头与多路开关的相应输出端相接，再加上锁存器和驱动器就组成了发射聚焦电路。电路中用两条延迟线（DL101、10ns/步阶×7；DL102、80ns/步阶×6）共13级延迟分级。第十三页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路来自ROM的聚焦控制码为A5A4A3A2A1A0，高三位A5A4A3控制延迟线DL102的延迟大小，低三位码A2A1A0控制DL101，具体工作情况如表所示。按逻辑关系来说，表中聚焦控制码A5~A0的组合是不完整的，六位码应有26=64种组合。表中仅列出了八种组合，但不影响对问题的讨论。另外，DL102中，A5、A4、A3对应111码不存在，或者不起作用，故实际组合只有64-8=56种。此电路的最小延迟时间为10ns，最大延迟时间为80×6+10×7=550（ns）。DL102A5A4A3DL101A2A1A0DL102接通IC6的哪路开关？DL101接通IC3的哪路开关？000000110010012201001033011011441001005510110166110110771111118第十四页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路４.3、发射多路转换开关电路

B超中振元数多达数十，甚至数百，而发射聚焦延迟信号个数有限，显然不能直接将发射聚焦延时信号用来触发发射脉冲产生电路。例如超声仪器的探头由80振元组成，发射时以64种组合方式工作，而该机聚焦延时电路共有16路，产生16路经延时的触发脉冲输出，假如一次发射时将16路脉冲提供给一种组合的16个振元，那么第二次、第三次发射时，这16路脉冲如何提供给第二种、第三种组合中不同的哪些振元呢?因此，不能将聚焦延时输出简单地与发射脉冲产生电路相连，而必须在两者之间加入多路转换开关，才能完成发射输出的这一转换。第十五页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路４.3、发射多路转换开关电路（一）SSD-256发射多路转换开关

所谓转换原理，在这里指的是对触发脉冲的定量分配，即每一次发射时将脉冲分配给指定的若干振元。对于同一种波束扫披方式，可以有不同的电路设计。以SSD-256型B超为例。其探头的振元数为80，该机聚焦延时电路共输出16路延迟脉冲Ｆ1~Ｆ16。由于80个振元是以组合方式工作，若将80个振元分成5个一组，则80个振元一共分成16组，每组与用一片3-8译码器的5个状态对应，且接收一路聚焦延迟脉冲，则16片3-8译码器就可完成对80振元的脉分配。工作过程如下：以SSD-256型B超为例，它将80个振元分成五个一组共16组，每一组振元经一个3-8译码器(IC1-IC16中的一个)接受一路触发脉冲，再由三位转换控制码(A2-A0)来控制译码器的输出状态，因此由16片译码器即可完成对80个振元的脉冲分配转换，其电路框图如图所示。第十六页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路第十七页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路（二）EUB-240发射多路转换开关

该电路由型号为14051BEP的24片（8选1）数据选择器构成。控制码中的通过三极管反相后与芯片IC10、IC22、IC12、IC24、IC14、IC26、IC16、IC28、IC18、IC30、IC20、IC32等12个数据选择器的使能端G相接，当=0时（或TQE=1时），选择这12个数据选择器工作。控制码中的通过三极管反相后与芯片IC9、IC21、IC11、IC23、IC13、IC25、IC15、IC27、IC17、IC29、IC19、IC31等12个数据选择器的使能端G相接，当=0时（或TQD=1时），选择这12个数据选择器工作。第十八页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路信号线连接：

各8选1数据选择器的输出端D1~D8交叉并接于16个发射脉冲产生电路。各8选1数据选择器的输入端Y分别与来自聚焦延时触发脉冲相接。电路的功能是：它执行CPU的指令，发一控制码TQE~TQA，发射多路转换开关根据控制码的状态对发射聚焦延电路的6路触发脉冲进行再分配，并送出12路脉冲去触发16个发射脉冲发生器其中的12个产生激励脉冲输出。第十九页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路信号分配：在控制码TQE~TQA的控制下。6路聚焦延迟脉冲是如何分配给HP16~HP1的。①对于每次接受触发的12个振元而言，F0~F5是对称分配的，所以输入信号的个数仅需12个输出的一半，即6个；②F5分配给每次发射振元中心的2个振元，而处于F5两侧的振元激励延迟是对称相等的，说明发射的是垂直波，不存在偏角。第二十页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路第二十一页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路为了进一步说明发射多路转换开关电路的工作原理，我们从电路中摘录一小块电路（IC9、IC21）具体加以说明：图中仅考虑TQE=1、TQD=0时，对F0的分配。下表表达了发生多路转换开关电路对F0脉冲的分配。例如，当控制码TQE、TQD、TQC、TQB、TQA为10110时，选中IC9的D6和IC21的D6，F0通过IC9的D6送入HP7，F0通过IC21的D6送HP2。

