DE3023386C2 - Schaltungsanordnung für eine Ultraschall-Untersuchungseinrichtung - Google Patents

Schaltungsanordnung für eine Ultraschall-Untersuchungseinrichtung

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Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für die Ansteuerung von mit Ladungsverschiebe-Elementen versehenen Verzögerungsleitungen eines Ultraschall-Sende/Empfangs-Wandlers mit sektorförmigem Strahlenverlauf.
Bei der Untersuchung von Objekten mittels Ultraschall hat sich das sogenannte Sectorscan-Verfahren in vielen Fällen als sehr vorteilhaft erwiesen. Hierbei wird ein relativ kleiner aus mehreren Einzelelementen bestehender Ultraschall-Sende/Empfangs-Wandler so angesteuert, daß durch entsprechende Phasenunterschiede der Sende- und Empfangssignale der Einzelelemente ein richtungsselektives Senden bzw. Empfangen möglich ist.
Im Empfangsfall trifft die von einem Punkt A (siehe Zeichnung Fig. 1) ausgehende reflektierte Ultraschallwelle zu unterschiedlichen Zeiten auf die einzelnen Elemente des Ultraschall-Sende/Empfangs-Wandlers. Die aus dem unterschiedlichen Eintreffen der reflektierten Ultraschallwelle auf den Einzelelementen resultierende Verzögerungszeit At ist dabei abhängig von dem Winkel α unter dem das Ultraschallsignal auf die Oberfläche des Ultraschall-Sende/Empfangs-Wandlers trifft und von der Breite b des Uitraschall-Sende/Enipfangs-Wandlers und ist
Al = b ■ sin α
Für die phasenrientige Summation der elektrischen Ausgangssignale der Einzelelemente ist es erforderlich, diese Signale so zu verzögern, daß nur Signale addiert werden, welche von der gleichen zu einem bestimmten Zeitpunkt vom Punkt A ausgehenden reflektierten Welle erzeugt wurden.
Bei einigen der bislang bekanntgewordenen Einrichtungen werden zur Signalverzögerung Ladungsverschiebe-Elemente (CCD = Charge-Coupled-Device) verwendet, wobei diese als analoge Verzögerungsleitungen eingesetzt werden, welche es ermöglichen, ein Eingangssignal abzutasten und anschließend in Form von elektrischen Ladungspaketen durch die einzelnen CCD-Stufen weiterzuschieben. Die Abtastrate und die Durchtaktfrequenz werden durch ein von außen an das CCD angelegtes, in weiten Frequenzbereichen variierbares Taktsignal bestimmt
Die Verzögerungszeit At ist dabei die Zeit die ein Signal in bezug auf ein anderes Signal bei der Durch taktung durch die CCD's mehr benötigt
Um verschiedene Verzögerungszeiten für die einzelnen Kanäle zu erhalten, wird die Frequenz des Taktsignals für die Kanäle entsprechend unterschiedlich gewählt Da sich die Verzögerungszeiten in Abhängigkeit vom Empfangswinkel ändern, müssen für jeden •)eueii Winkel auch neue Taktfrequenzen eingestellt werden.
Soll diese Einstellung der Taktfrequenzen schnell genug und mit entsprechender Genauigkeit erfolgen, (unumgänglich bei einer sogenannten Echtzeit-Darstellung), ist ein relativ hoher elektronischer Aufwand erforderlich. Setzt man voraus, daß die Frequenz in einem Synthesizer mittels spannungsgesteuertem Oszillator (VCO) eingestellt wird, so ist neben dem notwendigerweise sehr schnellen Regelkreis ein schneller, entsprechend genauer D/A-Wandler erforderlich, der die digital gespeicherte Information über die Verzögerungszeit in ein analoges Steuersignal für den VCO umsetzt.
Bei all diesen Bauelementen sind die bekannten Eigenschaften analoger Bauelemente wie Temperaturdrift, Spannungsabhängigkeit usw. zu berücksichtigen bzw. zu kompensieren. Um eine entsprechende Genauigkeit zu erreichen, müssen hohe Anforderungen bzgl. der Stabilität und des Regelverhaltens erfüllt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art mit relativ geringem Aufwand die Einstellgenauigkeit und die Gesamtstabilität zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst.
Im Gegensatz zur bekannten analogen Steuerung ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung (bis auf die CCD's) rein digital aufgebaut. Hierbei wird die Information einer gesamten Linie eines Ultraschall-Sectorscan für jeweils ein Element des Ultraschall-Sende/ Empfangs-Wandlers in einem CCD gespeichert. Die Verzögerungszeit wird durch eine programmierbare Verzögerungsschaltung eingestellt, die durch einen sehr hochfrequenten Takt beeinflußt wird.
