DE3511747C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für eine Gruppenstrahleranordnung einer Ultraschall-Abbildungsvorrichtung, bei der den Einzelschwingern zeitlich unterschiedlich verzögerte Ansteuersignale über zugeordnete analoge Schieberegister zuführbar sind, die jeweils an Takterzeugungsschaltungen angeschlossen sind, welche einen über eine Phasenregelschleife mit einem Tiefpaßfilter spannungsgesteuerten Oszillator sowie einen Phasendetektor aufweisen, dessen erster Eingang mit dem Ausgangssignal eines vom spannungsgesteuerten Oszillator angesteuerten programmierbaren Teilers und dessen zweiter Eingang über einen zweiten Teiler mit dem aus dem Signal eines frequenzstabilen Oszillators gewonnenen Referenzsignals gespeist ist.

Eine derartige Ansteuerschaltung ist aus der DE-PS 30 10 293 sowie aus "Das Phased Array als neuer, elektronisch steuerbarer Ultraschallwandler in der Werkstoffprüfung", FhG-Berichte, 3, 1978, Seite 60 bekannt und dient dazu, bei laufzeitgesteuerten Gruppenstrahlern von Ultraschall-Abbildungssystemen in der medizinischen Diagnostik oder der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung die zu jedem Einzelschwinger des Gruppenstrahlers gehörenden Sendesignale und/oder Empfangssignale flexibel und programmiert zu verzögern, indem die Verzögerungszeiten analoger Schieberegister durch Ändern der angelegten Taktfrequenz programmiert verstellt werden.

Bei den bekannten Ansteuerschaltungen ist eine einzige Phasenregelschleife vorgesehen. Hieraus ergibt sich der Nachteil, daß bei der geforderten Schrittweite der Ausgangsfrequenzen die Umschaltzeiten bedingt durch die lange Einschwingzeit der Phasenregelschleife relativ groß sind. Eine für den Echtzeitbetrieb hinreichend große Umschaltgeschwindigkeit läßt sich jedoch bei den bekannten Schaltungen mit einer Phasenregelschleife nur dann erreichen, wenn die Schrittweite in nachteiliger Weise vergrößert wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Taktfrequenzen für die analogen Schieberegister mit einer für den Echtzeitbetrieb hinreichend hohen Umschaltgeschwindigkeit in kleinen Schrittweiten veränderbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zweite an den Ausgang des frequenzstabilen Oszillators angeschlossene Teiler ebenfalls programmierbar ist, und daß die Dateneingänge der beiden programmierbaren Teiler mit den Ausgängen einer Einrichtung verbunden sind, die in Abhängigkeit von den jeweils erwünschten Verzögerungszeiten für die Ansteuersignale den Frequenzen des spannungsgesteuerten Oszillators zugeordnete Zahlenwertepaare für die Teilerverhältnisse der beiden programmierbaren Teiler liefert.

Dadurch, daß das dem Phasendetektor zugeführte Referenzsignal variabel ist, kann eine hohe Referenzsignalfrequenz gewählt werden, die es gestattet, die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters entsprechend hoch zu legen, so daß die Phasenregelschleife eine kurze Einschwingdauer aufweist. Eine Rasterung mit einer Schrittweite, die kleiner als die Schrittweite der Referenzfrequenz ist, ergibt sich dadurch, daß zum Verändern der Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators der Ansteuerschaltung sowohl das Teilerverhältnis des ersten Teilers als auch das Teilerverhältnis des zweiten Teilers entsprechend vorherbestimmter Tabellen von Zahlenwertepaaren verändert werden. Die zu im Raster aufeinanderfolgenden Ausgangsfrequenzen des spannungsgesteuerten Oszillators zugehörigen Zahlenwertepaare sind zweckmäßigerweise unter aufeinanderfolgenden Speicheradressen in einem Datensatzspeicher gespeichert. Beim Inkrementieren der Adresse des Datensatzspeichers werden somit nacheinander jeweils Zahlenwertepaare ausgegeben, durch die eine Umprogrammierung der beiden Teiler in der Weise möglich ist, daß die zur Steuerung der Schieberegister verwendeten Taktfrequenzen schnell in kleinen Schritten veränderbar sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Ansteuerschaltung mit mehreren Takterzeugungsschaltungen gemäß der Erfindung und

