一、概述⒈ 接收系统的主要作用 （ 1 ）换能器接收灵敏度范围的控制 接收阵元 ( 位置 ) 转接 ( 线阵中 ) ；接收方向控制 （相控阵中 ) ；接收孔径变换；接收聚焦。 （ 2 ）回波信号预处理 前置放大， TGC 放大，动态滤波，对数放大，检波， 边缘增强等。

第五章第五章超声回波的接收和预处理超声回波的接收和预处理

第一节 超声接收系统概况第一节 超声接收系统概况

⒉ 接收系统的位置及特点① 信号通道的前段——接收系统——模拟处理。② 信号通道中后段——数字扫描变换器——数字处理。信号通道：信号经过的从换能器至显示器的所有电路。

⒊ 接收系统典型结构框图（ EUB-240 型线扫式 B 超）（双线箭头——多路信号；单线箭头——单路信号）

二、各部分的简要工作原理⒈ 探头

作用：声－电换能。发射－接收两用。结构： 80 阵元线阵，　　　二极管开关 , 以减少连线和前置放大器。

⒉ 前置放大器作用：放大微弱的接收信号，以利传输，提高信噪比。要求：外部干扰小，内部噪声低，灵敏度高，频带宽。数量：前置放大器有 16 路。

⒊ 接收多路转换开关作用：选择 16 路前置放大器输出中的 11 路──扫查。　　　并合成为 6 个信号—— F0-F5 。控制： RQA/ － RQE/ 码。

⒋ 可变孔径电路

作用：实现可变孔径接收。具体：近距离 ( 近场 ) 回波，用小孔径接收，波束窄。 远距离 ( 远场 ) 回波，用大孔径接收，以利聚焦。方法：随时间逐次开通孔径边缘信号 F2 、 F1 、 F0 。控制： AP0/ － AP2/ 信号。

⒌ 相位调整（接收聚焦电路）作用：接收灵敏范围的聚焦。方法：对 F0 － F5 各信号按二次曲线变化延迟，再相加。控制： FCN0 － FCN2 码，控制延迟变化的二次曲线曲

率， 　　也即控制聚焦焦距。

⒍ 增益控制和动态滤波

（ 1 ） TGC 电路──时间增益控制技术 作用：补偿回波因深度增加而造成的衰减： I=I0e-2αx 方法：由 TGC 控制电压，控制压控放大器的增益，随接 收深度而上升。 结果：使近区增益适当小，远区增益逐渐增大。

（ 2 ） DF── 动态滤波技术 作用：滤除近场过强的低频，和深部的高频杂波干扰。 方法：由 DF 控制电压，控制压控带通滤波器的通带中 心频率，随接收深度而下降。 结果：近场滤除低频，提高分辨力；　　　 远场滤除高频，提高信噪比。

⒎ 对数放大器作用：压缩信号的动态范围，适配显像管的动态范围， 防止有用信息的丢失。动态范围：信号—— 100dB ，显像管——约 30dB ，特点：信号越大，增益越小。

⒏ 检波器作用：检出调制信号。射频信号→视频信号回波调制：超声振荡受矩形脉冲幅度调制。

⒐ 勾边电路（边缘增强电路）作用：增强视频信号的边缘，突出图像的轮廓，使之 便于识别和测量。控制： ENH信号，控制增强效果。

一、基本要求原因：阵元获取信号＝ 10-30μVp-p，　　　合成电路本身噪音＞30μVp-p，　　　故需加前置放大器，以提高信噪比。路数：线阵 B 超，前置放大常为多路，各机型有所差异。　　　 EUB-240 型 B 超有 16 路， EUB-40 型 B 超有 24 路。基本要求：（ 1 ）与探头馈线匹配良好。　馈线特性阻抗＝前放输入阻抗。　否则：① 信号被反射入馈线，信号减弱。 ② 多重反射，造成图象重影。

第二节 前置信号放大第二节 前置信号放大

（ 2 ）动态范围大　前放动态范围＝信号动态范围＞ 100dB ，　不丢失有价值的信息。

（ 3）功率增益 (P) 大　 P= 10lgKP (dB) 其中， KP── 放大器功率放大倍数 P 大，则极限灵敏度高，信噪比高。 日立 EUB 系列 B 超，前放 P＝ 24dB 。

（ 4 ）噪声系数 (F) 小 F＝输入端信噪比 / 输出端信噪比≥ 1 理想： F＝ 1 ，即放大器无附加噪声。 实际： F＞ 1 ，晶体管、电阻等总有噪声。 F 小，有限噪声灵敏度高，放大器动态范围大。

二、前置放大器电路1. 前置放大器之一东芝SAL系列线扫 B 超的前置放大器

特点分析

由三级直接耦合放大器组成。 A＝ 7（ 17dB ）① TR20 为射随器，使之与延时线负载阻抗匹配。② R62引入深度负反馈，展宽频带，提高稳定性。③ D33,D34组成双向限幅器，防止大信号阻塞放大器。④ ＋ 15V，－ 5V供电，使输出信号动态范围达 15V以上。⑤ 各级射极直流负反馈，稳定工作点，最小可辨信号小。⑥ L20 ， C31 ， C32 电源滤波，减小噪声。⑦ C25 高频补偿， C18耦合电容。

2. 前置放大器之二

日立公司 B 超常用的前置放大器。 EUB-240 型也用此。特点：① IC1是大动态、高稳定的集成运算放大器H724B01 。② D1 ， D17组成双向限幅器，防止大信号造成放大器阻塞。③ L1 ， R1 ， C1 为高通滤波器。④ C17， C33， C148 ， C149电源退耦电容。⑤ VR1 电位器可调节增益，设计增益 24dB 。