Anhand einer in der Zeichnung mehr oder minder
schematisch dargestellten Anordnung sei die Erfindung näher erläutert, und zwar zeigt
F i g. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
Fig.2 eine vorteilhafte Ausgestaltung der Schaitungsanordnung nach F i g. 1.
Wie aus F i g. 1 hervorgeht, besteht ein Ultraschall-Sende/Empfangs-Wandler 1 aus mehreren Einzelelementen Ii — In, die zusammen die Breite b aufweisen. Von diesen Einzelelementen wird durch geeignete Ansteuerung je ein Sendeimpuls abgegeben (durchgezogene Linien), der zu einem Punkt A gelangt und dort reflektiert wird (gestrichelte Linien). Durch Änderung der Verhältnisse der Phasensteuerung wird dann eine Vielzahl von Linien erzeugt, die in dem durch den Pfeil P markierien Bereich liegen.
Auf die Abgabe der Sendeimpulse und die damit im Zusammenhang stehenden Einrichtungen wird hier nichi näher eingegangen, da dies für die Erfindung nicht von Bedeutung ist
Erfindungswesentlich sind die eingehenden Signale und dabei läuft ein Zyklus, d. h. Empfang, Speicherung und Austakten einer Linie wie folgt ab:
Nachdem die Einzelelemente li — In des Ultraschall-Sende/Empfangs-Wandlers 1 in der entsprechenden Reihenfolge einen Sendeimpuls abgegeben haben, werden von einer Ablaufsteuerung 2 Verzögerungsschaltungen 3i — 3„ derart beeinflußt, daß über je eine für jeden Kanal vorhandene, von einer digitalen Ein-Auslese-Steuerung 4 beeinflußten digitalen Ein-Auslese-Logik 5i— 5„ die Eintaktung der Meßsignale mittels eines Taktgenerators 6 in Ladungsverschiebe- Elemente 7,—7„ verzögert erfolgt, und zwar in Abhängigkeit der Richtung der jeweiligen Linie. Das Auslesen der Nutzinformation aus den CCD's 7i—7n wird dann wieder über die Ablaufsteuerung 2, und zwar ebenfalls mit Hilfe des Taktgenerators 6 vorgenommen, und die Signale einem Summationsverstärker 8 zugeführt, dem zwecks Weiterverarbeitung und Darstellung der Einfachheit halber nicht näher veranschaulichte Schaltkreise nachgeschaltet sind.
Gemäß der in F i g. 2 dargestellten vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, wird von der hier nicht veranschaulichten Ablaufsteuerung 2 (F i g. 1) nach der Abgabe des Sendeimpulses das sogenannte Startsignal S\ — Sn gegeben. Damit wird ein Verzögerungszeit-Zähler Hi beeinflußt, d.h. er zählt von einem durch die Ablaufsteuerung 2 über einen Setzeingang E\ gesetzten Wert bis auf Null herab. Nach dem Ablauf des Verzögerungszeit-Zählers wird der in einem Divisionsglied 12i durch einen Faktor Zdividierte Takt auf einen ebenfalls durch die Ablaufsteuerung 2 über einen Setzeingang E\" auf einen Festwert gesetzten Linien-Länge-Zähler 13i gegeben, welcher je nach Stellung eines in der Ein-Auslese-Stenerung 4 vorhandenen elektronischen Schaltgliedes z. B. eines Flip-Flop's 14 die Eintaktung des Meßsignals über die Logik 5i in das CCD 7,a oder das CCD 7,b erlaubt Nach Ablauf des Linien-Länge-Zählers 13i ist das Nutzsignal vollständig im CCD 7ia oder 7u, gespeichert und es erfolgt kein weiteres Takten mehr. Erst wenn alle Linien-Länge-Zähler 13| —13„ gleich Null sind, kann durch Setzen des Freigabesignals Fifie Nutzinformation ausgelesen werden. Wenn alle Linien-Länge-Zähler gleich Null sind, wird ein weiteres elektronisches Schaltelement ζ. B. ein Flip-Flop 15 umgeschaltet und bleibt solange in diesem Zustand bis ein Auslese-Zähler 17 abgelaufen ist Während dieser Zeit werden dann die CCD's parallel ausgelesen, welche vorher das Nutzsignal empfangen haben. Sind alle CCD's ausgelesen, erfolgt kein weiteres Austakten mehr. Da bei dem Zustand »alle Linien-Länge-Zähler gleich Null« neben dem elektronischen Schaltglied 15 auch das Schaltelement 14 gesetzt ist, kann die eine CCD-Gruppe z. B. 7ia—7„a zum Auslesen des Nutzsignals freigegeben werden, während die andere CCD-Gruppe z. B. 7\b—7nb für das Einlesen eines neuen Nutzsignals bereitgestellt wird. Damit kann also bereits ein neuer Einlesezyklus beginnen, sobald die Zähler neu gesetzt sind. (Der Auslese-Zähler 17 wird erst nach Beendigung des Auslesens gesetzt)
