DE69615973T2 - Verteilter überabtastender Analog zu Digital Wandler mit optischer Verbindung - Google Patents

Verteilter überabtastender Analog zu Digital Wandler mit optischer Verbindung

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Delta-Sigma Analog/Digital (A/D)-Wandler für bildgebende Systeme und insbesondere auf eine Einrichtung, die einen A/D-Wandler von einem Ultraschall-Bildgebungssystem teilt, wobei der eine Abschnitt in dem Sensor oder der Wandlersonde und der andere in dem Signalprozessor oder Bildgebungskonsole angeordnet ist.
  • Ein Ultraschall-Bildgebungssystem erfordert ein großes Feld (Array) von Ultraschallwandlern, die in einer von Hand gehaltenen Sonde enthalten sind, um für eine Lenkung und Fokussierung des Ultaschallbündels zu sorgen. Die Handsonde wird in Kontakt mit der Haut des Patienten angeordnet und muss durch die Bedienungsperson frei manipuliert werden können. Jeder Wandler empfängt von dem Objekt, das untersucht wird, ein hochfrequentes Signal, das zu dem Elektronik-Grundsystem oder zur Bildgebungskonsole zur Signalverarbeitung zurückgesendet werden muss.
  • Die Sondeneinschränkungen, nämlich eine große Anzahl von Wandlern kombiniert mit einer einfachen Manövrierbarkeit, erfordern, dass die Verkabelung, die die Sonde mit einer Konsole verbindet, klein und flexibel ist und die Gesamtleistung, die in der Sonde verbraucht wird, möglichst klein gehalten wird.
  • Zur gleichen Zeit gibt es Vorteile, die Sensorausgangssignale in digitale Form umzuwandeln, bevor sie verarbeitet werden. Dies ruft ein Erfordernis für eine Analog/Digital(A/D)-Wandlerarchitektur hervor, die den kleinstmöglichen Leistungsverbrauch an dem Sensorort aufweist.
  • Darüber hinaus besteht eine Einschränkung hinsichtlich des dynamischen Bereiches und der Bewahrung von Genauigkeit der Signale von jedem der Wandlerelemente, so dass eine genaue Bündelformung erreicht werden kann. Aktive Bildgebungssysteme, wie beispielsweise Radar-, Sonar- und Ultraschallsysteme, erfordern jedoch sehr große dynamische Bereiche, da Reflexionen von nahegelegenen Objekten im allgemeinen eine viel größere Amplitude haben als Reflexionen von Objekten, die weiter entfernt sind. Diese verschiedenen Einschränkungen, die oben erläutert sind, werden inkompatibel, wenn die Sonde mehr als etwa 100 Wandler enthält.
  • EP-A-0,573,156 beschreibt einen Sigma-Delta A/D-Wandler, der ein Signal von einem Sensor empfängt und eine lichtemittierende Diode moduliert zum Senden des Signals von dem Sensor zu einem Fotodetektor.
  • EP-A-0,559,419 beschreibt eine phasengesteuerte Ultraschall- Bündelformvorrichtung, die Sigma-Delta A/D-Wandler verwendet.
  • Im Lichte der vorstehenden Beschreibung besteht ein Bedarf für eine A/D-Wandlerarchitektur, die die Genauigkeit und den dynamischen Bereich von einer großen Anzahl von Signalen beibehält, die in großer Nähe in einem kleinen, flexiblen Kabel mit wenig Leistungsverbrauch am Sondenkopf geleitet werden.
  • Es besteht weiterhin ein Bedarf für eine A/D-Wandlerarchitektur, die keine kritische Komponentenanpassung erfordert, während optische Verbindungen verwendet werden, die einen relativ kleinen dynamischen Bereich haben, bei der nahezu die gesamte Leistungsverbrauch an dem entfernten Ende der optischen Verbindungen erfolgt.