C33

一、回波合成法1. 直接合成法 方法：各阵元信号→孔径控制→聚焦延迟→相加合成。 优点：可不对称延迟，进行微角扫查。 缺点：路数多，设备量大。 实例： Aloka SSD-256 型 B 超仪用之。

第三节 第三节 超声回波信号的合成超声回波信号的合成

2. 二步合成法

方法：各阵元信号→对称合成→孔径控制→聚焦延迟→ 相加合成。条件：具有对称延迟特性（无偏向）。优点：孔径控制电路、聚焦电路减少一半。实例：日立 EUB 系列 B 超（如 EUB-240 ）采用此法。

二、接收多路转换开关（ 1 ）组成　 IC17－ IC38 ： 8 选 1 转接开关　 TR2 － TR6 ：倒相驱动管。（ 2 ）信号　输入： CH1 － CH16 ：前放输出 ,　输出： F0 － F5 ：转接合成输出，　控制： RQA/ － RQE/ 码（ 3）功能 　从 16 路前置放大器输出中，　每次选通 11 路，并对称合成为　 F0 － F5 的 6 个信号。　　控制码变化，选择通路变化，实

现切换扫查。

（ 4 ）电路分析转接开关的使能端与 RQE,RQD 的连接，简化为图 5-7.RQE,RQD＝ 1,0或 0,1 ，有输出的芯片编号，如图 5 － 8 。

前置放大输出的转接合成关系 (HPi=CHi)

例如：① RQE/ － RQA/＝ 01111 ，经 TR2 － TR6倒相，为 10000 ，则 F0＝ CH1+CH11, F1＝ CH2+CH10, F2＝ CH3+CH9, F3＝ CH4+CH8, F4＝ CH5+CH7, F5＝ CH6② RQE/ － RQA/＝ 01110 ，经 TR2 － TR6倒相，为 10001 ，则 F0＝ CH2+CH12, F1＝ CH3+CH11, F2＝ CH4+CH10, F3＝ CH5+CH9, F4＝ CH6+CH8, F5＝ CH7

三、可变孔径电路⒈ 可变孔径的提出及其实现方法

（ 1 ）接收灵敏范围与孔径的关系　根据：发射与接收的互易性；发射超声场的结论。　① 非聚焦：　　近场：孔径越小，灵敏范围越小；　　远场：孔径越大，灵敏范围扩散角越小。　② 聚焦： 　焦点处直径：

　 df＝ 2.44λF/D D─ 接收孔径 　即：为使 df小，当 F 增大时， D 也应增大。

（ 2 ）方法　 近场用小孔径，远场用大孔径——可变孔径技术。（ 3）意义　近场、远场灵敏范围 ( 波束 )均较窄，横向分辨力好。

⒉ 可变孔径电路（ 1 ）组成及作用　MXIC ：模拟调制分离器 A=“0”,X→X0, A=“1”,X→X1, X端 RC ：低通滤波器； C ：隔低频，通高频信号； L：隔高频，通低频信号。 D ：二极管开关；（ 2 ）信号 F0-5 ： 回波信号 ( 高频 ) AP0-2 ：门控信号 ( 低频 )（ 3）单路工作原理 因 D负极经 L，低频接地 AP＝“ 1”： X＝ -8V， D截止

AP＝“ 0”： X＝ +8V， D导通

（ 4 ）组合工作过程

由于，各阵元接收的回波信号对应为：　 F0～ F5——周边～中心因此，切断 F0 ， F1 ， F2 等信号进入回波合成电路，使周边阵元接收信号无效，即缩小了接收孔径。

（ 5 ）时间段计算举例

将探测深度分四段：近场，中场，远场Ⅰ，远场Ⅱ。分界距离： S1＝ 20mm， S2＝ 50mm， S3＝90mm。由式： tKi＝Si /VD＝ 2Si/c可算得各段时间： tK0≈117μs， tK1≈65μs， tK2≈26μs

四、接收相位调整电路（接收聚焦电路）⒈ 作用

　　对各阵元接收的回波信号进行延迟调整（二次曲线变化），使焦点处回波达到同相位叠加。　 其实质是换能器空间灵敏范围的聚焦。

⒉ 分段聚焦的类型① 非实时分段动态聚焦：　 多次发射，多次接收。发射与接收同焦距，每次固定。② 实时分段动态聚焦：　一次发射，一次接收。发射固定焦距，接收动态焦距。

⒊ 实时分段动态聚焦原理（ 1 ）简述：以超声探查速度，同步分段地移动焦点。（ 2 ）例——接收实时 4 段动态聚焦： 若对应距离 z1,z2,z3，回波所需时间为 t1,t2,t3。则：

回波接收过程：① 0～ t1 时间：　 接收 0～ z1 内回波，用 4 － 8 阵元，焦点 N ，波束如 (Ⅰ) 。② t1～ t2 时间：　 接收 z1～ z2 内回波 , 用 3－ 9阵元，焦点M，波束如 (Ⅱ) 。③ t2～ t3时间： 接收 z2～ z3内回波 , 用 2 － 10 阵元，焦点 F1 ，波束如 (Ⅲ) 。④ t3以后时间：　 接收 z3以外回波，用 1 － 11 阵元，焦点 F2 ，波束如 (Ⅳ) 。可见：有效接收范围如图中粗线所围区域，有四个焦点。

