3月號特輯:拯救生命及保護嬰兒 - 類比/數位轉換器的神奇妙用

本文作者:admin       點擊: 2007-03-12 00:00
前言:
高速類比/數位轉換器(High speed ADC)通常是類比前端電路系統裡最基本的組成元件。由於類比/數位元轉換器的性能決定系統的整體效能表現,因此系統製造商往往將類比/數位轉換器視為最重要的元件。本文將詳細介紹超音波系統前端的運作原理,並特別討論類比/數位轉換器在其中所發揮的作用。像是美國國家半導體所生產的ADC12QS065四組裝65MSPS類比/數位轉換器即是為了符合最先進醫學診斷設備的嚴格要求而設計。 



在設計超音波系統的前端電路時,製造商必須審慎考慮幾項重要因素,以便進行適當的取捨。醫務人員能否作出正確的診斷,乃取決於類比電路在這個過程當中關鍵性的作用。類比電路的表現則取決於許多不同的參數,其中包括通道之間的串音干擾、無雜散訊號動態範圍(SFDR)以及總諧波失真。因此製造商在決定選用何種類比電路之前,必須詳細考量這些參數。以類比/數位轉換器為例來說,如果加設串列LVDS驅動器等先進電路,便可縮小電路板,以及抑制電磁波等雜訊的干擾,有助於進一步改善系統的設計。微型化、高效能及功能齊備的超音波系統產品的製造,造成市場上持續要求生產低耗電類比IC,使其具備與放大器、類比/數位轉換器和小封裝的更佳整合。 

系統概述
超音波影像系統是目前最常用而又最精密的訊號處理儀器,可協助醫務人員作出正確診斷。在超音波系統的前端,採用極度精密的類比訊號處理電路,像是類比/數位轉換器及低雜訊放大器(LNA)等,而這些類比電路的表現是決定系統效能的關鍵因素。 

超音波設備非常接近於雷達或聲納系統,只不過是在不同的頻帶(範圍)中操作。雷達操作於GHz(千兆赫)的範圍中,聲納在kHz(千赫)的範圍內,而超音波系統則在MHz(兆赫)範圍內操作。這些設備的原理幾乎與商業和軍用航空器所用的-陣列天線雷達系統操作模式相同。雷達系統的設計者是使用相控操縱波束形成器陣列為原理,這些原理後來也被超音波系統設計者採用並加以改進。

圖1顯示一個超音波系統的簡圖。 在所有超音波系統儀器中,都有一個多元轉換器在相對較長的電纜(大約2公尺)的末端。電纜內含高達256條微型同軸電纜,是超音波系統內最昂貴的元件之一。超音波系統一般會配備多個不同的轉換器探頭,讓負責操作的醫務人員可以依掃描影像的現場需求來選擇適用的轉換器。

圖1︰結構圖。

 
影像的產生
掃描過程的第一步,每一個轉換器負責產生脈衝訊號,並將訊號傳送出去。傳送出去的脈衝訊號以高頻率的聲波形式穿過人體組織,聲波的傳送速度一般介於1至20MHz之間。這些脈衝訊號開始在人體內進行定時和定標偵測。當訊號穿越身體的組織時,其中部分聲波會反射回轉換器模組,並由轉換器負責偵測這些回波的電位)轉換器將訊號傳送出去之後,會立即進行切換,改用接收模式)。回波訊號的強度取決於回波訊號反射點在人體內的位置。直接從皮下組織反射回來的訊號一般都極強,而從人體內深入部位反射回來的訊號則極微弱。

由於健康安全相關法律對人體可以承受的最大輻射量有所規定,因此工程師設計的電子接收系統必須極為靈敏。接近於人體表皮的病症區,我們稱之為近場(near field),被反射回來的能量是高的。但是如果病症區在人體內的深處部位,稱之為遠場(far field),接收到的回波將極為微弱,因此必須被放大為1000倍或以上。 

在遠場影像的模式時,其效能限制來自於接收鏈路中存在的所有雜訊。轉換器/電纜組件以及接收系統的低雜訊放大器是兩個最大的外來雜訊源。而近場影像模式下,效能限制則是來自於輸入訊號的大小。 這兩種訊號之間的比率決定了超音波儀器的動態範圍。

通過一系列接收器的時相轉換、振幅調整以及智慧型累計回波能量等過程,既可以獲得高清晰度的影像。利用轉換器陣列的時移與調整接收訊號振幅的原理可以使設備具有定點觀測掃描部位的功能。經過序列化的不同部位定位觀測,超音波儀器即可建立一個組合影像。

