Осипов Л.В. - Ультразвуковые диагностические приборы, часть 2 (1035678), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Наличие цепей задержки обусловлено необходимостью синфазного сложения всех составляющих результирующего выходного сигнала, т.к. в реальных усилительных схемах величина временного запаздывания сигнала при прохождении через усилительные цепи в значительной степени зависит от величины усиления, что и вынуждает вводить соответствующие задержки для компенсации различий в запаздывании. В некоторых случаях на сумматор могут подаваться предварительно продетектированные сигналы, чтонесколько смягчает требования по точности выравнивания задержек сигналов, т.к. в этом случае достаточно выравнивание по времени положения огибающей сигнала, а не фазового выравнивания высокочастотного заполнения.Формирование логарифмической характеристики в схеме Рис.9 иллюстрируется Рис.10.При этом полагается, что уровни ограничения суммируемых напряжений U0 равны между собой.
Нетрудно видеть, что для последовательной схемы, при условии равенства коэффициентовусиления каскадовк, выходное напряжение равно U вх (K n + K n − 1 + ... + K )при U вх ≤ U орг / K nn− 1n− 2 U вх (K + K + ... + K ) + U огр при U огр / n < U вх ≤ U огр / n − 1KK.U вых = .. U вх K + (n − 1) U огрпри Uогр / К 2 < U вх ≤ U огр / K nU огрпри Uогр / K < U вхЕсли усиление каждого каскада К >> 1 то выражение для Uвых упрощаетсяU выхНаРис.10 K n U вх n− 1 K U вх + U огр.= .. KU вх + (n − 1) U огр nU огризображенапри U вх ≤ U огр / K nпри U огр / K n < U вх ≤ U огр / K n − 1при U огр / K 2 < U вх ≤ U огр / Kпри U огр / K < U вхрезультирующаяхарактеристиказависимостивыходногонапряжения усилителя от входного напряжения. Она имеет кусочно-ломаный характер вслучае, если ограничители имеют жесткую характеристику.
на Рис. Реальные ограничителиимеют обычно "мягкую" характеристику ограничения, надлежащий выбор которой позволяетприблизить характеристику к логарифмической (пунктирная линия на Рис.10). При слабыхсигналах, когда ни один из каскадов не вошел в ограничение, результирующая характеристикана Рис.10 является линейной до уровня Uвх=Uвхмин.Усилитель такого типа называется линейно-логарифмическим, т.к.
имеет два участкаамплитудной характеристики - линейный и логарифмический.На Рис.11 представлены в качестве примера огибающие сигналов на входе и на выходедля иллюстрации характера преобразования сигналов.Динамический диапазон входных сигналов, пропускаемых логарифмическим усилителемD вх =UвхмаксUшвхгде Uвхмакс - максимальное значение сигнала, которое соответствует порогу ограничениярезультирующей амплитудной характеристики, Uшвх - уровень шумов, приведенный ко входулинейно-логарифмического усилителя.Динамический диапазон входных и выходных сигналов в линейном режимеD вхлин =Uвхлин,Uшвхдинамический диапазон входных сигналов в логарифмическом режимеD вхлог =гдеUвхлинUвхмакс,Uвхлин- максимальный входной сигнал, соответствующий линейной частихарактеристики.Естественно, в децибельном исчислении.Dвх=Dлин+Dвхлог.Можно получить выражение, определяющее связь между входным и выходнымдинамическими диапазонами.
Оно имеет простой вид, когда коэффициенты усиления каждогокаскада одинаковы и существенно больше единицы. Полагая, что уровень щумов на входе неограничивается ни в одном из каскадов, т.е. выполняется условиеkUш вхKn<Uогргде n - число каскадов, k - коэффициент, определяющий уровень максимальныхэнергетически значимых выбросов шума относительно эффективного значения напряжения Uшвх(для нормального шума можно принять k = 2÷3 ). Это условие, используя равенствоUогр = KUвхмакс можно представить в видеk·Kn-1<DвхДинамический диапазон сигналов на входеD вх =UогрUвхмакс=UшвхKUшвхДинамический диапазон сигналов на выходеD вых =nU огрU выхмакс=U швыхU швых K nИз (1) можно получить Uогр/Uшвх = KDвх.