⒋ 接收聚焦电路 （ EUB-240 型 B 超所用）

（ 1 ）电路组成 DL1 － DL5 ：模拟延时线。 IC39－ IC43：多路转接开关。（ 2 ）信号 输入：接收回波信号 F0 － F5 。 输出：合成信号。 控制：聚焦码 FCN0-2/ 。（ 3）功能 对各阵元接收回波信号经 二次曲线变化延迟，相加合 成为一个信号。 聚焦码控制二次曲线曲率， 即焦距。与可变孔径电路， 协同完成接收动态聚焦。

（ 4 ）各控制状态下的延时关系有两种频率 (3.5MHz， 5MHz) ，各 4 个焦点，共 8 个焦点。(书中数值有误 )

一、时间增益补偿（ TGC ）电路 ⒈ 实现时间增益补偿的意义及方法

（ 1 ）补偿的意义 由于超声波随传播距离（时间）的衰减，使相同反射系

数的界面近距离反射强，远距离反射弱，若不给予补偿，则图像将随深度（时间）而逐渐变暗。

时间增益补偿：控制放大器增益随探测深度（时间）的增加而加大，以补偿超声随传播距离的衰减。

（ 2 ）各种名称　时间增益补偿 (Time Gain Compensation——TGC)　深度增益补偿 (Depth Gain Compensation——DGC)　灵敏度时间控制 (Sensitivity Time Control——STC)

第四节 预处理电路第四节 预处理电路

（ 3）补偿原理 ∵声传播强度与时间 ( 距离 ) 的关系： I＝ I0e-2αx＝ I0e-2αct —— 时间负指数关系。　 声 - 电转换、前置放大等——时间线性关系。　 经声 - 电转换、前置放大等处理，回波信号仍是： —— 时间负指数关系。 ∴可用时间正指数放大补偿。

（ 4 ）实际情况及措施

上述分析忽略了多种因素，仅为大致的补偿关系。Ⅰ.实际情况的复杂性　① 受超声工作频率的影响 ∵α＝βf，　∴ f↑→α↑，频率高，衰减快。　② 多重界面反射的影响　 实际常有多重界面，回波穿过界面越多，强度越弱。

　③ 临床诊断感兴趣深度的不同　 临床对同一患者不同部位，或同一部位不同患者，　 成像时关注深度往往有所不同。Ⅱ.对策 TGC 控制波形＝指数波形 ( 可变速率 )＋修正波形　操作者可调节：指数波形速率，修正波形形状　　——根据实际情况，通过面板按钮、电位器操作。

TGC

Gain

Dynamic Range

Focus

Depth

（ 5 ）电路框图

① TGC 电压发生器 产生一个随接收时间（深度）而变的 TGC 控制电压， 用以控制可变增益放大器的增益变化。 操作者由面板输入调节量，可调整 TGC 电压的波形， 实现临床干预 TGC 过程。

② 可变增益放大器 在 TGC 电压控制下，放大器增益可变，对不同时间 （深度）的回波信号有不同的放大量。

⒉ TGC 电压产生电路 通常： TGC 电压波形＝指数电压波形＋可调电压波形（ 1 ）可调电压波形受调节的型式： ① 斜率控制型　 　可调电压的大致形状不变，但参数可由面板调节。 　其中增益“台柱”用来增强特定深度的回波。 ② 距离增量控制型　　　整个探测深度分成 n段 (如n=8) ，每段一个控制点， 　由面板上的滑杆电位器调节。调节值连线，即是可 调电压波形。见书 P277。

（ 2 ） TGC 电压产生电路

有多种型式。数字合成式函数发生器适用性强，目前较多。① 基本原理 ROM中存 TGC 电压函数值，在回波接收过程中： 逐一读出函数值→ D/A→各点电压连接→ TGC 电压波形 函数值寻址地址 A0 － A9，由加法计数器计数产生。

② TGC 波形的改变调整手段a) 制造时预先设计在 ROM中 在 ROM的不同区域，预先存入不同的波形函数值， 工作时根据情况选择。有八种 TGC 曲线供选择。 A12＝ FCN2＝ 0 （ 3.5MHz探头）， 1 （ 5MHz探头） A11＝ ZOOM＝ 0 （电子放大率 1 ）， 1 （电子放大率

2 ） A10＝ FAR ＝ 0 （近程）， 1 （远程）

b)操作时随机调节 调节附加在 ROM中读出的固定函数曲线之上。 调节输入：操作者→面板（滑杆电位器） 仪器产生：修正数据 GAIN0-7, 修正方法： TGC 波形＝ ROM数据＋修正数据 GAIN0-7

③ 波形

可调

⒊ 增益控制电路（可变增益放大器）

（ 1 ）控制放大器增益的方法

　① 改变放大器的偏置 　右图因晶体管 ( 一定范围内 ) ：　 　 β∝Ib　　从而：　 　 TGC 电压→ Ib→β→A

　② 改变放大器的反馈 　右图由于晶体管： 　　 Rce∝1/Ib 　而： A＝－ Rce/R ， 　从而： 　 TGC 电压→ Ib→Rce→A

R

③ 串入电控衰减器右图电路的总增益为： A＝ G1· G2

其中： G1＞ 1—— 放大器　 G2＜ 1—— 衰减器。若 TGC 电压控制下， G2 可

变，即能起 TGC 作用。a) 衰减器基本结构 (右图 ) Uo＝ (R2/(R1+R2))Ui G＝ Uo/Ui ＝ R2/(R1+R2) ≤1

b) 电控变阻元件 Ⅰ) 二极管 ∵ I＝ Is(eVq/KT-1)　　　 其中： Is——反向饱和电流， K—— 波尔兹曼常数 　　　 q—— 电子的电荷量， T——绝对温度 ∴ V＝ (KT/q)ln(I+Is) RD＝dV/dI ＝ (KT/q)/(I+Is) ≈(KT/q)/I (∵I>>Is) ∴ RD∝1/I　Ⅱ )晶体管 Rce∝1/Ib Ⅲ) 场效应管 RDS∝1/VGS

c) 电控衰减器举例

以上： (a)串联二极管型， (b) 并联二极管型， (c) 并联场效应管型说明：　由于：回波信号——高频， 控制信号——低频　利用： L——隔高频通低频、 C——隔低频通高频，　可防止：回波信号－控制信号——相互干扰。