數位聚波可以完成訊號的組合處理。在數位聚波中,經由身體內某一點反射回來的回波脈衝訊號會在每一通道內先儲存起來,然後按照其先後次序排列一起,並將之固定成為同調訊號,然後聚集起來。這種將多個類比/數位轉換器的輸出聚集一起的處理方法可以提高增益,因為通道內的雜訊是互不相關的。(備註:類比聚波技術基本已經成為過時的方法,現代所採用的大部分為數位聚波)。影像的形成,是於最接近轉換器系統的模擬層取樣,將其存儲起來,再以數位化把它們聚集在一起而成。

DBF系統需要精確的通道與通道匹配。兩通道均需要VGA(視頻圖形陣列),這種情況將會持續,直到類比/數位轉換器設備足夠應付大的動態範圍,並可以提供合理的成本和低耗電量。 

超音波影像模式
1. 灰度影像 -- 產生基本的黑白圖像 
影像將被辨析成1毫米那麼小的單位,呈現的影像是由發射能量以及檢測那些返回的能量而成(如先前所述)。 

2.都卜勒影像(Doppler)-- 
都卜勒模式(Doppler mode)是通過跟蹤回波的頻率偏移來探測物體在各種環境中運動的速度。這些原理被應用在檢查體內血液或者其他液體在體內流動的情形。這種技術是透過發射一連串聲波進入體內,然後對反射波進行快速傅利葉轉換(Fourier Transform, FFT)處理。這種計算處理方法即可確定來自人體的訊號頻率分量,以及它們與流體速度的關係。

3.靜脈和動脈模式 -- 
這種方式是將都卜勒影像與灰度模式的聯合應用。通過處理都卜勒位移產生的音效訊號即可獲得速率與節律。
類比/數位轉換器的特色與效能. 

如前文所述,接收雜訊中最主要的兩個來源為轉換器/電纜組件與接收系統的低雜訊放大器(LNA)。這些雜訊(包括來自身體組織的雜訊)會在類比/數位轉換器的輸入端所產生互相強化的作用。為了擴大動態範圍以及充份發揮系統效能,類比/數位轉換器本身的雜訊必須盡量減少,因此類比/數位轉換器的雜訊必須與人體組織反射回來的訊號分開;其中,類比/數位轉換器中因量化雜訊而產生的雜訊就是最大的雜訊源之一。但是,這是可以利用更高解析度的轉換器來改善的。類比/數位轉換器的理論量化雜訊設為(20log (1/2n)),其中n=轉換器解析度或-60.2dB(10位元轉換器)。採用12位元的轉換器,可以把轉換器解析度增強至小於-73dB。目前正在開發的高階超音波掃描系統絕大部分都採用12位元的寬度,而10位元的超音波系統大部分屬於成本較低或掌上型的系統。

超音波設備製造商會根據多個不同考量因素挑選類比/數位轉換器,有關因素包括訊號/雜訊比(SNR)、總諧波失真(THD)、無雜散訊號動態範圍(SFDR)、抖動、介面類別、範圍外的訊號恢復能力,以及技術整合度、封裝大小與功耗等。不僅類比/數位轉換器必須滿足裝置的動力學要求,而且對於功率匹配也必須慎重考慮。我們要知道,一台超音波設備需要多達256個類比/數位轉換器組件的。考慮到12位元類比/數位轉換器以50MSPS 運轉以及耗能在200-500mW之間,那麼單為類比/數位轉換器設置的功率匹配就是128W!

在動力效能方面,系統製造商尤其擔心接近基頻的頻帶範圍內會出現諧波失真以及假像問題;雖然警方探測車速的都卜勒雷達,也是採用大量頻率移位的測量方法;但是與此最大不同的是,超音波儀器採用的是影像模式,在測量靜脈或動脈中的血液速率時,所產生的結果只有幾赫茲(Hertz)的移位。據類比/數位轉換器的FFT頻率分佈圖顯示,基頻底部附近的其他頻率必須極為微弱,而且不可混雜任何雜散訊號,以免遮蓋這個振幅極小的頻率位移。因此,類比/數位轉換器及系統時鐘抖動必須極低,以免雜訊振幅將基頻完全遮蓋。轉換器的線性表現也會影響都卜勒超音波影像的清晰度。