Ein weiteres, in der Ein-Auslese-Steuerung 4 vorhandenes Schaltglied z. B. ein Flip-Flop 16, sorgt dafür, daß beim Auslesen die richtige Impulslage sichergestellt ist. Es schaltet bei gesetztem Flip-Flop 15 mit der negativen (oder positiven) Flanke des durch den Faktor zl2 in einem Divisionsglied 10 dividierten Taktes des Taktgebers 9 (Mastertakt). Dadurch ist gewährleistet, daß unabhängig vom Zeitpunkt des Umschaltens des elektronischen Schaltgliedes 15 das Austakten des Nutzsignals mit einer Flanke des Taktsignals und nicht im Augenblick der Schaltzustandsänderung des Schaltgliedes 15 erfolgt. Die Verwendung des durch den Faktor Z bzw. 2I2 dividierten Masteirtaktes stellt sicher, daß die Einstell-Ungenauigkeit der Verzögerungszeit nur einem Mastertakt entspricht und nicht der entsprechenden Zeit des Z-mal bzw. z/2-mal längeren CCD Eintaktimpulses, wie er bei der Verwendung eines neuen Taktes der Frequenz Masitertakt/Z auftreten würde, womit der Einschaltpunkt für den CCD-Takt nicht genau bestimmt wäre.
Die Verwendung von zwei CCD's 71s und 7k, ist vorteilhaft, und zwar damit beim Auslesen einer alten Nutzinformation gleichzeitig (aber nach entsprechender Verzögerung des Einlesebeginns) eine neue Nutzinformation eingelesen werden kann. Hierin liegt auch noch ein Vorteil gegenüber der bekannten CCD-Steuerung mit variabler Taktfrequenz und nur einem CCD je Kanal, und zwar, weil die Taktfrequenz für das Auslesen der alten Nutzinformation gleich der Taktfrequenz ist, die für das Einlesen der neuen Nutzinformation erforderlich ist, wodurch bei der Summation der alten Nutzinformation ein Phasenfehler auftritt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung für die Ansteuerung von mit Ladungsverschiebe-Elementen versehenen Verzögerungsleitungen eines Ultraschall-Sende/Empfangs-Wandlers mit sektorförmigem Strahlenverlauf, dadurch gekennzeichnet, daß die für jede Verzögerungsleitung mindestens einmal vorhandenen Ladungsverschiebe-Elemente (7,— 7„) mit je einer für jede Verzögerungsleitung vorhandenen digitalen Ein-Ausleselogik (5i— 5„) verbunden sind, die einerseits an je einer für jede Verzögerungsleitung vorhandenen digitalen Verzögerungsschaltung (3i—3fl) und andererseits an einer allen Verzögerungsleitungen gemeinsamen digitalen Ein-Auslese-Steuerung (4) angeschlossen ist, daß ein ebenfalls allen Verzögerungsleitungen gemeinsamer Takt-Generator (6) vorhanden ist, der einerseits mit der Ein-Auslese-Steuerung (4) und andererseits mit den Verzögerungsschaltungen (3i— 3n) verbunden ist, und daß eine digitale Ablaufsteuerung (2) vorhanden ist, die einerseits mit der Ein-Auslese-Steuerung (4) und andererseits mit den Verzögerungsschaltungen (3i — 3„) verbunden ist
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Verzögerungsschaltung (3i—3„) mit einem von der Ablaufsteuerung (2) beeinflußten Verzögerungszeit-Zähler (11) und einem nachgeschalteten, ebenfalls von der Ablaufsteuerung (2) beeinflußten Linien-Länge-Zähler (13) versehen ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein-Auslese-Steuerung (4) im wesentlichen mit einem von elektronischen Schaltelementen (15, 16) beeinflußten Auslese-Zähler (17) versehen ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pro Verzögerungsleitung zwei Ladungsverschiebe-Elemente (7)a, 7ιλ—7„a. 7„i>) vorhanden sind, die mit einem Summationsverstärker (8) verbunden sind.
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