Fig. 2 eine der Takterzeugungsschaltung gemäß Fig. 1 in einem detaillierteren Blockschaltbild

In Fig. 1 erkennt man eine Ansteuerschaltung für ein auf dem Prinzip der laufzeitgesteuerten Gruppenstrahler basierendes Ultraschall-Abbildungssystem, das beispielsweise in der medizinischen Diagnostik oder der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt werden kann. Die Ansteuerschaltung gestattet die flexible, programmierte Verzögerung der einzelnen zu jedem Schwingerelement gehörenden Sende- und Empfangssignale. In Fig. 1 ist die Ansteuerschaltung für die Verzögerung der Sendesignale dargestellt, die im wesentlichen der Schaltung für die Verzögerung der Empfangssignale entspricht.

Wie man in Fig. 1 erkennt, verfügt die Gruppenstrahleranordnung über eine Vielzahl von Einzelschwingern 1, von denen zur Vereinfachung lediglich drei Einzelschwinger 1 dargestellt sind. Die Einzelschwinger 1 sind über Leitungen 2 mit den Ausgängen von analogen Schieberegistern 3 verbunden, die beispielsweise durch Charge-Coupled Devices oder CCDs realisiert sein können. Die durch die analogen Schieberegister 3 bewirkten Verzögerungszeiten sind durch das Verhältnis der Speicherplatzanzahl und der jeweils am Takteingang 4 angelegten rechteckförmigen Taktfrequenz gegeben. Die Signaleingänge 5 der analogen Schieberegister 3 sind an einen Leistungsteiler 6 angeschlossen, der seinerseits über eine Leitung 7 beispielsweise mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Burstgenerator in Verbindung steht.

Je nach der durch die analogen Schieberegister 3 bewirkten Phasenverschiebung zwischen den Ausgangssignalen des Leistungsteilers 6 wird von der aus den Einzelschwingern 1 bestehenden Gruppenstrahleranordnung ein in unterschiedliche Richtungen konzentrierter Abtaststrahl erzeugt. Zum Verschwenken dieses Abtaststrahles ist es erforderlich, die Phasenbeziehungen auf den Leitungen 2 durch Ändern der Verzögerungen in den analogen Schieberegistern 3 zu beeinflussen. Dies geschieht mit Hilfe der an den Takteingängen 4 liegenden variablen Taktfrequenzen.

Die zur Änderung der Verzögerungszeiten variierbaren Taktfrequenzen werden mit Hilfe von Takterzeugungsschaltungen 8 erzeugt, von denen in Fig. 1 lediglich drei dargestellt sind, obwohl Phased-Array-Geräte in der Regel mehr als 20 unabhängige Kanäle besitzen, wobei jeder dieser Kanäle eine eigene Takterzeugungsschaltung 8 enthalten muß. Statt der in Fig. 1 dargestellten drei Takterzeugungsschaltungen 8 und drei analogen Schieberegister 3 enthält die Ansteuerschaltung für die Gruppenstrahleranordnung aus den Einzelschwingern 1 daher tatsächlich wesentlich mehr Baugruppen, als in Fig. 1 zur Vereinfachung dargestellt worden sind. Aus diesem Grunde erhöht sich der Gesamtaufwand für eine Ansteuerschaltung erheblich, wenn einzelne Baugruppen auch nur eine geringfügig höhere Bauteilezahl aufweisen.

