釋放開源評估平臺的潛力,制作超聲發(fā)射子系統(tǒng)的原型

引言

在任何新技術開發(fā)過程中，在將新型號或下一代超聲設備商業(yè)化之前，制造商都會經歷硬件開發(fā)和測試以及系統(tǒng)集成和驗證等階段。開發(fā)高通道數(shù)成像超聲子系統(tǒng)預計需要多年的努力。此外，在對系統(tǒng)考慮因素知之甚少的情況下貿然開始波束引導或發(fā)射子系統(tǒng)的硬件原型制作，可能會導致硬件原型需要多次修改，帶來高昂的成本?，F(xiàn)在，開發(fā)人員可以使用一個完整系統(tǒng)（原型板和開源軟件）來模擬超聲設備子系統(tǒng)的操作，從而降低超聲設備制造商的開發(fā)成本并加快上市時間。

基于Arduino的TxDAC^?評估板和開源Mbed軟件

圖1 支持Mbed的AD9106評估平臺

AD9106-ARDZ-EBZ評估平臺兼容基于Arm^?且支持Mbed的電路板（如SDP-K1），并且可以連接到Arduino Uno接頭。該評估設置只能由USB供電，無需高頻波形發(fā)生器來提供時鐘輸入。該評估板默認使用板載156.25 MHz晶振作為時鐘源，但提供了外部時鐘選項。DAC輸出可以通過變壓器耦合，或使用板載放大器進行評估，這是唯一需要7 VDC至12 VDC 30 W AC-DC適配器的情況。參見圖1。

除硬件之外，評估板網頁上還提供了示例開源代碼，可用作開發(fā)目標應用固件的起點。評估板和示例源代碼可以根據需要加以定制，以便與其他Mbed平臺配合使用。新的評估系統(tǒng)可以輕松集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中，因而簡化了原型制作。

圖2 AD9106功能框圖

評估板安裝有四通道、低功耗、12位、180 MSPS、TxDAC AD9106和波形發(fā)生器。該DAC的高采樣速率非常適合1 MHz至40 MHz范圍內的超聲工作頻率，外部成像設備通常使用1 MHz至15 MHz的頻率，而靜脈內心血管設備使用高達40 MHz的頻率。此外，AD9106高度集成，具有用于生成復雜波形的片內模式存儲器，以及使用24位調諧字、支持10.8 Hz/LSB頻率分辨率的直接數(shù)字頻率合成器(DDS)。該器件也是高度可編程的，四個DAC通道中的每個通道的模式周期、啟動延遲、增益和偏移都可以獨立改變。此外，它具有低功耗特性（在3.3 V、4 mA輸出和180 MSPS下，每通道功耗78.8 mW，總計315.25 mW），這是超聲設備等大型多通道系統(tǒng)的一個重要考慮因素。

提高超聲設備的精度和圖像分辨率

圖3 醫(yī)療超聲前端信號鏈

推車式超聲系統(tǒng)在圖像質量或分辨率方面優(yōu)于手持設備，主要是因為通道數(shù)量差異巨大。然而，通道數(shù)量可能因制造商而異。成本和功耗是超聲設備等大型系統(tǒng)的重要考慮因素，因此業(yè)界使用了一些技術來盡量減小這兩個因素。在圖3所示的典型超聲信號鏈中，如果我們考慮到每個發(fā)射器路徑（DAC + 高壓放大器，驅動探頭尖端處換能器陣列中的一個元件）都對應一個接收器路徑（集成模擬前端），那么通道數(shù)的確定相對簡單。根據這個假設，我們可以說超聲系統(tǒng)中的通道數(shù)介于16到256之間。高端系統(tǒng)（其中大部分推車式）中的通道數(shù)為64或更多。對于便攜式、中低端系統(tǒng)，16至64個通道更為常見。

圖4 波束引導和聚焦

在超聲系統(tǒng)的發(fā)射器路徑中，聲能或聲波束掃過身體。聲波由探頭前端處的壓電換能器元件從電信號轉換而來。如圖4所示，每個電信號或發(fā)射器信號的相位和幅度均經過編程，引導入射能量束沿著一條線進入身體。從器官組織反射的聲波被換能器元件再次轉換為電能。目標的位置或距離將根據換能器陣列中元件之間的時間延遲顯示在屏幕上。因此，為了顯示人體內部的準確圖像，同步或者說能夠控制發(fā)射器信號之間的延遲至關重要。

多芯片同步的要求

為了成功同步多個DDS DAC（如AD9106），必須控制差分時鐘輸入（CLKP和CLKN）和TRIGGER引腳的下降沿。

圖5 建議時鐘分配布局(左)和次優(yōu)布局(右)

為了滿足同步的第一個要求，PCB布局應采用謹慎的時鐘分配做法。參見圖5。這將充分減少REF CLK邊沿之間的相位差（它會導致DDS輸出處出現(xiàn)成比例的相位差）。

模式生成由AD9106的TRIGGER引腳的下降沿觸發(fā)，因此同步的下一個要求是確保TRIGGER邊沿一致。圖5中的布局技術也可應用于從控制器的數(shù)字輸出布線到每個AD9106器件的TRIGGER PCB走線。