  • Es besteht weiterhin ein Bedarf für eine A/D-Wandlerarchitektur, die einen dynamischen Bereich an einer Signalquelle hat, der wesentlich größer als derjenige von einer signalführenden Verbindung ist, die mit einem Sensor kommuniziert.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein verteilter Delta-Sigma Analog/Digital (A/D)-Wandler geschaffen, der enthält:
  • eine Ultraschallsonde mit einer Integratoreinrichtung zum Empfangen eines analogen Eingangssignals und zum Erzeugen eines integrierten analogen Ausgangssignals als Antwort darauf, einer ersten Lichterzeugungseinrichtung, die auf das integrierte analoge Ausgangssignal anspricht zum Umwandeln des integrierten analogen Ausgangssignals in ein erstes Lichtbündel, und einer Einrichtung zum Koppeln einer Anzahl von Referenzspannungen mit einem Eingangs-Summierknoten der Integratoreinrichtung, und eine Bildgebungskonsole, gekennzeichnet durch erste und zweite Lichtleiterkabel, die die Sonde und die Konsole in optischer Kommunikation miteinander verbinden, wobei die Konsole eine erste auf Licht ansprechende Einrichtung zum Empfangen des ersten Lichtbündels über das erste Lichtleiterkabel und zum Umwandeln des ersten Lichtbündels in ein analoges elektrisches Signal, einen internen A/D-Wandler, der mit der ersten auf Licht ansprechenden Einrichtung gekoppelt ist, zum Umwandeln des analogen elektrischen Signals in ein digitales Signal, und eine zweite Lichterzeugungseinrichtung aufweist, die auf das digitale Signal anspricht und mit dem zweiten Lichtleiterkabel verbunden ist zum Steuern der Anlegung der Anzahl von Referenzspannungen an den Eingangs-Summierknoten der Integratoreinrichtung.
  • In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Schaltungsanordnung zum gesteuerten Anlegen von Referenzspannungen an einen Eingang des Integrators erste und zweite lichtleitende Schalter, die auf entsprechende Weise mit einer positiven und einer negativen Spannungsquelle verbunden sind. In einem anderen Ausführungsbeispiel enthält die Schaltungsanordnung zum gesteuerten Anlegen von Referenzspannungen an den Integrator einen lichtleitenden Schalter und einen Widerstand, die auf entsprechende Weise mit einer positiven und einer negativen Spannungsquelle verbunden sind.
  • Kurz gesagt, enthält gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Ultraschall-Bildgebungssystem einen Sensor oder eine Wandlersonde und einen Signalprozessor oder eine Bildgebungskonsole. Ein A/D-Wandler, wie beispielsweise ein üblicher Delta-Sigma A/D-Wandler, ist ebenfalls vorgesehen und selektiv zwischen dem Sondenkopf und dem Signalprozessor aufgeteilt, um die oben genannten Schwierigkeiten zu überwinden, die im Stand der Technik aufgetreten sind. Zusätzlich erfordert die A/D-Wandlerarchitektur gemäß der Erfindung kein sehr genaues Analogsignal, das zwischen den zwei Abschnitten von dem Bildgebungssystem geleitet werden muss, wodurch die zwei Abschnitte auf einfache Weise mit Lichtleiterverbindungen mit einem relativ kleinen dynamischen Bereich miteinander verbunden werden können.
  • Die Erfindung, zusammen mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen, kann am besten verstanden werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • Fig. 1 ein schematisches Diagramm von einem A/D-Wandlersystem ist, das eine verteilte A/D-Wandlerarchitektur gemäß der Erfindung aufweist;
  • Fig. 2 ein schematische Diagramm von einem anderen Ausführungsbeispiel von einer verteilten A/D-Wandlerarchitektur gemäß der Erfindung ist; und
  • Fig. 3 ein schematisches Diagramm von einem noch anderen Ausführungsbeispiel von einer verteilten A/D-Wandlerarchitektur gemäß der Erfindung ist.
  • Fig. 1 stellt einen verteilten A/D-Wandler 10 gemäß der Erfindung dar. Für den einschlägigen Fachmann ist jedoch verständlich, dass die Erfindung jede übliche Delta-Sigma A/D-Wandlerarchitektur verwenden kann. Weiterhin kann zwar jede übliche Rausch-formende Schleife verwendet werden, jedoch ist ein Delta-Sigma A/D-Wandleranordnung erster Ordnung (einzelner Integrator) für eine einfache Darstellung und Erläuterung gezeigt; jedoch kann eine Delta-Sigma-Wandleranordnung jeder Ordnung bei der Ausführung der Erfindung verwendet werden.