Используя это равенство, можно получить сучетом условия.Dвых =nDвхn-1n − 1 при kK <DвхKПри этом динамический диапазон входных (и выходных) сигналов в линейном режимеDлин =Uвыхмакс = Dвых = Dвхn− 1nnUшвыхKРассмотрим пример. Пусть n = 3, К = 30 (30 дБ). При Dвх = 80 дБ (I04 по напряжению)Dвых ≈ 30 дВ (30 по напряжению). Условие также выполняется. Динамический диапазон в линейном режиме Dлин = 10 (20 дБ).Соотношение между линейной и логарифмической частью динамического диапазонавлияет на качество изображения и его субъективное восприятие ("мягкое" или "жесткое" изображение).
При этом следует иметь ввиду, что оптимальные методы фильтрации, рассмотренныевыше, эффективны в полной мере только в линейной части динамического диапазона входныхсигналов. В логарифмической части диапазона эффективность их снижается.Приведенное рассмотрение относится к случаю, когда схема ВАРУ обеспечивает максимум усиления приемного тракта и, следовательно, максимальный уровень шумов на выходе.При снижении усиления соответственно уменьшается уровень шумов на выходе, возрастаетдинамический диапазон входных сигналов, пропускаемых приемным трактом, и настолько жеувеличивается динамический диапазон выходных сигналов линейно-логарифмического усилителя. При этом динамический диапазон сигналов на выходе приемного тракта определяется отношением максимального сигнала к минимальному сигналу, пропускаемому трактом (если уровень шумов меньше уровня этого минимального сигнала).Для пояснения сказанного приведем типовую структурную схему приемного тракта (см.Рис.
), в состав которого входит малошумящий усилитель на входе, схема ВАГУ, логарифмический усилитель, детектор и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Динамический диапазон детектора может достигать 30÷40 дБ. Динамический диапазон сигналов, пропускаемыхАЦП, зависит от разрядности и закона преобразования. Для линейного преобразования динамический диапазон сигналов, пропускаемых АЦП и определяемый как отношение максимальногокодируемого напряжения к напряжению, соответствующему младшему разряду, равен динамическому диапазону сигналов на выходе АЦПDАЦП = 2n,где n - число разрядов кодирования в АЦП.Для 7-разрядного АЦП DАЦП = 36 дБ, для 8-разрядного АЦП DАЦП = 42 дБ.Можноувеличитьдинамическийдиапазон сигналов,пропускаемыхАЦП,еслииспользовать нелинейный закон преобразования, близкий к логарифмическому.
При этомдинамический диапазон сигналов на выходе АЦП по-прежнему определяется его разрядностью.Пример такой характеристики приведен на Рис.характеристикилогарифмическогоусилителя,При правильном выборе амплитуднойвообщеговоря,нетнеобходимостивдополнительном нелинейном преобразовании в АЦП. Поэтому, как правило, используются;АЦП с линейным законом преобразования.Вместо схемы приемного тракта, представленной на Рис.приборах [, в некоторых современных] используется цифровая обработка непосредственно после предварительногоусиления с помощью АЦП с нелинейной характеристикой кодирования. Цифровая схема обработки позволяет осуществлять оптимальную фильтрацию, сжатие динамического диапазона идетектирование в цифровом виде.
Недостатком такого построения приемного тракта являетсяболее высокая сложность, чем аналоговой схемы, что связано с необходимостью иметьбыстродействующий АЦП (с частотой дискретизации 10÷20 МГц) и большим числом разрядови быстродействующую схему обработки, обеспечивающую функционирование в реальномвремени.Список литературы1.Применение ультразвука в медицине: Физические основы: Пер. с англ./под ред.К.Хилла. -М.:Мир,1989.-568с.2.Давенпорт В.Б., Рут В.Л. Введение в теорию случайных сигналов и шумов: Пер. сангл.
-М.: ИЛ,1960.-468с.3.Б.Р. Левин. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга вторая.-М.:Сов.радио,1968.-504с.4.Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационнойинформации на фоне помех. – М.:Радио и связь, 1981.-416с.5.ОсиповЛ.В.Ультразвуковыедиагностическиеприборы:Практическоеруководство для пользователей.–М.:Видар, 1999.-256с.6.Цыпкин7.Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. –М.:Сов.радио, 1974.-360с.8.Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. –М.:Сов.радио, 1970.-376с.9.Домаркас В.И., Кажис Р.- И.Ю.
Контрольно-измерительные пьезоэлектрическиепреобразователи. Вильнюс.:Минтис, 1974.—258с.10.International Electrotechnical Commission: International Standard(IEC-1157),Requirement for the Declaration of the acoustic output of medical diagnostic ultrasoundequipment. 1992-07.Дополнительная литература:1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. – 4-е изд. – М.:Радио и Связь, 1986.-512с..
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