（ 2 ）可变增益放大器实例

① TR19—— 第一级放大② TR20 ， TR21—— 具正向压控增益特性的双栅极场效应管放大器。 控制 G1 、 G2 电位可控制场效应管的跨导，从而改变放大器增益。 VR17调节 G1 电位——静态增益调节。 TGC 电压控制 G2 电位—— TGC 控制。③ TR22 ， TR23为——射极跟随器。

④ TGC 作用下的场效应管特性曲线

TGC 控制电压↑→工作点 Q沿 ID － VG 曲线↑→斜率↑→增益↑如：近场 (t1～ t2) ，回波强 (Vi1 ， Vi2) ，但增益小，信号压缩。 远场 (t3～ t4) ，回波弱 (Vi3 ， Vi4) ，但增益大，信号放大。

二、动态滤波（ Dynamic Filter： DF ）电路⒈ 动态滤波的意义 （ 1 ）原因 超声传播时： 　 I=I0e-2αx, α=βf 　所以：高频↓快，低频↓慢， 　造成：探测距离↑→信号 f0↓(f0 —频谱中心频率 ) （ 2 ）接收频带范围固定的不利 　接收电路 f0＜信号 f0→高频损失→分辨力↓ 　接收电路 f0＞信号 f0→噪声增加→信噪比↓　 （ 3）动态滤波的过程和意义 随探测距离↑→接收电路的 f0↓， 近区：选通高频，抑制低频→分辨力↑； 远区：选通低频，抑制高频→信噪比↑。

⒉ 动态滤波 (DF) 电路

动态滤波，也就是通频带可变的带通滤波器。

（ 1 ）电路结构及特性

如图： Dc为变容二极管， L、 C1 、 Dc构成 LC 并联回路。 当信号频率 f等于回路谐振频率 f0 时，回路阻抗 Z0最大。

此时电路（可看成 R与 Z0 构成的衰减器）对信号的衰减最小，输出 Uo最大。当f≠f0 时，输出 Uo减小。 f0 —— 也称为滤波器通带中心频率。

CR

LZ

00

10

1

1,

2D

D

C Cf C

C CLC

（ 2 ） DF 工作过程由于变容二极管的反偏结电容 CD 电压特性： E↑→CD↓所以在回波信号接收过程中：D↑→DF 电压↓→ CD↑→C=C1CD/(C1+CD)↑→滤波器 f0↓

EDc

（ 3 ）动态滤波电路实例

如图为 EUB-27所用带通滤波器。V1 、 V2—— 变容二极管 并联目的：增大电容变化量→增大频率控制范围。 反偏结电容变化范围： 30PF(9V) － 400PF(1V) L、 C1 和 V1 、 V2组成 LC 选频网络。

⒊ DF 电压发生器（ 1 ） DF 电压的取值范围和变化规律

由以下因素确定 ① 变容二极管的变容特性。 ② 被探测介质（人体）对超声衰减的频率特性。 ③ 探头工作频率（频谱中最强分量频率）的变化。 ④ 观察视野的移动。 ⑤ 图像电子放大与否。 可见，后三种因素是不确定的，由操作者决定。 故 DF 电压也应是可变的，由操作者临时确定。

（ 2 ） DF 电压发生器电路形式

可有多种形式，由于波形的可变性，在微机化 B 超 中，用数字函数发生器获取 DF函数电压比较方便。

（ 3 ） DF 电压发生器实例 (EUB-240B 超用 )

① 电路组成 IC42 ：驱动器， 74HC244 。 IC44 ： D/A 转换器。 DAC-08CN 。 IC46 ：流压变换器， TL081 ，有滤波回路。 R150 、 L2 、 C156 ：低通滤波器，平滑输出波形。

② 工作过程 CPU 以一定速率送出数据 DDF0-4(5 位 ) ，经驱动器后， 由 D/A 转换成模拟电流输出，再流压变换成电压。 各数据电压相连，经滤波光滑，形成 DF 电压波形。 CPU送出不同数据可得不同波形。

③ 波形图 接收期， DF 电压以近似指数规律下降。周期性变化。

⒋ TGC 和 DF综合实例（ EUB-240 中用）

动态滤波电路设置在两个虚线框内。L20 、 C212 、 C136 和变容二极管 D37、 D38组成选频槽路。L21 、 C213、 C150 和变容二极管 D39、 D40组成选频槽路。

三、对数放大器 1. 对数放大的意义

（ 1 ）原因　∵回波信号动态范围： LD＞ 100 dB　 显像亮度动态范围： LD＝ 20～ 30dB 　若直接显示： 　强信号图像一片模糊 　弱信号图像星星点点 如同胶片曝光太过和曝光不足。 ∴需要压缩信号动态范围： 100dB→20～ 30dB 　同时，并不丢失亮度信息。 对数放大器能起到这样的作用。

信息淹没、丢失

（２）对数放大器的特性

① 输入、输出关系 uo＝K1lg(K2ui)＝K1lgK2+(K1/20)(20lgui) 其中： K1─斜率， K2─ 对数偏差。② 输入、输出关系曲线

均匀座标系中：斜率递减、数值递增曲线。 输入对数座标／输出均匀座标系中：递增直线。

③ 对数放大器参数的外部调整原理

对于对数放大器： Vo＝ K1lg(K2Vi)经如上前后线性放大后，输入输出关系： uo＝ G2K1lg(K2G1ui)其中： G1 ， G2—— 线性放大器增益令： K1’＝ G2K1