第二十二页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路４.４、发射脉冲产生电路

聚焦延时电路的延时脉冲信号和发射多路转换开关电路的输出信号都是逻辑信号，不能直接用来激励探头的振元，使之产生超声振荡，而是要将这一逻辑脉冲“转换”成一个幅度、宽度、功率都能满足振元产生超声振荡的脉冲。这一“转换”是采用发射脉冲产生电路实现的，发射脉冲的幅度和宽度是两个重要指标。幅度大，则超声功率就强，而且接收灵敏度也就高；脉宽窄，则分辨力高，盲区小。

第二十三页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路４.４、发射脉冲产生电路发射脉冲产生电路的负载是振元，振元又是由压电材料制成。从压电材料的特性可知，压电应力系数e是描述压电材料的重要物理量，它是在应力恒定的条件下，应力变化与电场强度变化之比值。因此压电应力系数e是设计激励脉冲幅度取值大小的关键因素。e值大，则用较小幅度的激发脉冲就可产生较大的声压，故可减小损耗。这个激励电压值一般在100V左右。EUB-240型机发射激励脉冲幅度为125V，SSD-256型机为120V。另外，发射激励脉冲宽度应窄为好，并且尽可能减小发射激励脉冲的后沿振铃，以适应一定的高压，输出一定量的电流和功率，开关响应快，工作稳定也就行了。下面对两个典型的超声发射脉冲产生电路进行简要分析。第二十四页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路（一）EUB-240型发射脉冲产生电路:这个电路如图所示。芯片IC33输入端接+5V，另一输入端接来自聚焦电路输出的延时脉冲F。因此IC33对输入触冲F仅起一个反相器的作用，它将F反相后成为一个0~+12V的正脉冲，对场效应管（TR1）的栅极进行开关控制，即对电容C17进行充电的控制。下面分三个阶段来讨论。第二十五页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路（1）触发脉冲未到之前：触发负脉冲未到来之前是电容C17的充电阶段。此时，IC33接触发脉冲的那个输入端为高电平，经IC33反相后为0伏的低电平，作为关门信电，使TR1截止，电容C17被充电到接近+125V。（2）触发脉冲到来时：当触发负脉冲到来时，IC33输出一个+12V的开门电平，使TR1迅速导通，电容C17经TR1的内阻（内阻很小）向振元T放电，C17上充得的125V电压几乎全部加在振元上，使之产生超声振荡。（3）触发脉冲后沿结束时：所产生的激励脉冲还没有结束。第二十六页，共32页。第四章:波束控制与脉冲产生电路触发脉冲后沿结束时，按理想情况，振元应得到如图（a）所示的波形，但实际情况并非如此。虽然TR1截止（开关关闭），但由于分布电容C0的存在，C0在充电期间所充的电荷不会立即消失，而是经T缓慢放电而导致激励脉冲后沿拖长，如图（b）所示。为缩短激励脉冲后沿拖长时间而在振元T两端并一电感L，虽然关门期间L产生的反电势加速成了C0的放电速度，使激励脉冲的后沿变陡，但L与C0构成振荡回路激起后沿的衰减振荡，如图（c）所示。为了缩短衰减振荡，可在振元两端并接一适当电阻，以加大阻尼。综上所述，可见发射脉冲产生电路最关键的地方是对激励脉冲后沿的处理，即最大可能减小阻尼振荡的幅度和振荡的次数。另外，二极管D1、D17在发射激励脉冲时，由于正向接法不影响C17的充放电；而在接收回波时，由于回波信号幅度在几十微伏数量级，二极管D1、D17均在截止状态。由于D1、D17的隔离作用，故消除了发射电路对接收回路的影响。第二十七页，共32页。第四章:波束控制与脉