  • Fig. 1 zeigt die Basisanordnung von einem System, wo die Komponenten in einem Sondenkopf 4 ein Integrator 20, eine modulierbare Lichtquelle 30 oder ein opto-elektrischer Lichtmodulator mit anspruchsloser Genauigkeit, eine genaue Referenzspannung ± VR und ein oder mehrere optisch aktivierte Schalter sind, wie beispielsweise Lichtleiter 90 und 92. Die übrigen in Fig. 1 gezeigten Komponenten, d. h. der A/D-Wandler, zusätzliche Lichterzeugungseinrichtungen 82,86, ein Digitalfilter 60 und eine Dezimator 70, sind alle in einer Bildgebungskonsole 6 angeordnet.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt ist, nimmt der Sondenkopf 4 einen analogen Integrator 20 auf, der von einem Operationsverstärker oder "op-amp" 22 gebildet ist, dem ein Kondensator 24 parallel geschaltet ist. Der analoge Integrator gleicht den Mittelwert von dem Eingangssignal und den Mittelwert von dem digitalen Bitsignal ab, das von einer Rückführungsschleife empfangen wird, wie es nachfolgend näher erläutert wird.
  • Das integrierte analoge Ausgangssignal aus dem Integrator wird einer Lichtquelle zugeführt, die, als ein Beispiel und nicht als Einschränkung, eine lichtemittierende Diode (LED) 30 sein kann. Die LED 30 wandelt das integrierte analoge Ausgangssignal in ein Lichtbündel, das über eine Lichtleiterverbindung 32 auf einen lichtempfindlichen Detektor 40 in der Bildgebungskonsole 6 gerichtet wird. Der Detektor 40 wandelt das Lichtbündel zurück in ein analoges elektrisches Signal. Ein geeigneter lichtempfindlicher Detektor 40 würde beispielsweise Fotodioden oder andere äquivalente lichtdetektierende Vorrichtungen umfassen.
  • Ein A/D-Wandler, wie beispielsweise ein Komparator 50, empfängt das analoge elektrische Signal von dem lichtempfindlichen Detektor 40 und setzt das analoge elektrische Signal in ein digitales Signal um. Eine Analog/Digital-Signalumsetzung mit hoher Auflösung kann mit eine niedrigere Auflösung aufweisenden Komponenten erreicht werden durch die Verwendung von überabgetasteter, interpolativern (oder Delta-Sigma) Modulation, gefolgt von digitaler Tiefpassfilterung und Dezimierung. Überabtastung (Oversampling) bezieht sich auf die Arbeitsweise des Modulators mit einer Frequenz, die viele Male größer als die Nyquist-Frequenz ist, wogegen Dezimierung sich auf die Senkung der Taktrate durch periodisches Weglassen von Abtastungen (Samples) bezieht.
  • Ein Digitalfilter 60 ist so geschaltet, dass er das digitale Ausgangssignal des A/D-Wandlers empfängt und filtert, um so das hochfrequente Quantisierungsrauschen oberhalb der Signalbandbreite auszufiltern. Ein Dezimator 70 empfängt das gefilterte digitale Ausgangssignal des Digitalfilters 60 und sampelt das gefilterte digitale Ausgangssignal mit einer komprimierten Rate.
  • Delta-Sigma A/D-Wandler verwenden üblicherweise einen internen A/D-Wandler mit anspruchsloser Auflösung und einem komplimentären Digital/Analog (A/D)-Wandler in einer Rückführungsschleife. Die Rückführungsschleife erhöht die Genauigkeit des Delta-Sigma-A/D-Wandlers in einer Art und Weise, die mit dem Hochgeschwindigkeitsbetrieb in Übereinstimmung ist, die von dem internen A/D-Wandler geboten wird. In der Theorie wird jeder Fehler in der Linearität oder Auflösung, der von dem A/D-Wandler bewirkt wird, effektiv zu dem Eingangssignal hinzuaddiert und erscheint am Ausgang des internen A/D-Wandlers ohne Dämpfung.