　　 K2’＝ G1K2 　

则： uo＝ K1’lg(K2’ui)故可：改变 G1 、 G2→改变 K1’ 、 K2’

Vo=K1lg(K2Vi)G1 G2ui uo

G1ui K1lg(K2G1ui

)G2K1lg(K2G1ui)

④ 小信号放大特性的修正 当 ui＝ 0 时： uo＝K1lg(K2ui)＝ -∞ ——不可实现 实际的对数放大器，小信号时： u0＝K3ui —— 线性放大⑤ 动态范围压缩特性 当线性 - 对数放大特性平滑过渡时，可推得： LDo＝ 1+lnLDi

其中： LDi＝ uimax/uimin —— 输入信号动态范围 LDo＝ uomax/uomin —— 输出信号动态范围 一般： LDi＞ 1 ， 右图可见： LDo＜ LDi

即：可压缩信号 的动态范围。

LDo＝ 1+lnLDi

LDo＝ LDi

1

10

LDo

LDi

2. 对数放大和 TGC 放大的比较和关系（１）动态压缩比较 ① TGC 放大　　 浅部信号 (含 Umax) 增益小： UOmax＝ A1Uimax ， A1

小　　 深部信号 (含 Umin) 增益大： UOmin＝ A2Uimin ， A2 大　　 ∴ UOmax/UOmin＝ A1Uimax/A2Uimin＜ Uimax/Uimin

　　 也有压缩信号动态范围的作用。 但中间信号并不按比例压缩。 　——总动态范围压缩。 ② 对数放大　　 增益只与 Ui有关，与时间无关。 信号全部按一定规律压缩。 ——瞬时动态范围和总动态范围全面压缩。

（２）位置安排的影响 ① 先 TGC 放大，再对数放大 TGC 放大压缩信号动态范围： 100dB→60dB 要求对数放大器： LDi＝ 60dB ，电路可简化。② 先对数放大，再 TGC 放大 要求对数放大器： LDi＞ 100dB 。 ∵输入信号伴有随传播距离 ( 时间 ) 的指数衰减： I＝ I0e-2αx ＝ I0e-2αct

经线性声 - 电变换和放大得： V＝ V0e-2αct　　——时间指数衰减 ∴经对数放大： U＝K1lg(K2V0e-2αct) ＝K1lg(K2V0)-2K1αctlge—— 时间线性衰减 这使 TGC 简化——线性补偿， TGC 电压产生电路简

化。

3. 基本对数放大器电路原理（１）二极管特性 I＝ Is(eVq/KT-1) 室温下（ 20℃）， KT/q≈26mV 当 V＞＞KT/q时，可有： 　 I≈IseVq/KT

或： V≈(KT/q)ln(I/Is)（２）基本对数放大器 (如图 ) ∵ I＝ Ui/R＝ ID

∴ UO＝ -VD

＝ -(KT/q)ln(I/Is) 　 ＝ -(KT/q)ln(Ui/IsR) 但是，二极管对数工作的动态范围很窄， 温度稳定性，频率稳定性，也不理想。

4. 宽输入动态范围对数放大器的结构（一）概述 （１）特性要求 作用：压缩宽广的信号动态范围 要求：有宽广的输入动态范围。 （２）名称及含义 名称：似对数放大器 含义：以多段直线或曲线相加──近似对数函数。 它与真正的对数放大之间有一定误差。 （３）结构和类型 以多级限幅放大器构成： 线性限幅放大器 串联相加

非线性限幅放大器 并联相加

①②③④

（二）串联相加型对数放大器

（１）单级限幅放大器特性 图中： L1 ， L2 ，…， LN——限幅放大器，特性相同。 若放大区为线性，则可写为： 0 ， Vi＜ 0 截止区 Vo＝ KVi ， 0≤Vi＜ VT 线性放大区 Vm ， Vi≥VT 限幅区 其中： K＞ 1 （放大）， Vm＝KVT

（２）电路总体输入输出关系 ① 分析 ∵K＞ 1 ，故限幅放大器放大区有： Vo＞Vi 则当信号很小，各级限幅放大器都在放大区时： Vop＞Vip， P＝ 1,2,3,…,N ∴当信号由小变大时，总是最后一级先进入限幅区， 并向前依次逐级进入限幅区。 每增加一级限幅， uo的增益减小 KN-P ，数值增加 Vm。

② 电路总体输入输出关系式

ou

0

N

0j

ji Ku

m

1N

0j

ji VKu

m

2N

0j

ji 2VKu

m

PN

0j

ji PVKu

m

1

0j

ji V1)(NKu

mi NVu

0ui

1NT

i KV

u0

2NT

i1NT

KV

uKV

3NT

i2NT

KV

uKV

1)(PNT

iPNT

KV

uKV

TiT VuKV

Ti Vu

┆

┆

┆

┆ N210P ，，，

③ 电路总体输入输出关系曲线上式表明： 此放大器输入输出关系呈多段折线。 输入信号越大，对应直线斜率越小。（如图）

（３）误差分析 分析此函数与标准对数函数间的误差。① 标准对数函数的特征 对于对数函数 :

uo＝K1lg(K2ui) 如输入一组公比为 R 的等比量： uiP／uiP-1＝ R ，　　 P＝ 1,2…N 则输出： uoP － uoP-1＝K1lg(K2uiP) － K1lg(K2uiP-1) ＝K1lg(uiP/uiP-1) ＝K1lgR 为一组公差为 K1lgR 的等差量。

