CN117269330B - 用于超声相控阵的tcg硬件电路及增益调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于超声相控阵的TCG硬件电路及增益调节方法，采用硬件电路实现不同时间情况下更改发射电压幅度的方法，可让缺陷在不同的深度反馈回来的回波保持一致性；可提高在TCG功能开启情况下，提升仪器的性噪比，加快TCG的响应速度；简化传统硬件有多个个TCG点就需要多少段硬件增益模块的思路，成本降低；实现硬件TCG功能，可设置比较多的TCG调整点；TCG速度调整比较快，切换速度快；而且和数字TCG比较，可以通过滤波电路抑制噪声，采样数据性噪比高，能有效抑制高增益段噪声；能有效补偿超声衰减，使得大小一样的缺陷回波高度一致。采用四路相同的增益调节模块，采用分时输出方式，给运放充分的电压放大时间，加快TCG调节速度。

Description

用于超声相控阵的TCG硬件电路及增益调节方法
技术领域
本发明涉及超声相控阵技术领域，特别是一种用于超声相控阵的TCG硬件电路及增益调节方法。
背景技术
在超声相控阵的TCG时间-增益修正方案中，常用的有数字TCG和接收端增益调整TCG方案。数字TCG方案中，是把超声回波经过ADC数字化后，通过软件的办法更改回波数据大小。如把某一时间段的回波数据增加6dB，或者把某一时间段的回波数据衰减6dB，达到TCG的功能需求。另外一种方案是在回波信号的接收端，直接调整模拟信号的增益方法，通过更改某一时间段的模拟增益，从而实现TCG的功能。
数字TCG的方案，它的主要存在缺陷是仪器的性噪比不高。开启了数字TCG功能后，它在增益放大区域，除了放大有效信号外，还会同样把噪声信号放大，这样就相当于仪器的性噪比降低了。
接收端增益调整TCG方案，它的主要缺陷是响应速度比较缓慢。接收端目前大部分的增益调节都是通过模拟压控方式来调整的；电压的放大由运算放大器来控制；目前运放的速度受到芯片参数影响，不能达到太高速度。还有一种是通过SPI接口进行调整的电压控制方式，这种方式收到接口速率的限制，变化速度会比较忙。因此，后端增益调节的TCG方案，会降低波形反馈的速率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于超声相控阵的TCG硬件电路及增益调节方法，该方法采用硬件电路实现不同时间情况下更改发射电压幅度的方法，即是硬件TCG的一种实现办法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的用于超声相控阵的TCG硬件电路，包括控制模块、第一模拟信号开关、滤波模块、增益放大模块、第二模拟信号开关；
所述第一模拟信号开关包括一个输入端和多个输出端，所述输入端用于接收输入信号，所述输出端用于将输入端输入的信号从多个输出端输出；
所述多个输出端中每个输出端分别依次与滤波模块和增益放大模块连接；
所述各增益放大模块的输出端分别与第二模拟信号开关的输入端连接；
所述控制模块分别与第一模拟信号开关、增益放大模块、第二模拟信号开关连接；所述控制模块用于设置TCG调整点，并根据TCG调整点切换第一、二模拟信号开关、滤波模块、增益放大模块的工作过程。
进一步，所述滤波模块采用带通滤波模块，所述带通滤波模块用于滤除1Mhz以下和30Mhz以上的噪声信号。
进一步，所述增益放大模块的放大倍数被设置为0-40dB，通过压控的方式进行调整信号放大倍数，电压输出控制通过DAC进行控制。
进一步，所述控制模块采用FPGA芯片的IO口进行控制，包括切换模块、电压控制DAC模块；所述切换模块用于分别对输出模拟信号进行切换控制；所述电压控制DAC模块，通过压控控制增益大小。
进一步，所述控制模块按照以下步骤进行：
设置N个增益放大模块；根据增益放大模块的运放响应时间设置每个增益放大模块轮流工作切换时间点，使得增益放大模块轮流循环重复进行。
进一步，所述第一模拟信号开关为一进四出模拟信号开关，用于将输入信号复制出四路模拟信号，并将四路模拟信号分别传输至对应的滤波模块，所述滤波模块将处理后的信号传输到对应的增益放大模块；
所述第二模拟信号开关为四进一出模拟信号开关，用于通过控制信号从四路增益放大模块选择一路增益放大模块的输出信号。
