JPH02132367A - 超音波測定装置におけるａ／ｄ変換処理方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業トの利用分野コ この発明は、超音波測定装置におけるＡ／Ｄ変換処理方
式に関し、詳しくは、エコー受信信号をデジタル値に変
換して画像処理し、Ａスコープ画像等を表示する小型の
超音波深傷装置において、Ａ／Ｄ変換のサンプリング周
波数が低くても高い精度でＡ／Ｉ）変換が可能なシーケ
ンシャルデジタル化Ａ／Ｄ変換処理方式の改良に関する
。

［従来の技術コ 超音波測定装置の１つである超音波探査映像装置は、例
えば、ＩＣ，各種の電子部品などの被検体に超音波を照
射し、被検体の表面や内部からの反射波を検出して被検
体の内部の吠態を調べることができる装置として利用さ
れている。この装置は、被検体中の異種材料の界面や亀
裂による空間などが存在するとによって超高波が反射さ
れ、その反射波の強度や送信波の送出（又は表面波検出
）時点から反射波検出までの時間（路程）を測定するこ
とによって界面の状態や亀裂の位置などを測定する。

ここで、反射波の強度や送信波送出（又は表面波検出）
から反射波検出までの時間や強度を測定するには、超音
波探触子から得られるエコー受信信号を増幅してそのピ
ーク値を検出し、それまでの時間を計測することで行わ
れたり、或いは、増幅されたエコー受信信号をそのまま
Ａ／Ｄ変換してコンピュータによりデータ処理して時間
や強度の値を測定し、その測定結果は、一般にＡスコー
プ画像等として表示される。

このような超音波測定装置では、超音波が被検体内を伝
搬する際にその強度が減衰し、その減衰の程度が伝搬し
た距離と超音波の周波数とに関係していて相違するので
、ある周波数帯域の超音波を送出したとき、被検体から
帰って来た超音波の周波数分布を知ることが必要になる
場合がある。

この周波数分布を解析するには通常コンピュータにより
処理することになるため、超音波の受信波形をデジタル
化することが必要になる。

このように、超音波測定装置にあっては、エコー受信信
号をＡ／Ｄ変換してアナログ波形をデジタル化して処理
することが多く、この場合のＡ／Ｄ変換は、その変換時
のサンプリング周波数か高ければ高いほど元波形に対す
る忠実度が高くなり、高精度な測定が可能になる。

［解決しようとする課題］ アナログ波形をデジタル化する方法としては、デジタル
式のオシロコープで用いられている方式がある。この方
式の１つは、高い周波数、例えば、１００ＭＨｚのクロ
ック信号（以下クロック）で動作するＡ／Ｄ変換器がア
ナログ波形を順次Ａ／Ｄ変換するものであって、この場
合にアナログ波形を忠実に解析するためには、アナログ
波形のサンプリング周期は、前記の変換動作クロツクよ
り低い周波数の、例えば、５ＭＨｚ程度かそれ以下であ
ることが好ましいとされている。

したがって、高い周波数でサンプリングするには、それ
に応じた非常に高い周波数のクロツクで動作するＡ／Ｄ
変換回路が必要になり、そのために回路構成が複雑にな
るとともに、Ａ／Ｄ変換回路が高価にならざるを得ない
。

−・方、Ａ／Ｄ変換回路の変換動作クロツクが低い場合
であっても等価的に高いサンプリング周波数でＡ／Ｄ変
換ができる方式として、シーケンシャル方式がある。こ
れは、第３図の（ａ）〜（ｅ）に示すように、１回のア
ナログ波形（（ａ）参照）で１つのサンプリングクロッ
ク（（ｂ）参照）によるＡ／Ｄ変換を行い、次の波形で
は前の波形より少しクロック位置をずらせてサンプリン
グ（（Ｃ）〜（ｄ）参照）するものである。

このようにすれば、１００ＭＨｚの波形を２５点に分割
して、２５回同一波形を受けてＡ／Ｄ変換すればよい。

この場合、１００ＭＨｚのサンプリング間隔（周期）は
、ｌｏｎｓの周期（サンプリング間隔）のサンプリング
クロツクを使用して、これを２５分の１の０．４ｎｓず
つずらせてＡ／Ｄ変換すれば、１００ＭＨｚでＡ／Ｄ変
換したときと同じ結果が得られる。

しかし、この方式では、Ａ／Ｄ変換の対象となるアナロ
グ波形を前記の例のように２５回繰返さなければならず
、１つのアナログ波形のＡ／Ｄ変換が完了するまでの時
間は２５倍かかることになる。