Die mit ihren Ausgängen 9 an die Takteingänge 4 der analogen Schieberegister 3 angeschlossenen Takterzeugungsschaltungen 8 erzeugen Taktfrequenzen, beispielsweise im Frequenzbereich zwischen 10 MHz und 20 MHz, wobei zur Echtzeitsteuerung einer Gruppenstrahleranordnung Umschaltzeiten von weniger als 1 ms erforderlich sind. Die typischerweise für eine Ultraschall-Abbildung geforderten Schrittweiten liegen im Bereich von etwa 10 kHz.

Die an den Ausgängen 9 der Takterzeugungsschaltung 8 liegenden Taktfrequenzen werden mit Hilfe einer Steuerschaltung 10 und eines Datensatzspeichers 11 bestimmt. Der Datensatzspeicher 11 ist über einen Bus 12 mit den Dateneingängen 13 der Takterzeugungsschaltung 8 verbunden. Der Datensatzspeicher 11 liefert Zahlenwertepaare, die beim Aktivieren der Ladeeingänge 14 in die Takterzeugungsschaltungen 8 eingelesen werden und die Taktfrequenz an den Ausgängen 9 bestimmen. Die Steuerschaltung 10 steuert über einen Adressenbus 15 den Datensatzspeicher 11 zur Selektion der jeweils in die Takterzeugungsschaltung 8 einzulesenden Zahlenwertepaare an.

Die Takterzeugungsschaltungen 8 sind in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise aufgebaut.

Wie man in Fig. 2 erkennt, verfügt die Takterzeugungsschaltung 8 über einen ersten programmierbaren Teiler 16 und einen zweiten programmierbaren Teiler 17, die über die Dateneingänge 13 und die Ladeeingänge 14 programmierbar sind.

Die Takterzeugungsschaltungen 8 verfügen weiterhin über jeweils einen gesonderten oder gemeinsamen Quarzoszillator 18, der beispielsweise Taktimpulse mit einer stabilen Standardfrequenz von 10 MHz erzeugt. Weiterhin verfügt die Takterzeugungsschaltung 8 über einen spannungsgesteuerten Oszillator 19, an dessen Ausgang 9 das Taktsignal für das zugeordnete analoge Schieberegister 3 mit einer programmierbaren Ausgangsfrequenz auftritt.

Über einen zweiten Ausgang 20 speist der spannungsgesteuerte Oszillator 19 den ersten programmierbaren Teiler 16. Das am Ausgang 21 des ersten programmierbaren Teilers 16 auftretende Taktsignal speist den ersten Eingang 22 eines Phasendetektors 23. Wie man in Fig. 2 erkennt, verfügt der Phasendetektor 23 über einen zweiten Eingang 24, der mit dem Ausgang 25 des zweiten programmierbaren Teilers 17 verbunden ist.

Der Phasendetektorausgang 26 ist über einen Tiefpaß 27, der beispielsweise ein Integrator sein kann, mit dem Steuereingang 28 des spannungsgesteuerten Oszillators 19 verbunden.

Wie man erkennt, bildet der erste programmierbare Teiler 16, der Phasendetektor 23, der Tiefpaß 27 und der spannungsgesteuerte Oszillator 19 eine Phasenregelschleife, wobei dem zweiten Eingang 24 des Phasendetektors 23 ein Taktsignal mit einer Referenzfrequenz f _REF zugeführt wird. Die Referenzfrequenz f _REF bestimmt die kleinstmögliche Schrittweite der am Ausgang 9 auftretenden Ausgangsfrequenz f _out . Bezeichnet man die durch den ersten Teiler 1 gegenüber der Ausgangsfrequenz f _out reduzierte Taktfrequenz mit f _r , so gilt im eingeregelten Zustand der Phasenregelschleife, daß der Quotient aus der Ausgangsfrequenz f _out und dem Teilerverhältnis T₁ des ersten programmierbaren Teilers 16 exakt gleich der Referenzfrequenz f _REF ist. Weicht die reduzierte Frequenz f _r am Ausgang des ersten programmierbaren Teilers 16 im noch nicht eingerasteten Zustand von der Referenzfrequenz f _REF ab, so wird der spannungsgesteuerte Oszillator 19 über den Phasendetektor 23 und den nachgeschalteten Tiefpaß 27 so lange nachgesteuert, bis f _r =f _REF ist.