本发明提供的利用上述用于超声相控阵的TCG硬件电路来实现TCG增益调节方法，包括以下步骤：
设置N个增益放大模块；根据增益放大模块的运放响应时间设置每个增益放大模块轮流工作切换时间点，使得增益放大模块轮流循环重复进行。
进一步，所述增益放大模块轮流循环重复进行的具体步骤如下：
输入扫数据信号；
设置第4k+1个点增益，切换到4通道输出；
设置第4k+2个点增益，切换到3通道输出；
设置第4k+3个点增益，切换到2通道输出；
设置第4k+4个点增益，切换到1通道输出；
在设置第4k+4个点增益，切换到1通道输出后，返回到第1个点增益进行设置和切换到4通道输出，循环重复K次。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的用于超声相控阵的TCG硬件电路及增益调节方法，涉及在超声相控阵的应用，采用硬件电路实现不同时间情况下更改发射电压幅度的方法，即是硬件TCG的一种实现办法，可以让缺陷在不同的深度反馈回来的回波保持一致性；可以提高在TCG功能开启情况下，提升仪器的性噪比，加快TCG的响应速度；简化传统硬件有多个个TCG点就需要多少段硬件增益模块的思路，成本降低；实现硬件TCG功能，可以设置比较多的TCG调整点；TCG速度调整比较快，切换速度快；而且和数字TCG比较，可以通过滤波电路抑制噪声，采样数据性噪比高，能有效抑制高增益段噪声；实现不同深度情况下，能有效补偿超声衰减，使得大小一样的缺陷回波高度一致。采用四路相同的增益调节模块，A扫数据的取值方法；采用分时输出方式，给运放充分的电压放大时间，加快TCG调节速度。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
图1为硬件TCG实现功能框图。
图2为TCG增益调节流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，图1为硬件TCG实现功能框图，本实施例提供的用于超声相控阵的TCG硬件电路，所述TCG硬件电路包括控制模块、第一模拟信号开关、滤波模块、增益放大模块、第二模拟信号开关；
所述第一模拟信号开关包括一个输入端和多个输出端，所述输入端用于接收输入信号，所述输出端用于将输入端输入的信号从多个输出端输出；
所述多个输出端中每个输出端分别依次与滤波模块和增益放大模块连接；
所述各增益放大模块的输出端分别与第二模拟信号开关的输入端连接；
所述控制模块分别与第一模拟信号开关、增益放大模块、第二模拟信号开关连接；所述控制模块用于设置TCG调整点，并根据TCG调整点切换第一、二模拟信号开关、滤波模块、增益放大模块的工作过程；
本实施例提供的硬件TCG电路，可以让缺陷在不同的深度反馈回来的回波保持一致性；可以提高在TCG功能开启情况下，提升仪器的性噪比，加快TCG的响应速度；
本实施例提供的硬件TCG功能，本质上就是在不同的时间段，对A扫数据施加不同的信号放大倍数，而且，因为一条A扫数据的采集时间非常短，必须要在非常短的时间（接近μs级别）实现快速增益变化，这个对硬件响应是要求很高的。本实施例中采用了4级硬件增益电路，分时切换方式来实现，模拟信号开关（switch）模块有两个，信号前端第一个模块是一进4出功能，就是一路模拟信号进去后，复制出4路模拟信号出来给到下一个模块；信号输出端的功能是4进一出，通过控制信号进行选择哪一路的模拟信号出来使用；控制接口采用硬件IO口之家控制，切换速度达到ns级别，在速率上远远高于 μs级别的TCG信号切换需求。
本实施例提供的滤波模块采用带通滤波模块，所述带通滤波模块用于滤除1Mhz以下和30Mhz以上的噪声信号；所述带通滤波模块的主要功能是对模拟信号进行滤波，达到滤除噪声和无用信号的目的。模块包含了高通滤波功能，可以滤除1Mhz以下的电源噪声或者是AC电源的工频噪声；模块还具备低通滤波功能，可以滤除30Mhz以上的高频噪声和其它类型的谐波信号。
本实施例提供的增益放大模块的放大倍数被设置为0-40dB，通过压控的方式进行调整信号放大倍数，电压输出控制通过DAC进行控制；本实施例的增益放大模块一共有4个同样的模块，功能是可以设置0-40dB放大倍数，步进为0.1dB。增加调整是通过运放输出电压，通过压控的方式进行调整信号放大倍数。电压输出控制是由一个DAC进行控制，控制模块输出数字信号对DAC进行控制。