その結果、超音波測定において、例えば、送信波の繰返
し周期をＩＫＨｚとした場合に、前記の方式では、Ａ／
Ｄ変換するのに１秒近くもかかり、さらにアナログ波形
の変換範囲を広い範囲に採ると、その波形をＡ／Ｄ変換
するにはさらに多くの時間が必要となる。したがって、
その後のデータ処理を含めた測定時間は非常に長い時間
となる。

この発明は、このような従来技術の問題点を解決するも
のであって、等価的に高い周波数でサンプリングでき、
その後のデータ処理が短時間で済む超音波測定装置にお
けるＡ／Ｉ）変換処理方式を提供することを目的とする
。

［課題を解決するための千段コ このような目的を達成するこの発明の超音波測定装置に
おけるＡ／Ｄ変換処理方式の構成は、所定の測定周期で
得られる超音波の受信信Ｓ，−をデジタル値に変換して
測定値表小処理等の所定の処理をする超音波測定装置に
おいて、測定周期と同期して測定周期より１／２以ドの
周期Ｔの基準クロック信号を発生する基準クロック発生
回路と、この基準クロック信号を測定周期に対応してＴ
／ｎの時間（ただし、Ｔは前記周期，ｎは２以七の整数
）を単位として（ｉ−１）×Ｔ／ｎだけ測定周期を重ね
るごと（ただし、ｉは、測定周期を重ねた回数）に基準
クロック信号を遅延させて発生させる遅延回路と、この
遅延回路の出力パルスをサンプリングパルスとして受け
て受信信号をサンプリングして保持するサンプルホール
ド回路と、このサンプルホールド回路にサンプルホール
ドされた値をＡ／Ｄ変換するＡ／１〕変換回路と、Ａ／
Ｉ）変換されたデジタル値を受けて受信信号の時系列に
対応させたデータとしてデータ処理をするデータ処理回
路とを備えるものである。

［作用コ このように、１つの測定周期においてその周期より１／
２以下の周期の基聖クロツクによりサンプリングするこ
とにより、１つの送信パルス信号に対して発生する１測
定区間（１測定周期に対応）において複数のサンプリン
グ値を得ることができる。しかも、これらサンプリング
データを通常のシーケンシャルなＡ／Ｄ変換データに変
更する場合には、サンプリング間隔が一定しているので
、サンプリング間隔を単位として処理すれば採取と同時
か、短時間のデータ処理で済む。

ソノ結果、Ａ／Ｄ変換する場合のデジタル化できる最高
周波数とサンプリングの最小遅延時間の関係は従来のシ
ーケンス方式と同じであるが、デジタル化するアナログ
波形の時間幅を長く採っても、そのデジタル化のトータ
ル時間は短くできる。

［実施例］ 以下、この発明の−・実施例について図面を用いて詳細
に説明する。

第１図は、この発明のＡ／１）変換処理方式の原理を説
明するための説明図であり、第２図は、その回路構成を
示すブロック図である。

第１図に示すように、例えば、２０ＭＨｚの繰返し、す
なわち、５０ｎｓの間隔で第２図に，』《すＡ／Ｄ変換
回路２に対するサンプリングパルス｛ｒＥ号を生成して
これにより、所定の繰り返し測定周期、例えば、１ｋＨ
ｚの測定周波数（その測定周期は１　ｍｓ）の送信パル
スを発生して超音波エコーの受信信号を得ると仮定する
と、この測定で超音波探傷器のレシーバの高周波増幅回
路で増幅した最初のエコー受信信号のアナログ値は５０
ｎｓの間隔で複数箇所、前記の例では、最大２０箇所で
デジタル化され、複数のデジタル値を順次得ることがで
きる。

この場合にＡ／１〕変換の対象となるアナログ信号が第
１図の（ａ）であるとすると、まず、最初の測定周期に
おけるサンプリングパルス信Ｓ６を示すのが同図（ｂ）
の基聖クロックである。基準クロックの周期Ｔは、この
場合、５０ｎｓである。

なお、この基準クロックの周期Ｔは、１つの測定周期の
間に２以−１一の基準クロックが入るように、測定周期
（この実施例では、１ｋＨｚの周波数で決定され、その
潤期１ｍｓには５０ｎｓの周期の基準クロノクが最大で
２０個入る）より十分小さな周期になるように選択され
ている。