身體內的回波訊號可視為多頻音訊號。若類比/數位轉換器在諧波失真方面的表現較差,這些多頻音訊號便會與轉換器的諧波混集一起,產生共振,甚至可能會遮蓋振幅較低的回波訊號。雙通道或四通道類比/數位轉換器的串音干擾必須極低。若某一通道的訊號洩漏到另一通道,便會造成反常回波的現象,使顯示的影像出現假像,因此必須盡量抑制。像ADC12QS065這類高效能類比/數位轉換器便在抑制串音干擾方面有極好的表現,例如通道之間的串音干擾能力便超過80dB。

一般來說,類比/數位轉換器可以利用超取樣功能,進一步減少雜訊的干擾,以及提高數位處理電路的增益。只要增益有進一步的提升,設於類比/數位轉換器之前的類比濾波電路便可在設計上進一步精簡,而成本也可進一步降低。超取樣速度也取決於訊號處理鏈的資料流處理能力。若提高資料傳輸率,可以接收及處理類比/數位轉換器輸出資料流的數位電路便要面對成本上升的壓力。在65MSPS的狀態時,來自類比/數位轉換器的序列化LVDS 12位元資料流達到的位元率為780Mbps,這可是需要使用最先進的現場可編程閘陣列 (FPGA)才能獲取的高位元率。

整合序列化LVDS驅動器的優點
類比/數位轉換器市場最近出現一個新的發展趨勢,就是加設一個LVDS介面,以便將類比/數位轉換器與FPGA連接一起。只要將類比/數位轉換器輸出的資料串列一起,256通道系統的介面線路數目便可由6044減少至1024,有助於縮小印刷電路板以及削減這方面的物料成本,這也是可攜式影像系統產品成敗的關鍵因素。ADC12QS065類比/數位轉換器的4條差動雙絞線不但可以在基架內或透過電纜傳送資料,而且也有助於精簡印刷電路板的設計。此外,由於電纜及印刷電路板線跡的數目可以減少,而連接器的體積也可縮小,因此系統成本可以大幅降低。由於LVDS訊號採用全差動的模式傳送,因此抵抗共模雜訊干擾的能力極高。此外,由於400mVp-p的電壓擺幅低於標準的CMOS邏輯電位,因此系統的整體雜訊也會相應減少。

這些整合LVDS驅動器限制輸出電流量以及引導輸出電流流經一個位於接收機輸入端(通常是FPGA)的終端電阻器(100()。差動驅動器產生一種奇模傳送方式:大小相等方向相反的電流流入傳輸線。損耗配對線中的電流發生回流,因此電流回路區域小,產生的電磁干擾(EMI)就會極低。電流源限制任何可以在轉換期間出現的尖峰電流。因為沒有了尖峰電流,使高速資料傳送率都能得以完成,並且沒有實際的功率耗損。另外,定流驅動器可以忍受短傳輸線的集聚排列或進行接地而不會產生發熱的問題。一般的差動接收器是高阻抗裝置,適用於探測低至20mV 的差動訊號,然後將他們放大到標準邏輯等級。

超量程訊號復原功能 
類比/數位轉換器與驅動放大器必須具備快速超量程訊號復原功能,以防止相位漂移的發生,相位漂移會導致超音波掃描影像出現不必要的干擾性假像。ADC12QS065採用了超量程訊號復原功能積體電路,在影像中能防止發生失真的情況。

下列證明,檢測該元件的功能特性條件為取樣率50MSPS、輸入頻率3.173MHz、振幅-0.1dBFS。輸入訊號經調幅至峰值振幅超過原大振幅達5dB的程度。

邏輯分析儀收集、組織數位輸出資料,這樣調變輸入波的週期即可鑑別和分離出來。在各點上都可計算出峰值至峰值之間的偏差。經過二種不同方式的修正,所顯示的偏差指示出超量程訊號復原功能夠給予的改善情況。

醫學技術的發展以及超音波設備效能的不斷提高,將繼續促使消費者對更快、更高解析度和更高效能的類比/數位轉換器的需求。預計不久的將來就能開發出8-與16-通道的設備。由於醫生需要小巧的掌上型醫療設備,醫療設備製造商勢必要追求愈來愈低的類比晶片功率。此外,對於輕巧纖薄的可攜式系統來說,隨著電路板空間越來越趨向於小型化、輕便化、可攜帶式的設備;設備體積的大小也必將成為一個重要的課題。為了解決這些空間安排問題,類比/數位轉換器製造商們正在研發許多像LLP與FPGA那樣的小型無線設備。

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