本实施例提供的控制模块采用FPGA芯片的IO口进行控制，包括切换模块、电压控制DAC模块；所述切换模块用于分别对输出模拟信号进行切换控制；所述电压控制DAC模块，通过压控控制增益大小；
本实施例的控制模块主要核心由FPGA芯片构成，分别对输出模拟信号切换模块、增益放大模块进行控制，完成TCG功能。输出模拟信号切换，采用FPGA高速的IO口直接控制，系统控制时钟通过内部PLL锁相环输出后，瞬间IO口电平切换时间可以达到1.25ns级别。电压控制DAC模块，采用16bit的并行控制接口，可以输出高达216的不同的电压，通过压控控制增益大小。
本实施例的本实施例的控制模块按照以下步骤进行：
设置N个增益放大模块；根据增益放大模块的运放响应时间设置每个增益放大模块轮流工作切换时间点，使得当一个增益放大模块工作情况下，其它增益放大模块提前准备好即将需要的放大倍数，循环重复进行，即通过FPGA预先设置放大倍数，放大倍数是由用户通过软件来控制的，在0-40dB设置均可，具体过程如下：
TCG中A扫数据取值，一条A扫数据的表示如下：
；
其中，A(t)表示一条A扫数据，在时间t点上，其幅度值为A，K表示A扫数据的总共采样点数量，t0表示第一个采样点，t1表示第二个采样点，采样点之间的时间间隔为ADC的采样速率；AtK表示第k个采样点数值；k表示A扫数据的总共采样点数量；
TCG的物理意义是在某个t时刻，A扫数据的幅度可以通过改变增益，实现不同的幅度值，经过硬件TCG后，一条A扫数据的表达方式可以如下：
A(t)=f（n，j）At0+f（n，j）At1+f（n，j）At2+f（n，j）At3+…f（n，j）AtK
简化之后如下：
；
其中，f（n，j）表示的是增益系统，即是放大倍数；
n表示选择了那个硬件放大模块；n的值为1、2、3、4；
j表示该放大模块的对应放大系数值；
本实施例中设置了4个硬件增益放大模块，通过控制模块实时进行控制的。为了避免增益放大模块的运放响应时间不够的问题，本实施例中采用4个增益放大模块轮流进行工作，一个增益放大模块工作情况下，其它增益放大模块提前准备好即将需要的放大倍数，这样就可以实现速度非常快的TCG功能。
因此，上述波幅公式可以把n值细化后如下：
A(t)=f（1，j）At0+f（2，j）At1+f（3，j）At2+f（4，j）At3+…
+f（n-3，j）AtK+f（n-2，j）AtK+f（n-1，j）AtK+f（n，j）AtK
简化之后如下：
；
从式中可以看到，经过4个硬件增益模块处理后，TCG的点数，理论上可以做到4的倍数点，j的取值可以跟进不同时间点进行设置，而且在时间上没有运放速度的限制。这样大大减少了硬件TCG的电路成本，而且可以非常方便高速实现TCG功能。
如图2所示，图2为TCG增益调节流程，本实施例提供的TCG增益调节方法，包括以下步骤：
输入扫数据信号；
设置第4k+1个点增益，切换到4通道输出；
设置第4k+2个点增益，切换到3通道输出；
设置第4k+3个点增益，切换到2通道输出；
设置第4k+4个点增益，切换到1通道输出；
在设置第4k+4个点增益，切换到1通道输出后，返回到第1个点增益进行设置和切换到4通道输出，循环重复K次，K代表TCG调整点数为4k，如16个TCG调节点，则k=4。
本实施例提供的方法中在完成一条A扫数据过程中，整个TCG调节步骤具体如下：
K代表TCG调整点数，如16个TCG调节点K=16，则k=(0,1,2,3)；模拟信号进入到硬件TCG模块后，首先是通过信号切换开关，将信号一分为四出去，同时给到4个增益模块；
启动第4k+1个点增益设置，设置第1个模块的增益倍数，同时信号输出切换到4通道进行输出；设置增益和信号输出错开的原因主要是避免了增益设置和调整的时间太长，导致响应速度不够的问题；
第4k+1个增益设置完成后，接着进行第4k+2个点增益设置，同时把信号输出切换到3通道输出；
第4k+2个增益设置完成后，接着进行第4k+3个点增益设置，同时把信号输出切换到2通道输出；
第4k+3个增益设置完成后，接着进行第4k+4个点增益设置，同时把信号输出切换到1通道输出；
第4k+4个增益设置完成后，接着循环到第4k+1个点增益设置，同时信号输出也是循环切换到4通道输出。