その結・果、１ｋＨｚの測定周波数．の最初の測定区間
（最初の周期）で受信されるエコー受信信号（同図の（
ａ）参照）は、５０ｎ．ｓごとに発生する基準クロック
によりサンプリングされ、そのアナログ信号の値をまず
デジタル化して、その、デジタル値を第２図の画像処理
装置１０に送出する。

次に１ｋＨｚの測定周波数の第２番目の測定区間（次の
測定周期）に受信されるエコー受信信号（同図の（ａ）
参照）を受けると、同図（ｂ）の基準クロツクを０．４
ｎｓだ、け遅延させた同図（Ｃ）のクロックによりその
アナログ信号の値を再び５　０　ｎ　ｓの周期で同様に
複数回サンプリングして、そのデジタル値のデータを画
像処理装置ＩＯに送出する。

ここで、基準クロックに対する次のクロックの一９一 ー１０一 遅延単位時間（この実施例では、０．４ｎｓ）は、その
周期ＴをＴ／ｎ（ただし、ｎは２以十．の整数）とした
ものであって、０．４ｎｓの遅延時間は、５０ｎｓを１
２５等分したものである。

同様にして次に、ｌｋＨｚの測定周波数で第３番目の測
定区間（第３番目の周期）に受信されるエコー受信信号
（同図の（ａ）参照）を受けると、同図（ｂ）の基準ク
ロックを、０．４ｎｓＸ２だけ遅延させたクロックによ
りそのアナログ信号の値を５０ｎｓの周期の間同様にサ
ンプリングして、そのデータを画像処理装置１０に送出
する。

このようにして、測定周波数の第ｉ番目（ただし、ｉは
２〜１２５までの整数）の測定区間に受信されるエコー
受信信号を受けたときには、同図（ｂ）の基準クロック
を０．４ｎｓＸ　（ｉ−１）だけ遅延させたクロックに
よりそのアナログ信号の値が５０ｎｓの周期の間同様に
複数回サンプリングされて、そのデータが画像処理装置
ｌＯに送出される。ただし、ここでのｉは、測定周期を
重ねた回数である。

このようにしてエコー受信信号のアナログ値をＡ／Ｄ変
換回路２によりデジタル化し、順次０．４ｎｓづつずら
してデジタル化したエコー受仁信号のデータを得る。そ
うすることで、例えば、５０ｎｓの間のサンプリングデ
ータを１画面に対応させると、１画面分の表示データを
１２５回だけデジタル化したものとして得られ、同時に
このサンプリングクロックにより１回の測定周期でサン
プリング数（この実施例では最大で２０個）に対応する
複数の画面のデータが得られる。その結果、複数の画面
のデータがその時間幅にかかわらず１画面のデータをデ
ジタル化する時間で得ることができ、かつそれが０．４
ｎｓごとにデジタル化したものとして得ることができる
。

また、このように５０ｎｓのサンプリング周期で０．４
ｎｓの周期のデジタル化データが得られるので、ｌｏＯ
ＭＨｚのサンプリング波形は、２５点に分割してデジタ
ル化すれば簡単に得ることができる。

したがって、アナログ波形全体を何波分デジタル化する
かに関係なく、デジタル化１回ごとの遅延時間に応じて
デジタル化対象となるアナログ波形全体のデジタル化の
所要時間が決まり、時間の長い波形をデジタル化する場
合にも、或いは、多くの画面分のアナログ波形をデジタ
ル化する場合に、１画面分相当の短時間でＡ／Ｄ変換処
理ができることになる。

第２図は、このようなＡ／Ｄ変換処理を行う回路構成の
−例を示すものであって、入力端子９は、デジタル化し
たいアナログ信号の入力端子であって、超音波深傷器か
ら得られるエコー受信信号を所定レベルまで増幅した信
号が加えられる。

入力端子９に加えれたアナログ信号は、デジタル化する
対象波形の瞬時電圧値を保持するために、まず、そのア
ナログ信号のレベルがサンプルホールド回路１により保
持される。

サンプルホールド回路１は、遅延回路４からサンプリン
グパルスを受けていて、このサンプリングパルスに応じ
て入力アナログ信号をサンプリングする。なお、このサ
ンプルホールド回路１は、人力信号のレベルによってそ
の信号レベル等を調節する機能を有している。

サンプルホールド回路１の出力は、Ａ／Ｄ変換回路２に
加えられ、ここでＡ／１〕変換されてデジタル値にされ
、マイクロプロセッサとメモリ、そしてディスプレイ等
を有する画像処理装置１０に送出される。