Entscheidend für die Einschwingdauer und damit für die Umschaltgeschwindigkeit der Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 19 ist die Grenzfrequenz des Tiefpasses 27, die durch die Referenzfrequenz f _REF bestimmt ist. Je kleiner die Referenzfrequenz f _REF ist, um so tiefer muß die obere Grenzfrequenz des Tiefpasses 27 gewählt werden, was jedoch zu kleineren Umschaltgeschwindigkeiten führt. Bei einer größeren Referenzfrequenz f _REF kann die Grenzfrequenz des Tiefpasses 27 höher gelegt werden, so daß sich eine höhere Umschaltgeschwindigkeit ergibt, wodurch jedoch die Schrittweite erhöht wird.

Da neben dem ersten programmierbaren Teiler 16 ein zweiter programmierbarer Teiler 17 zur Erzeugung der Referenzfrequenz f _REF vorgesehen ist, gestattet es die in Fig. 2 dargestellte Schaltung, hohe Umschaltgeschwindigkeiten auch dann zu erreichen, wenn die Schrittweiten im Raster der Ausgangsfrequenz f _out klein sind.

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß die gewünschte Ausgangsfrequenz f _out nicht allein durch den ersten programmierbaren Teiler 16 bestimmt ist, sondern bei vorherbestimmter Frequenz des Quarzoszillators 18 auch vom Teilerverhältnis des zweiten Teilers 17 bestimmt ist. Dabei braucht das Teilerverhältnis des zweiten Teilers 17 nur innerhalb eines schmalen Intervalls verändert werden, so daß auch die Referenzfrequenz f _REF nur geringfügig variiert. Die Ausgangsfrequenzen f _out sind aus diesem Grunde nicht mehr durch das starre Raster des ganzzahligen Vielfachen einer einzigen Referenzfrequenz festgelegt, sondern es stehen zur Annäherung an die jeweils gewünschte Ausgangsfrequenz f _out die ganzzahligen Vielfachen aller durch den zweiten programmierbaren Teiler 17 erzeugbaren Referenzfrequenz f _REF zwischen einer oberen Referenzfrequenz und einer unteren Referenzfrequenz zur Verfügung. Durch eine optimale Auswahl der Teilerverhältnisse der programmierbaren Teiler 16 und 17 können somit dicht beieinanderliegende Ausgangsfrequenzen mit einer hohen Umschaltgeschwindigkeit erzeugt werden. Bezeichnet man die Frequenz des Quarzoszillators 18 mit Q, das Teilerverhältnis des ersten programmierbaren Teilers 16 mit T₁ und das Teilerverhältnis des zweiten programmierbaren Teilers 17 mit T₂, so ergibt sich für die Ausgangsfrequenz

Bei einer Quarzoszillatorfrequenz von 10 MHz und einem Teilerverhältnis T₂ in der Größenordnung von 1000 beträgt die Referenzfrequenz f _REF etwa 10 kHz. Dennoch gestattet es die oben beschriebene Ansteuerschaltung, Ausgangsfrequenzen f _out mit einer Schrittweite zu erzeugen, die weit unter 10 kHz, nämlich bei etwa 0,8 kHz, liegt, wie sich aus der nachfolgenden Tabelle ergibt.

Aus der obigen Tabelle ergibt sich somit unmittelbar, daß durch den Einsatz des zweiten programmierbaren Teilers 17 die Ausgangsfrequenzen bei konstanter Umschaltgeschwindigkeit, die durch die Referenzfrequenz f _REF gegeben ist, wesentlich feiner gestaffelt werden können.