设置增益和信号输出错开的原因主要是避免了增益设置和调整的时间太长，导致响应速度不够的问题。
在这TCG设置流程里边，对k值可以根据实际情况确定，所述k的确定主要来根据增益控制的运放电压调整速度，电压调整速度越快，k值的取值就越大。一般在超声应用领域，100Mhz的采样率已经是非常足够的了。以100Mhz采样率为例，如果一条A扫数据的采样点数是1024个，那么1024个点采样完成的时间是10240ns，即是10.24 μs。理论上在极限情况下，如果每个点都是要做不同的增益情况下，那么k值的最大值就是1024/4=256，相当于硬件TCG取点数为1024个点。但是，由于运放的电压调整速率跟不上来，以AD8027为例，它的电压调整速率为90V/ μs，3.3V的压差调整，大概需要37ns的时间，在加上芯片的settingtime时间为40ns，在加上前端控制数据传输时间40ns，保守估计，需要120ns的运算电压输出稳定时间，因此，当k值取256时候，4个增益值设置时间仅仅只有40ns是不够的。4个增益放大模块，每个稳定切换的时间需要120ns，那么从最快角度看，每个切换点的时间至少要30ns，这个时间是3个采样点的时间，因此，可以推出在此情况下，k的最大值是1024/4/3等于85，即是k<85即可，本实施例中的K值可以取小于85的值。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.用于超声相控阵的TCG硬件电路，其特征在于：包括控制模块、第一模拟信号开关、滤波模块、增益放大模块、第二模拟信号开关；
所述第一模拟信号开关包括一个输入端和多个输出端，所述输入端用于接收输入信号，所述输出端用于将输入端输入的信号从多个输出端输出；
所述多个输出端中每个输出端分别依次与滤波模块和增益放大模块连接；
各增益放大模块的输出端分别与第二模拟信号开关的输入端连接；
所述控制模块分别与第一模拟信号开关、增益放大模块、第二模拟信号开关连接；所述控制模块用于设置TCG调整点，并根据TCG调整点对第一、二模拟信号开关、增益放大模块的切换过程；
所述控制模块按照以下步骤进行：
设置N个增益放大模块；根据增益放大模块的运放响应时间设置每个增益放大模块轮流工作切换时间点，使得增益放大模块轮流循环重复进行；
所述控制模块采用FPGA芯片的IO口进行控制，包括切换模块、电压控制DAC模块；所述切换模块用于分别对输出模拟信号进行切换控制；所述电压控制DAC模块，通过压控控制增益大小。
2.如权利要求1所述的用于超声相控阵的TCG硬件电路，其特征在于：所述滤波模块采用带通滤波模块，所述带通滤波模块用于滤除1Mhz以下和30Mhz以上的噪声信号。
3.如权利要求1所述的用于超声相控阵的TCG硬件电路，其特征在于：所述增益放大模块的放大倍数被设置为0-40dB，通过压控的方式进行调整信号放大倍数，电压输出控制通过DAC进行控制。
4.如权利要求1所述的用于超声相控阵的TCG硬件电路，其特征在于：所述第一模拟信号开关为一进四出模拟信号开关，用于将输入信号复制出四路模拟信号，并将四路模拟信号分别传输至对应的滤波模块，所述滤波模块将处理后的信号传输到对应的增益放大模块；
所述第二模拟信号开关为四进一出模拟信号开关，用于通过控制信号从四路增益放大模块选择一路增益放大模块的输出信号。
5.利用上述权利要求1至4中任一项所述的用于超声相控阵的TCG硬件电路来实现TCG增益调节的方法，其特征在于：包括以下步骤：
设置N个增益放大模块；根据增益放大模块的运放响应时间设置每个增益放大模块轮流工作切换时间点，使得增益放大模块轮流循环重复进行；
所述增益放大模块轮流循环重复进行的具体步骤如下：
输入A扫数据信号；
设置第4k+1个点增益，切换到4通道输出；
设置第4k+2个点增益，切换到3通道输出；
设置第4k+3个点增益，切换到2通道输出；
设置第4k+4个点增益，切换到1通道输出；
在设置第4k+4个点增益，切换到1通道输出后，返回到第1个点增益进行设置和切换到4通道输出，循环重复K次；K代表TCG调整点数为4k；
k是根据增益控制的运放电压调整速度来确定的，电压调整速度越快，k值的取值就越大。
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