基準クロック発生回路３は、第１図の（ｂ）に示す基準
クロックを発生する回路であって、その出力は、遅延回
路４に加えられる。遅延回路４では、測定開始信号を受
けたときを基準にして、基準クロックを受けるごとに、
基準クロックの遅延量を、×０（遅延せずに直接基準ク
ロックを発生する），　Ｘｉ，　Ｘ２，・・・×ｉと、
ｉが１２４になるまで順次遅延させ、遅延させたパルス
信号をサンプルホールド回路１のサンプル信号として出
力する。また、これと同時に遅廷回路４は、前記のサン
プル信号より若丁おくれてＡ／Ｉ）変換起動信号を発生
して、これをＡ／Ｄ変換回路２に送出する。この信号を
受けたＡ／Ｄ変換回路２は、これ＝１４− をＡ／Ｄ変換のスタート信号として受けて、サンプルホ
ールドされた値をＡ／Ｄ変換する。なお、遅延回路４の
構成としては、論理回路を遅延回路として従属接続した
ものでも、或いは遅延線にタップを設けて使用して、遅
延パルスを生成するようにしたものでもよい。

前記の遅延回路４の遅延量は、遅延時間切換制御回路５
からの制御信号によって制御され、設定される。その結
果として遅延回路４は、基準クロックに対してＸＯ，Ｘ
ｉ，Ｘ２，・・・×ｉの遅延童を与えることができる。

遅延時間切換制御回路５は、基準クロック発生回路３で
生成された基準クロックを分周して作られた測定周波数
の１ｋＨｚに対応するトリガ信号により制御され、この
トリガ信号を受けるごとに１つづつ遅延量が増加するよ
うな制御信号を発生させてそれを遅延回路４に送出して
、前記の遅延ｐを制御する。

また、基準クロック発生回路３で測定周波数に対応する
ように分周された前記のトリガ信号は、同時にトリガ出
力端ｒｔｔを経て超音波探傷器の超音波送信部へ送出さ
れる。超音波送信部では、このトリガ信号を受けて、こ
れに同期して送信パルス信号を発生させ、それを超八波
探触子に送出する。その結果、基準クロックに同期し、
かつ測定周波数に対応した前回と同−の第２図の（ａ）
に示すようなアナログ信号（第２図の（ａ）は、説明の
都合１−、実際の超音波測定におけるエコー受信信号の
形態とはなっていない。）が信号入力端子９に得られ、
前回と同一のアナログ信号波形をデジタル化することが
できる。

サンプル間隔設定回路６は、遅延時間切換制御回路５を
制御して、遅延回路４の中位遅延量、この実施例では、
０．４ｎｓの遅延量を設定／変更する回路であって、単
位遅延量を外部から設定／変更できるようにするために
設けられている。

サンプル点数設定回路７は、遅延時間切換制御回路５を
動作させる開始時間とその動作時間間隔を決定する制御
信号を発生してそれを遅延時間切換回路５に送出する。

このことで、遅延時間切換回路５は、遅延回路４の出力
パルスの発生開始タイミングと発生させつづける全体の
時間幅とをサンプル点数設定回路７からの制御信号に応
じて設定する。このことで、アナログ人力信号に対して
デジタル化する信号の範囲とその時間幅を外部から設定
することができる。その結果、このサンプル点数設定回
路７の制御信号により入力されたエコー受信信号のどの
部分をどの範囲に渡ってデジタル化するかを決定でき、
全体のエコー受信信号を何分割してデジタル化するかを
外部から設定できる。

そこで、このサンプル点数設定回路７からの制御信号に
応じて設定されたデジタル化の時間幅が終わったら、遅
延時間切換制御回路５は、再び基準クロックを受けた時
からデジタル化を行うように動作する。このことにより
、エコー受信信号を数画面分或いは１画面で数箇所に分
けてデジタル化したデータを容易に得ることができ、例
えば、１００ＭＨｚの場合には、２５点採り、これらを
合成して表示できるようにすることが可能になる。

デジタル化幅表示回路８は、サンプル間隔設定回路６と
サンプル点数設定回路７とで設定された制御情報を受け
て、アナログ波形のどの部分をデジタル化するかとか、
アナログ波形及びデジタル化期間等とを表示するための
信号を生成して、表示出力端子１２に出力し、オシロコ
ープ等の表示器にそれらを加えてデータ表示をする回路
である。