② 与标准对数函数之间的误差令函数折线各拐点对应的输入和输出为： uip, uop, P＝ 1,2…N则：　　　　　　　　　　　　　　　——等比量

　　∴当Ｋ＞＞１时，曲线各拐点在对数曲线上。

KKV

KV

uu 1)(PNT

PNT

1ipip

1)-(PN

0jm

j1)-(PN

TPN

0jm

jPN

T1opop 1)V-(PK

KV

PVKKV

uu

时）近似等差量—( 1KVKV

V

VKKKV

m

1PNT

m

m

1PN

1j

1PN

0j

jj1PN

T

（三）并联相加型对数放大器（１）框图

图中： A1,A2,…,AN——N 个线性放大器。 L1,L2,…,LN——N 个限幅放大器，特性相同。 Σ—— 为加法器。

（２）单级限幅及线性放大器特性① 限幅放大器　假定放大区为线性，可有： 0 , Vi＜ Vs 截止区 Vo＝ KVi-δ, Vs≤Vi＜ VT 线性放大区 Vm , Vi≥VT 限幅区 其中： δ＝KVs， Vm＝KVT-δ 线性区动态范围为： lDi＝ 20lg(VT/VS)② 线性放大器 放大倍数均为 A ， A＝VT/VS 即： 20lgA＝ 20lg(VT/VS)＝ lDi

（３）电路总的输入输出关系① 分析　∵ A＝VT/Vs＞ 1　∴ Aui＜ A2ui＜ … ＜ AN-Pui＜ … ＜ ANui　　当任一级输入： AN-Pui＝Vs，　　 刚进放大区时，　　其后一级输入： AN-P+1ui＝ AVs＝VT ，刚进限幅区。　即：相邻两极同时进行状态变化——类似接力。　故任一时刻仅一级放大，其前均截止，其后均限幅。 若有 P级限幅，则 uo 的增益下降 AP倍，数值增加 PVm。

② 电路总的输入输出关系式

ou

0

δuKA iN

mi1-N VδuKA

mi2 2)V(NδuKA

mi 1)V(NδKAu

mNV

miP-N PVδuKA

┆

┆

NS

i AV

u

1NS

NT

iNS

AV

AV

uAV

2NS

1NT

i1NS

AV

AV

uAV

1)(P-NS

P-NT

iP-NS

AV

AV

uAV

AV

AV

uAV S

2T

i2S

AV

uAV T

iS

AV

u Ti

P=0,1,2,…,N-1

┆

┆

③ 电路总的输入输出关系曲线

上式表明： 此输入输出关系曲线也是多段折线。 输入越大，对应折线斜率越小，放大器增益越小。uo

ui0 ui1 ui2 ui3 ui4 ui5

uo1= Vmuo0= 0 ui

A=2N=5

N=4

N=3

N=2

N=1

VT/AVs/A

Vs/A2…Vs/A3

uo2=2Vm

uo3=3Vm

uo4=4Vm

uo5=5V

m

（４）误差分析分析此函数与标准对数函数间的误差。令函数折线各拐点对应的输入和输出为： uip, uop, P＝ 0,1,2…N （如上图）

∵

∴折线各拐点完全符合对数关系，误差为零。 若拐点之间以对数曲线连接，将非常理想。

—等比量—AAV

AV

uu 1)-(PNS

PNS

1ipip

m1)(PN

S1)(PNmPN

SPN1opop 1)V(Pδ

AV

KAPVδAV

KAuu

—等差量—mV

（５）对数放大输入动态范围① 以上，对数放大有效范围在 Vs/AN － VT/A之间。

为单个限幅放大器动态范围的 N倍──动态范围扩大。 这是以减小 uimin，向小信号方向扩展（用放大器）。 也可以扩大 uimax ，向大信号方向扩展（用衰减器）， 或双向扩展。如图：

ST/VVA

DiS

T

N

S

TNST

Di lNVV

20lgNVV

20lgAV

AV

20lgL

② 多级相加动态范围扩展图例：

)VV20lg(l STDi Di2l

Di3lDi2l

Di3l

Di5lDi4l

Di2l

AVS

2S

AV

SV TV TAV T2VA

L5

L4

L2

L1

uo

5Vm4Vm3Vm2Vm1Vm0

ui

L3

5. 集成对数放大器 TL441　现代 B 超通常采用集成对数放大器， TL441应用最普遍。　产品公司： 　美国德克萨斯仪器公司（ Texas Instrument Inc）（１） TL441 的内部电路图

（２）电路分析如图为一半电路。① 组成 T1-T2 ； T3-T4 ； T5-T6 ； T7-T8 ： 四级差分放大器。 T11,T12,T13,T14 ： 　射极恒流源负载。 T9,T10 ： 　差分输出级。 电阻： R1＝ 590 Ω R2＝ 2.73 KΩ R3＝ 590 Ω R4＝ 147 KΩ

② 单级差分放大器工作原理∵

假设： Is1＝ Is2 ── 管子对称， ui＝Vb1-Vb2＝Vbe1-Vbe2 则：或：其中：再令：射极恒流源电流为 Ik，则：∴

∴

q/KTVs1

q/KTVs1e1c1

be1be1 eI1eIII q/KTV

s2e2c2be2eIII

，Xq/KTUc2c1 eeII i

q/KTuX i

ke2e1c2c1 IIIII

Xk

c1 e1I

I

Xk

c2 e1I

I

，Xc2c1 eII Xc1c2 eII

k2X-2X

2X2X

kX

X

Xk

Xk

c2c1 Ieeee

I1e1e

e1I

e1I

II

)2KTqtanh(uI2)(XtanhI ikk

Ic1 Ic2

Vb1 Vb2

Ie1 Ie2

Ik

IC1-IC2与 ui 关系的归一化曲线： （取： KT/q＝ 26mV）

特点：非线性限幅函数。分区：对数区： ui＝ 13mV～ 75mV（≈ 15dB ）。 (在对数 - 线性座标系中，曲线线性段 ) 线性区： ui＜ -40dB. 限幅区： ui＞ -20dB.