  • Fig. 1 zeigt eine Rückführunsschleife mit einem Komparator 50, der als ein interner Einbit A/D-Wandler dient, der optisch über Lichtleiterverbindungen 84 und 88 mit zwei Fotoleiterschaltern 90 und 92 in dem Sondenkopf verbunden sind, die als Einbit D/A- Wandler dienen. Um breitere Bandbreiten zu erhalten, können Vielbit-Versionen der D/A- und internen A/D-Wandler verwendet werden und liegen innerhalb des Schutzumfanges dieser Erfindung. Positive (VR) und negative (-VR) Referenzspannungen sind mit dem Eingang der Integrators 20 über Lichtleiterschalter 90 bzw. 92 verbunden zum gesteuerten Anlegen der Referenz-Spannungssignale an den Integrator.
  • Eine LED 82 oder eine andere vergleichbare Lichterzeugungseinrichtung in der Bildgebungskonsole 6 ist so geschaltet, dass sie das digitale Signal von dem Komparator 50 empfängt und ein Lichtbündel erzeugt zur Übertragung über eine Lichtleiterverbindung 84 mit dem Lichtleitungsschalter 90 in dem Sondenkopf 4. Eine andere LED 86 oder andere vergleichbare Lichterzeugungseinrichtung in der Bildgebungskonsole ist ebenfalls so geschaltet, dass sie das digitale Ausgangssignal von dem Komparator 50 empfängt und ein Lichtbündel erzeugt zur Übertragung über eine Lichtleiterverbindung 88 mit dem Lichtleitungsschalter 92 in dem Sondenkopf 4.
  • Wenn der Schalter 90 betätigt wird, wird eine positive Spannungsreferenz VR an einen Summierknoten 21 des Integrators 20 angelegt. Wenn der Schalter 92 betätigt wird, wird dem Summierknoten 21 des Integrators 20 eine negative Spannungsreferenz -VR zugeführt. Die Schalter werden durch einen Invertierer 80 gesteuert, der steuert, wenn die eine oder die andere der LEDs 82 und 86 in dem Rückführungspfad dunkel ist.
  • In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel führt deshalb die Rückführungsschleife das digitale Ausgangssignal des Komparators 50 zu dem Integrator 20 über eine Lichtleiterverbindung, die zwei Lichtleiter aufweist: den einen zum Inkrementieren des integrierenden Kondensators 24 und den anderen zum Dekrementieren des integrierenden Kondensators 24.
  • Da die Referenzspannungen auf dem entfernten Ende von der Rückführungsschleife erzeugt werden und das Lichtleitersignal lediglich dazu verwendet wird, einen lichtleitenden Schalter zu aktivieren, entsteht durch die Verwendung der Lichtleiterverbindung keine Einbuße an Genauigkeit. Tatsächlich kann die Genauigkeit der Lichtleiterschalter 90 und 92 eine Verbesserung gegenüber derjenigen von üblichen Einbit-D/A-Wandlern sein, weil es keine Streusignalaufnahme über die Lichtleiter gibt.
  • Der analoge Integrator 20 stimmt den Mittelwert des Eingangssignals und den Mittelwert des digitalen Signals ab, das von der Rückführungsschleife empfangen wird. Wenn diese Mittelwerte ungleich werden, ändert sich das Ausgangssignal des Integrators von seinem Nominalwert, und der A/D-Wandler 50 muss diese Änderung erfassen. Da jedoch alle Fehler nachfolgend korrigiert werden, haben transiente Diskrepanzen und Ausgangsrauschen des Integrators wenig Einfluss auf die gesamte Leistungsfähigkeit des Delta-Sigma A/D-Wandlers.