また、画像処理装置１０は、このようにして受けた１測
定区間（測定周期の１区間）での５０ｎＳごとのサンプ
リング値と１２５回得られる各サンプリング値を一Ｉそ
のメモリに記憶し、１回の測定が終了した時点でメモリ
に記憶されたこれらサンプリング値に基づきこれらサン
プリング値のデータ順序の入れ替えをして、シーケンス
方式のＡ／Ｄ変換データとなるようにエコー受信信号の
時間順序に対応するデータを得る順序入れ替え処理をす
る。この場合のデータの入れ替え処理は、基準クロック
の周期に対応させればよいので、データ処理が短くて済
む。なお、このように一旦メモリに記憶することなく、
サンプリング時点て対応する時間順序になるようにメモ
リのアドレスをアクセスして記憶するようにしてもよく
、この場合にはアクセスの処理だけで特別な処理は不要
となる。

以上説明してきたが、前記のデータ入れ替え処理は、Ａ
スコープ表示処理等の他の処理プログラムに組込みませ
る形態で行ってもよく、また、独一ｙに入れ替え処理プ
ログラムとして設けてもよい。

実施例では超音波探傷器側の送信パルス信号に対するト
リガ信号を基準クロック発生回路から分周して生成して
いるが、逆に外部からトリガ信号をもらい、この信号と
基準クロック発生回路の基準クロックとを同期させても
よい。

また、遅延時間切換制御は、サンプル間隔とサンプル点
数の設定をしているが、サンプル点数の代わりにサンプ
ル幅としてもよい。

実施例では、エコー受信信づ・に対してＡ／ｒ）変換す
る場合を述べているが、反射型の測定だけでなく、透過
した超音波受信信号に対してもこの発明が適用できるこ
とはもちろんである。

［発明の効果コ 以上の説明から理解できるように、この発明にあっては
、１つの測定周期においてその周期より１／２以下の周
期の基準クロツクによりサンプリングすることにより、
１つの送信パルス信号に対して発生する１測定区間（１
測定周期に対応）において複数のサンプリング値を得る
ことができる。

しかも、これらサンプリングデータを通常のシーケンシ
ャルなＡ／Ｄ変換データに変更する場合には、サンプリ
ング間隔が−・定しているので、サンプリング間隔を単
位として処理すれば採取と同時か、短時間のデータ処理
で済む。

その結果、Ａ／Ｄ変換する場合のデジタル化できる最高
周波数とサンプリングの最小遅延時間の関係は従来のシ
ーケンス方式と同じであるが、デジタル化するアナログ
波形の時間幅を長く採っても、そのデジタル化のトータ
ル時間は短くできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のＡ／Ｄ変換処理方式の原理を説明
するための説明図、第２図は、その回路構成を示すブロ
ソク図、第３図は、従来のＡ／ｒ）変換方式の説明図で
ある。 ■・・・サンプルホールド回路、２・・・Ａ／１）変換
回路、３・・・基準クロック発生回路、４・・・遅延回
路、５・・・遅延時間切換制御回路、６・・・サンプル
間隔設定回路、７・・・サンプル点設定回路、８・・・
デジタル化中表示回路、９・・・信号入力端子、１０・
・・画像処理装置、１１・・・トリガ出力端了、１２・
・・表示出力端子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の測定周期で得られる超音波の受信信号をデ
   ジタル値に変換して測定値表示処理等の所定の処理をす
   る超音波測定装置において、前記測定周期と同期して前
   記測定周期より１／２以下の周期Ｔの基準クロック信号
   を発生する基準クロック発生回路と、この基準クロック
   信号を前記測定周期に対応してＴ／ｎの時間（ただし、
   Ｔは前記周期、ｎは２以上の整数）を単位として（ｉ−
   １）×Ｔ／ｎだけ前記測定周期を重ねるごと（ただし、
   ｉは、測定周期を重ねた回数）に前記基準クロック信号
   を遅延させて発生させる遅延回路と、この遅延回路の出
   力パルスをサンプリングパルスとして受けて前記受信信
   号をサンプリングして保持するサンプルホールド回路と
   、このサンプルホールド回路にサンプルホールドされた
   値をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、Ａ／Ｄ変換され
   たデジタル値を受けて前記受信信号の時系列に対応させ
   たデータとしてデータ処理をするデータ処理回路とを備
   えることを特徴とする超音波測定装置におけるＡ／Ｄ変
   換処理方式。