③ 级联关系Ⅰ.输入级联 T1-T2与 T3-T4 ：　 R2,R3衰减量为：

Ⅱ.输出级联　 uo＝VY+-VY-

　 ＝ (V+-Ic9R9)-(V+-Ic10R10) 　 ＝ (Ic10-Ic9)R 　 ≈ (Ie10-Ie9)R 　 ＝ ((Ic1+Ic3+Ic5+Ic7)-(Ic2+Ic4+Ic6+Ic8))R 　 ＝ ((Ic1-Ic2)+(Ic3-Ic4)+(Ic5-Ic6)+(Ic7-Ic8))R

∴T9,T10 ：流压变换，合成差分电压输出

15dB

590102.73590

20lg

RRR

20lg

3

32

3

④ 总体框图

∵每级对数动态范围＝ 15dB ，级间衰减＝ -15dB ，∴两级组合对数放大输入动态范围： LDi＝30dB 。 ——非线性限幅并联相加型对数放大器CA2,CA2’,CB2,CB2’：对数线性度调节，以利匹配。

6. 集成对数放大器 TL441在 B 超中的应用（１）一个实用对数放大器的方框图

非线性限幅并联相加型对数放大器 对数放大输入动态范围： LDi＝ 4×30dB＝ 120dB

（ 2 ） EUB-240 型 B 超用对数放大器

TL441 小动态应用实例① 适用：先 TGC ，后对数② 要求： IC 线性增益＝ 30dB③ 输入动态范围 : 理论： LDi＝ 2×30＝ 60d

B 实际： LDi≈50dB 因对数放大动态范围 之外有过度区，与前述 的理论分析之间产生误 差。④ 输出动态范围： LDo＝ 27dB

⑤ 电路输入输出关系曲线

对数放大输入动态范围限制因素： 下限：主要受噪声电平和线性 - 对数过渡点限制。 上限：主要受限幅电平限制。

三、检波电路1. 概述

① 检波定义：振幅调制波的解调——信号包络检波。② 信号包络含信息 包络大小——界面反射的强弱， 包络时间——反射界面的距离。③ 信号称谓 检波前——射频信号；检波后——视频信号。 ④ 检波方框图

非线性器件：二极管、三极管、集成运算放大器。⑤ 检波类型 a)峰值包络检波：输出反馈到二极管两端。二极管。 b)平均包络检波：输入与输出隔离。三极管、运放。

2. 二极管峰值包络检波电路

（１）基本型　① 原理　　当 Ui＞ Uc时， D导通， C充电。 τ＝ RDC ，小，充电快。　　当 Ui＜ Uc时， D截止， C 放电。 τ＝ RC ， 大，放电慢。　　形成 Ui的峰值包络输出。　② 要求　　 RC 选值恰当。　　　太小：放电太快，不能检出包络——失效。　　　太大：放电太慢，包络拖尾——惰性失真。　 因超声调制与载波信号频率接近，使 R 、 C 选择困难。

充电 放电

（２）二极管全波峰值包络检波

① 原理 差分输入，正半周 D1 检波，负半周 D2 检波。② 优点 a.电容充电时间增加一倍，放电时间不足一半。 元件参数更易选取。 b.高频纹波是载频的两倍，更易滤除。 c.传输系数提高，并可偏置调节，此可进行 TGC 控制。

3. EUB-240 检波电路① 组成　 IC46 ：差动放大器 　 IC47：低通滤波器 D41,D42 ： 　检波二极管　 C165,C166 ： 耦合电容 R87：检波负载电阻 　 D43：偏置二极管， 克服检波管死区　 L23,L24 ： 偏置引入电感 , 通低频阻高频。

② 工作原理

等效电路见图 (b) 差动放大器输出差动信号a. 正半周： 输出→ R87→D42→C166 。b. 负半周： 输出→ R87→D41→C165 。 ——全波整流 R87上，得负向整流电压。 经 IC47低通滤波后，检出 信号平均值——平均包络。各点波形见图 (c) 。

四、边缘增强电路⒈ 原理

（１）名称 边缘增强，勾边，或称： 快时间常数（ Fast Time Constant——FTC ）处理。（２）处理对象和目的 对象：视频信号。 目的：锐化图像，增强图像轮廓。以利识别、测量。（３）基本原理 对信号频谱：增强高频成分，减弱低频成分。（４）方法 ① 微分相加法：原始信号＋原始信号的微分信号。 ② 积分相减法：原始信号－原始信号的积分信号。 ③ 带通滤波器：通高频信号，减弱低频信号。

（５）微分相加法电路

如图 (a) ：① 组成 R0 、 C0 ：微分器 IC ： 倒相加法器② 原理 uo＝ -(K1ui＋K2dui/dt)③ 调节 W：调节相加比例。④ 波形如图

