系统划分策略 - 超声信号链路系统划分策略

系统划分策略

　　虽然现今系统已拥有大量的先进技术，但是超声系统设计仍然是复杂的。对于其它的复杂系统，已具有系统划分的多种方法。在本节中将讨论多种超声系统划分策略，所有这些划分策略均着眼于解决系统便携性的问题。

　　许多年来，制造商通过设计定制ASIC来实现复杂的系统。该解决方案通常包括两个ASIC，其涵盖了TGC路径和Rx/Tx路径的主要部分，如图4所示。在多通道VGA、ADC和DAC广泛使用之前，这一方法是常见的。该定制电路允许设计人员加入一些廉价的、灵活的功能。由于集成大部分的信号链路，减少了系统中使用外部元件的数目，因此该解决方案被认为是节约成本的。但是其缺点在于，随着时间的推移，光刻技术的发展使得这些ASIC显得落后，不能满足进一步减小体积和功耗的需求。ASIC具有大量的门电路，它们的数字技术不能针对集成模拟功能进行优化。而且仅有有限的供应商可以定制ASIC器件，这将导致设计者面临一个瓶颈。

　　

 

　　图4. ASIC方法

　　在前面的示例中，超声系统的便携性是有局限性的，但的确是可行的。即便这样，这也是解决系统划分问题的重要的第一步。便携性不仅表现在体积方面，而且也表现在电池寿命方面，因为这些电路对功耗的要求非常高。随着四通道和八通道的TGC、ADC和DAC的出现，体积和功耗得到进一步减小，也随之产生了解决便携性问题的新型的系统方法。这些多通道器件允许设计人员在构造系统时，将敏感电路放置在两个或更多的电路板上。这可以减小系统体积，并且有利于在多个开发平台上重复利用该电路。但是这一方法也存在缺点，系统体积减小也依赖于系统划分，多通道器件可能使PCB的布线极为繁琐，迫使设计人员使用通道数目较少的器件，例如从八通道ADC变为四通道ADC，而且如果系统体积较小，还会带来散热的问题。

　　随着完整的TGC路径的进一步集成，如图5中所示，多通道、多元件的集成使设计变得更加容易，这是因为它们对PCB尺寸和功耗的要求进一步降低。随着更高级的集成方案的广泛使用，可以进一步减少成本、供应商数量、系统体积和功耗，系统散热量降低，延长便携式单元中的电池寿命。ADI公司的AD9271超声子系统为满足紧凑性要求而设计，它采用微型的14 mm×14 mm×1.2 mm封装，每个完整的TGC通道在40 MSPS下功耗仅为150 mW。AD9271使用串行I/O接口以减少引脚数目，因此使每个通道的总面积至少减少1/3，功耗至少降低25%。

　　

 

　　图5. TGC集成

　　但是AD9271不可能满足每个超声系统设计人员的要求。理想的解决方案是将更多的功能单元集成到探针中，或者使其尽可能接近探针元件。需要注意的是：连接探针单元的电缆会对动态范围有些不良影响，而且成本较高。如果前端电子元件比较接近探针，那么就可以减少影响信号灵敏度的探针损耗，允许设计人员降低系统对LNA的要求。图6中提出了一种方法，即将LNA集成到探针单元中。另一种方法是将VGA控制放在探针和电路板上的、元件之间。随着器件的尺寸不断缩小，系统也可以封装到超小型封装中。但是这种方法的缺点在于，设计人员需要对探针进行全定制设计。换言之，探针/电子器件的定制设计将使设计人员回到ASIC实例中存在的瓶颈，而且供应商是有限的。

　　

 

　　图6. 探针集成

　　总而言之，应当称赞的是，现今大部分超声系统公司将其大部分知识产权(IP)应用于探针和波束成形技术。使用多通道集成的常用器件，包括四通道和八通道ADC来完成系统，消除了对高成本元器件的需要，而且简化了独立TGC路径的调整和优化。还应当注意，也可以考虑进一步集成超声系统的其它部分。在生产能力许可且市场导向目标适当的前提下，这些其它信号链路部分的集成将是有利的。

　　超声系统的便携性趋势

　　许多应用都意识到超声的优异之处，因此对超声系统的便携性有很高的要求。即使在无法提供可靠电源的远程应用中，由于增加的便携性，也可以使用这些设备。这些应用包括偏远乡村的临床医疗、紧急医疗服务、大型动物饲养、以及桥梁、大型机械和输油管线的检验。

　　超声系统可以分为三类：高端、中端和低端。高端超声系统采用最新的技术，满足市场最新的要求，并且提供最佳的图像质量。中端超声系统在不牺牲图像质量的前提下，通常具有高端超声系统的部分特性。而低端超声系统的体积一般较小，一般应用于临床医疗等特定应用。显然，高端超声系统是非常昂贵的，并且依赖于应用和市场需求进行不同的划分。然而，便携性的趋势使许多“高端”特征降级，通常为典型的低端或便携的特征。一般来说，这一趋势随着工业和电子行业的技术进步而发展。由于这些进步已将器件的体积、功耗和性能指标推到极限，因此日益增长的要求是将便携式设备从低端系统变为高端系统。尽管超声系统作为临床医疗和预防性维护工具，已逐渐为人们所了解，但是最初，使用率还是较低的，这是因为便携式超声系统的成本不仅包括用于采购成本，而且也包括对新用户进行培训的成本，但是随着远期效益完全超过成本代价时，便携式超声系统将日益普及。

　　结论

　　理解如超声系统这样的复杂系统的细微差别需要进行多年的研究和开发。我们应该感谢那些最初的开发人员，是他们开创了新的领域并且确定了研究方向，使得尖端的电子技术能够造福于人类。脉冲回波技术早期用于检测大型水下船体和潜艇，并且用于结构制造中的裂缝检验，超声技术的广泛应用这仅仅是一个时间问题。