  • Aus diesem gleichen Grund haben Photonenrauschen, das mit den LEDs und der Fotodiode verbunden ist, und Ende-zu-Ende-Nichtlinearität der optischen Verbindung zwischen dem Ausgang des Integrators 20 und dem Eingang des Komparators 50 ebenfalls wenig Wirkung. Somit hat trotz des relativ kleinen dynamischen Bereiches, der durch eine optische Verbindung geliefert wird, die Schaltungsarchitektur gemäß Fig. 1 so viel dynamischen Bereich, wie sie haben würde, wenn elektrische Verbindungen zwischen dem analogen Signaleingangsabschnitt und dem digitalen Rückführungssignal-Empfangsabschnitt verwendet werden würden.
  • In dem anderen Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Anzahl von Leitern in der D/A-Rückführungsschleife von zwei auf eins gesenkt, indem die eine Referenzspannung, beispielsweise -VR, mit einem Summierknoten 121 des Integrators 20 über einen Widerstand 122 verbunden ist und ein einzelner Lichtleiter 190 mit einem EIN-Widerstand mit einem viel kleineren Ohmschen Wert als demjenigen des Widerstandes 122 verwendet wird, um mit der anderen Referenzspannung, beispielsweise VR, verbunden zu sein. Es wird deutlich, dass diese Spannungsreferenzen umgekehrt sein können, so dass VR mit dem Summierknoten 121 verbunden ist und -VR mit dem Lichtleiter 190 verbunden ist.
  • Wenn also in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 die einzelne LED 82 in dem Rückführungspfad dunkel ist, wird die erste Referenzspannung (-VR, wie es in Fig. 2 dargestellt ist) an den Summierknoten 121 als die Rückführungsspannung angelegt, während die zweite Referenzspannung (VR, wie es in Fig. 2 dargestellt ist) an den Summierknoten 121 als die Rückführungsspannung angelegt wird, wenn die LED 82 leuchtet und der Lichtleiter beleuchtet ist.
  • In einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, wird ein kapazitiver opto-elektrischer Modulator 230 am Ausgang des integrierenden Operationsverstärker 22 verwendet, um ein Lichtbündel zu modulieren, das an einer Lichtquelle 31 in der Konsole 6 entsteht, anstatt an der LED 30 in der Sonde 4, wie es in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Ein Modulator 230 kann die LED 30 in den Ausführungsbeispielen ersetzen, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Dies hat den Vorteil, dass die Leistung, die normalerweise von der LED 30 benötigt wird, aus der Sonde heraus bewegt werden kann. Zusätzlich bringt die Kapazität des Modulators keinen Nachteil, da sie Teil der Last des Operationsverstärkers 22 wird (die bereits kapazitiv ist).

Claims (10)

1. Verteilter Delta-Sigma-Analog/Digital(A/D)-Wandler (10) enthaltend:
eine Ultraschallsonde (4) mit einer Integratoreinrichtung (20) zum Empfangen eines analogen Eingangssignals und zum Erzeugen eines integrierten analogen Ausgangssignals als Antwort darauf, einer ersten Lichterzeugungseinrichtung (30, 230), die auf das integrierte analoge Ausgangssignal anspricht zum Umwandeln des integrierten analogen Ausgangssignals in ein erstes Lichtbündel, und einer Einrichtung (90, 92, 122) zum Koppeln einer Anzahl von Referenzspannungen mit einem Eingangs-Summierknoten (21, 121) der Integratoreinrichtung, und
eine Bildgebungskonsole, gekennzeichnet durch
erste (32) und zweite (84) Lichtleiterkabel, die die Sonde und die Konsole in optischer Kommunikation miteinander verbinden, wobei die Konsole eine erste auf Licht ansprechende Einrichtung (40) zum Empfangen des ersten Lichtbündels über das erste Lichtleiterkabel und zum Umwandeln des ersten Lichtbündels in ein analoges elektrisches Signal, einen internen A/D- Wandler (50), der mit der ersten auf Licht ansprechenden Einrichtung gekoppelt ist, zum Umwandeln des analogen elektrischen Signals in ein digitales Signal, und eine zweite Lichterzeugungseinrichtung (82) aufweist, die auf das digitale Signal anspricht und mit dem zweiten Lichtleiterkabel verbunden ist zum Steuern der Anlegung der Anzahl von Referenzspannnungen an den Eingangs-Summierknoten der Integratoreinrichtung.