（６）积分相减法电路如图 (b) ：① 组成 IC1 ：带限幅积分器　　限幅值＝ -(R2/R1)ui IC2 ：倒相加法器② 元件作用　 D2 ：禁止负向输出 , 　半波整流。　 D1 ：负向输出时反馈， 　防止开环过载。③ 原理

dt)uτK

u(Ku i2

i1o

⒉ EUB-240 边缘增强电路

① 组成 IC48 、 IC49：限幅积分器； IC50 ：加法器； IC51 ：三路 2 选 1 模拟开关。② 原理

电路具有：积分相减——边缘增强 微分相减——边缘减弱（防止过增强）。③ 控制 ENH/ 控制开关，改变参数，控制边缘增强程度。 开关与参数关系： X→VX； Y→KC ； Z→τB

)V)VdtVτ1

(K)VdtVτ1

(KdtdV

KV(K

)V)VdtVτ1

(K)VdtVτ1

(KV(KdtdV

K

)VVKVKV(KVKV

RYiiC

CXiB

Bi

DiA

RYiiC

CXiB

BiAi

D

RCCBBAADDo

超声作业一、是非题

1 ．若一台 B 超仪的工作频率为 3MHz ，则其脉冲重复频率为 3MHz 。

2. 电子聚焦技术用在接收时可使回波超声场发生会聚作用。

3. 据Ｂ型超声仪的成像原理可知，图像中越明亮的区域反映了组织中该区域的特性阻抗越大。

4. 介质的声阻抗率越大，其中的声速越低。

5. 可对肺部进行超声检查。

6. M 式显示是运动显示，故探头要进行扫查。

7. 超声的工作频率越高，在人体组织中的作用距离越大。

8 ．若一台 B 超仪的图像由 128 根超声扫线组成，其Ｍ式图像由这 128根扫线之一形成。

9. 如果超声换能器背面不加背衬材料而悬空，则将不利于成像。

10. 纵波是一种疏密波。11. 频率和波长在超声成像中是两个极为重要的参数，波长决定了成像的组织深度，而频率则决定了可成像的极限分辨率。

12. 超声诊断仪换能器中压电体的作用是电 - 声转换。

13. 改变激励脉冲的时延，就可调节焦距，从而获得动态电子聚焦。

14. 虽然采用多阵元组合发射实现了电子聚焦和动态电子聚焦，但也使得换能器的有效孔径增大。

15. 在电子相控阵中不仅发射要偏转，接收时也要偏转。

16. 超声脉冲有效持续时间越短，成像的分辨率越高。

二、选择题

1. 提高超声工作频率可使 ____________ 。A ．探测深度增加　　 B ．图像帧频提高C ．图像分辨率改善　　 D ．超声脉冲重复频率提高

2. 以下人体部位中 __________ 部位适用超声成像。A ．脑　　 B ．眼　 C ．耳　　 D ．胃

3. 发射聚焦电路是 ________________ 。A ．一路进一路出 B ．多路进多路出C ．一路进多路出 D ．多路进一路出

4. 各阵元信号不同延迟之后，发射聚焦效果的获得是通过 ______ 。A ．电路中各路发射信号叠加 B ．介质中各阵元发射声波叠加C ．电路中各路接收信号叠加 D ．介质中各阵元接收声波叠加

5 ．改变聚焦控制码，将使各阵元对应信号延迟变化率 __________ 。A ．按线性改变斜率 B ．按指数型改变速率 　C ．按对数型改变斜率 D ．按二次曲线型改变曲率

6. 针对超声传播过程中的信号衰减要用 ___________ 。 A ． DF 技术　 B ． FTC 技术　　 C ． DSC 技术　 D ． TG

C 技术

7. 换能器电子聚焦时，各阵元延迟变化是 _______________ 。A ．边缘延迟长、中间延迟短　 B ．边缘延迟短、中间延迟长C ．一侧延迟长、另一侧延迟短　 D ．均匀延迟

8. 电子相控阵探头只实现偏转时延迟线是 _______________ 。 A ．指数变化　 B ．对数变化　 C ．二次曲线变化　 D ．线性

变化　　

9.B 型超声成像的信息特点是 _______________ 。A ．组织密度像 B ．组织声阻抗率像 C ．组织超声反射特性像 D ．组织超声衰减率像

10. 线阵多阵元组合工作的原因之一是 ________________ 。A ．扩展频带宽度　　 B ．扩展接收动态范围C ．可实现电子聚焦　　 D ．提高工作可靠性

11. 超声成像的优点之一是 _______________ 。A ．能对任何脏器成像　　 B ．能从任何部位探查脏器　　 C ．对不同密度的软组织鉴别力强　 D ．对不同声阻抗率的软组织鉴别力

强

12. 动态电子聚焦，每次接收 _____________ 。A. 仅一个焦点 B. 总有多个焦点 　C. 可没有焦点 D. 可有一个或多个焦点

13 ．接收聚焦电路是 __________________ 。A. 一路进一路出 B. 多路进多路出C. 一路进多路出 D. 多路进一路出

14.TGC 技术要求可变的 _________________ 。A ．焦距　　　 B ．通频带　　　 C ．孔径　　　 D ．增益　　

三、超声换能器在如图坐标系中扫查，且声束始终在 y方向，扫查方式如表。试根据各种显示方式显示屏各方向及亮度的意义，在表中适当位置填入字母： x 、 y 、z 、 u 、 t ，以说明对应关系。其中： x 、 y 、 z——坐标， u—— 回波信号强度， t—— 时间。

X

Y

Z

换能器u

声束

显示方式

A

B

C

M

扫查方式

固定

X方向线扫

X-Z平面内扫

固定

屏水平方向 屏垂直方向 屏幕亮度

四、．如图小球在水中作水平振动，超声换能器在水面探查。试画出Ａ式，Ｂ式和Ｍ式显示的图形（假定Ｂ式显示时换能器作扇形扫查）。

探头

A式 B式 M式

水槽

小球