Wenn Umschaltzeiten kleiner als 1 ms erreicht werden sollen, geht man von einer Referenzfrequenz von etwa 100 kHz aus. Diese kann beispielsweise mit einem zweiten programmierbaren Teiler 17 mit einem Teilerverhältnis von etwa 1000 und einem Quarzoszillator mit einer Frequenz von 100 MHz erreicht werden. Aus der nachfolgenden Tabelle erkennt man, daß in einem solchen Fall beispielsweise eine Schrittweite im Raster der Ausgangsfrequenz f _out von etwa 4 kHz möglich ist, obwohl die Referenzfrequenz etwa 100 kHz beträgt und es gestattet, die Grenzfrequenz des Tiefpasses 27 entsprechend hoch zu legen, damit die Phasenregelschleife mit dem spannungsgesteuerten Oszillator 19 schnell umschalten kann.

Die beispielsweise in den obigen Tabellen aufgeführten Teilerverhältnisse für den ersten Teiler 16 und den zweiten Teiler 17 sind in dem in Fig. 1 dargestellten Datenspeicher abgelegt und werden durch entsprechende Ansteuerung des Adressenbusses 15 je nach Bedarf unter Einsatz der Steuerschaltung 10 ausgelesen.

Wie bereits erwähnt, zeigt Fig. 1 das Ausführungsbeispiel einer Ansteuerschaltung für die programmierte Verzögerung der Sendesignale zu den Einzelschwingern 1. Eine programmierte Verzögerung der Empfangssignale der Einzelschwinger 1 läßt sich erreichen, wenn die Ausgänge der Einzelschwinger über analoge Schieberegister an den Eingang eines Verstärkers angeschaltet werden, wobei die analogen Schieberegister in der oben beschriebenen Weise durch Takterzeugungsschaltungen angesteuert sind.

Claims (5)

1. Ansteuerschaltung für eine Gruppenstrahleranordnung einer Ultraschall-Abbildungsvorrichtung, bei der den Einzelschwingern zeitlich unterschiedlich verzögerte Ansteuersignale über zugeordnete analoge Schieberegister zuführbar sind, die jeweils an Takterzeugungsschaltungen angeschlossen sind, welche einen über eine Phasenregelschleife mit einem Tiefpaßfilter spannungsgesteuerten Oszillator sowie einen Phasendetektor aufweisen, dessen erster Eingang mit dem Ausgangssignal eines vom spannungsgesteuerten Oszillator angesteuerten programmierbaren Teilers und dessen zweiter Eingang über einen zweiten Teiler mit dem aus dem Signal eines frequenzstabilen Oszillators gewonnenen Referenzsignals gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite an den Ausgang des frequenzstabilen Oszillators (18) angeschlossene Teiler (17) ebenfalls programmierbar ist, und daß die Dateneingänge (13) der beiden programmierbaren Teiler (16, 17) mit den Ausgängen (12) einer Einrichtung (11) verbunden sind, die in Abhängigkeit von den jeweils erwünschten Verzögerungszeiten für die Ansteuersignale den Frequenzen des spannungsgesteuerten Oszillators (19) zugeordnete Zahlenwertepaare für die Teilerverhältnisse der beiden programmierbaren Teiler (16, 17) liefert.

2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Referenzsignals in der Größenordnung von 10 kHz bis 100 kHz liegt.

3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (19) in der Größenordnung von 1 MHz bis 20 MHz liegt.

4. Ansteuerschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Lieferung der Zahlenwertepaare ein Datensatzspeicher (11) ist, der Zahlenwertepaare für die Teilerverhältnisse für eine Vielzahl von vorherbestimmten Verzögerungszeiten enthält.

5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgenden Speicheradressen (15) Zahlenwertepaare im Raster aufeinanderfolgender Ausgangsfrequenzen des spannungsgesteuerten Oszillators (19) zugeordnet sind.