2. Delta-Sigma-A/D Wandler nach Anspruch 1, wobei die Anzahl von Spannungsreferenz-Eingabemitteln einen lichtleitenden Schalter (190) und einen Widerstand (122) aufweist, die auf entsprechende Weise mit einer positiven und einer negativen Referenzspannung verbunden sind.
3. Delta-Sigma-A/D Wandler nach Anspruch 1, wobei die erste Lichterzeugungseinrichtung einen kapazitiven elektrooptischen Modulator (230) aufweist zum Modulieren des Lichtbündels aus der Bildgebungskonsole, und die zweite Lichterzeugungseinrichtung eine LED aufweist.
4. Delta-Sigma-A/D Wandler nach Anspruch 1, wobei die Bildgebungskonsole ferner eine digitale Filtereinrichtung (60), die mit dem internen A/D Wandler verbunden ist, zum Filtern des von dem internen A/D Wandler erzeugten digitalen Ausgangssignals und einen mit der digitalen Filtereinrichtung verbundenen Dezimator (70) aufweist zum Sampeln des gefilterten digitalen Ausgangssignals mit einer komprimierten Rate.
5. Delta-Sigma-A/D Wandler nach Anspruch 1, wobei ein lichtleitender Schalter (190), der auf die zweite Lichterzeugungseinrichtung anspricht, zum selektiven Anlegen einer Referenzspannung mit vorbestimmter Polarität an den Eingangs- Summierknoten und eine widerstandsbehaftete Einrichtung (122) vorgesehen sind zum Anlegen einer Referenzspannung mit einer Polarität, die zu der vorbestimmten Polarität entgegengesetzt ist, an den Eingangs-Summierknoten, wobei die widerstandsbehaftete Einrichtung einen höheren ohmschen Wert hat als der lichtleitende Schalter, wenn der Schalter im EIN-Zustand ist.
6. Delta-Sigma-A/D Wandler nach Anspruch 1, ferner enthaltend:
ein drittes Lichtleiterkabel (88), das die Sonde und die Konsole in optischer Kommunikation miteinander verbindet, eine dritte Lichterzeugungseinrichtung (86), die auf das digitale Signal anspricht, wobei die dritte Lichterzeugungseinrichtung optisch mit dem dritten Lichtleiterkabel gekoppelt ist zum Steuern der Anlegung der Anzahl von Referenzspannungen an den Eingangs-Summierknoten der Integratoreinrichtung.
7. Delta-Sigma-A/D Wandler nach Anspruch 6, wobei erste (90) und zweite (92) lichtleitende Schalter vorgesehen sind, die auf entsprechende Weise auf die zweite und dritte Lichterzeugungseinrichtung ansprechen und mit dem Eingangs-Summierknoten der Integratoreinrichtung gekoppelt sind zum selektiven Anlegen einer positiven oder negativen Referenzspannung an den Eingangs-Summierknoten.
8. Delta-Sigma-A/D Wandler nach Anspruch 6, wobei jede der ersten, zweiten bzw. dritten Lichterzeugungseinrichtungen eine lichtemittierende Diode (LED) aufweist.
9. Delta-Sigma-A/D Wandler nach Anspruch 6, wobei die erste Lichterzeugungseinrichtung einen kapazitiven elektrooptischen Modulator (230) aufweist zum Modulieren eines Lichtbündels von der Bildgebungskonsole und wobei jede der zweiten bzw. dritten Lichterzeugungseinrichtungen eine LED aufweist.
10. Delta-Sigma-A/D Wandler nach Anspruch 6, wobei die Bildgebungskonsole ferner eine digitale Filtereinrichtung (60), die mit dem internen A/D Wandler verbunden ist, zum Filtern des von dem internen A/D Wandler erzeugten digitalen Ausgangssignals und einen mit der digitalen Filtereinrichtung verbundenen Dezimator (70) aufweist zum Sampeln des gefilterten digitalen Ausgangssignals mit einer komprimierten Rate.
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