利用AD9106-ARDZ-EBZ評估多芯片同步

為了評估多個AD9106 DAC的同步，可以使用兩個AD9106評估板和一個SDP-K1控制器板。

圖6 多個AD9106器件同步的系統(tǒng)示意圖（簡化示意圖，未顯示所有連接）

材料

■   兩個AD9106-ARDZ-EBZ板

■   用于電路板與PC連接的USB電纜

■   SDP-K1

■   一個12 V壁式電源適配器

■   信號發(fā)生器

■   可變長度SMA端接電纜

■   一個SMA端接T型分路器

■   母對母Arduino連接器導線

硬件設置

連接三個電路板之前，配置兩個AD9106-ARDZ-EBZ板，使DAC輸出連接到板載放大器，并且DAC時鐘由連接到J10的外部源提供。關于JP1和JP2的正確連接，請參閱Eval-AD9106 Wiki用戶指南中的圖14b。另外，請設置其中一個AD9106-ARDZ-EBZ板，使板上器件的CSB引腳連接到交替GPIO引腳（安裝R39而不是R38）。確保SDP-K1的VIO_ADJUST設置為3.3 V。

然后將高頻波形發(fā)生器的輸出連接到分離式SMA端接T形分路器，它可以連接不同長度的SMA端接同軸電纜。

圖7 為實現(xiàn)同步而建議采用的時鐘輸入和TRIGGER引腳連接

接下來應設置圖7所示每個板的時鐘輸入和TRIGGER引腳的連接，然后設置表1中的其余連接。將板1安裝到SDP-K1 Arduino Uno端口，然后將板2放置在與板1成180°的位置，以使兩個板的TRIGGER引腳并排放置。這是TRIG2到SDP-K1數(shù)字輸出的最短連接，由此TRIG1和TRIG2路徑大致相等。

圖8 實際設置

應用了所有連接的實際設置如圖8所示。表1總結了板對板連接。

表1 SDP-K1和兩個AD9106-ARDZ-EBZ板的板對板連接

軟件

我們提供了在Mbed開源軟件上開發(fā)的示例源代碼。開發(fā)者稍加修改即可通過SPI對兩個評估板上的每個器件進行獨立編程。寄存器值以及代碼的其他部分可以輕松定制，具體而言是示例3中的寄存器值（DDS生成的正弦波，具有不同的啟動延遲和數(shù)字增益設置。修改代碼后，使用Mbed在線編譯器編譯程序。然后將生成的二進制文件拖放到SDP-K1驅動器中。同樣的過程也適用于其他應用。

說明

如圖6的簡化圖所示，器件間的輸出同步是通過測量多個器件的同一DAC輸出通道（即通道1）之間的延遲來實現(xiàn)的。相對于TRIG1（控制器板到板1）改變TRIG2（控制器板到板2）的連接器長度，以及相對于時鐘1（時鐘發(fā)生器到板1）改變時鐘2（時鐘發(fā)生器到板2）的連接器長度，這兩種情況對同步的影響可以使用示波器進行觀察。

結果

圖9記錄了改變觸發(fā)連接器長度時的測量結果，而圖10記錄了改變時鐘連接器長度時的測量結果。

圖9 不同TRIG2連接器長度下板1和板2的OUT 1之間的延遲

如果TRIGGER引腳所連接的數(shù)字輸出具有與STM32F469NI（SDP-K1上的微控制器）類似的驅動特性，那么TRIGGER走線容差只要在5英寸以內，就能維持器件間同步。

圖10 不同時鐘2連接器長度下板1和板2的OUT 1之間的延遲

匹配的時鐘輸入走線將導致最短的器件到器件的輸出延遲，但根據特定系統(tǒng)中可容忍的延遲，可以相應地調整時鐘走線長度容差。

結語

在超聲設備制造中，利用AD9106評估平臺提供的設計靈活性和定制優(yōu)勢可以縮短開發(fā)流程和上市時間。無需設計新的發(fā)射子系統(tǒng)原型即可評估多個發(fā)射DAC（如AD9106）的同步。通過使用兩個AD9106-ARDZ-EBZ板、一個SDP-K1控制器板并對示例Mbed代碼進行少量修改，就能實現(xiàn)對同步的評估。

關于作者

Sunshine Grace Cabatan于2019年加入ADI公司，擁有約五年的硬件工程經驗。她是菲律賓高級數(shù)據轉換器產品應用團隊的首批成員之一。她于2013年獲得菲律賓大學（奎松市迪利曼）電子與通信工程理學學士學位，并于2014年通過電子工程師執(zhí)照考試。

Melissa Lorenz Lacanlale于2016年加入ADI公司菲律賓分公司，擔任產品工程師，為多家東南亞最終測試分包商提供支持。隨著她對混合信號的興趣日益濃厚，她于2021年加入了高級數(shù)據轉換器產品應用工程師團隊。她于2015年獲得菲律賓馬普阿大學電子與通信工程理學學士學位。