信号路径设计讲座(五)模拟/数字转换器的神奇妙用

高速模拟/数字转换器 (High speed ADC) 通常是模拟前端电路系统里最基本的组成组件。由于模拟/数字元转换器的性能决定系统的整体效能表现，因此系统制造商往往将模拟/数字转换器视为最重要的组件。本文将详细介绍超音波系统前端的运作原理，并特别讨论模拟/数字转换器在其中所发挥的作用。

 在设计超音波系统的前端电路时，制造商必须审慎考虑几项重要因素，以便进行适当的取舍。医务人员能否作出正确的诊断，乃取决于模拟电路在这个过程当中关键性的作用。

模拟电路的表现则取决于许多不同的参数，其中包括通道之间的串音干扰、无杂散讯号动态范围 (SFDR) 以及总谐波失真。因此制造商在决定选用何种模拟电路之前，必须详细考虑这些参数。

以模拟/数字转换器为例来说，如果加设串行 LVDS 驱动器等先进电路，便可缩小电路板，以及抑制电磁波等噪声的干扰，有助于进一步改善系统的设计。微型化、高效能及功能齐备的超音波系统产品的制造，造成市场上持续要求生产低耗电模拟IC，使其具备与放大器、模拟/数字转换器和小封装的更佳整合。 

系统概述

超音波影像系统是目前最常用而又最精密的讯号处理仪器，可协助医务人员作出正确诊断。在超音波系统的前端，采用极度精密的模拟讯号处理电路，像是模拟/数字转换器及低噪声放大器(LNA)等，而这些模拟电路的表现是决定系统效能的关键因素。 

超音波设备非常接近于雷达或声纳系统，只不过是在不同的频率带（范围）中操作。 雷达操作于GHz（千兆赫）的范围中，声纳在kHz（千赫）的范围内，而超音波系统则在MHz（兆赫）范围内操作。 这些设备的原理几乎与商业和军用航空器所用的－数组天线雷达系统操作模式相同。雷达系统的设计者是使用相控操纵波束形成器数组为原理，这些原理后来也被超音波系统设计者采用并加以改进。

图1显示一个超音波系统的简图。 在所有超音波系统仪器中，都有一个多元转换器在相对较长的电缆（大约2公尺）的末端。电缆内含高达 256 条微型同轴电缆，是超音波系统内最昂贵的组件之一。超音波系统一般会配备多个不同的转换器探头，让负责操作的医务人员可以依扫描影像的现场需求来选择适用的转换器。

图1：结构图

影像的产生

扫描过程的第一步，每一个转换器负责产生脉冲讯号，并将讯号传送出去。传送出去的脉冲讯号以高频率的声波形式穿过人体组织，声波的传送速度一般介于1至20MHz之间。这些脉冲讯号开始在人体内进行定时和定标侦测。当讯号穿越身体的组织时，其中部分声波会反射回转换器模块，并由转换器负责侦测这些回波的电位（转换器将讯号传送出去之后，会立即进行切换，改用接收模式）。回波讯号的强度取决于回波讯号反射点在人体内的位置。直接从皮下组织反射回来的讯号一般都极强，而从人体内深入部位反射回来的讯号则极微弱。

由于健康安全相关法律对人体可以承受的最大辐射量有所规定，因此工程师设计的电子接收系统必须极为灵敏。接近于人体表皮的病症区，我们称之为近场 (near field)，被反射回来的能量是高的。 但是如果病症区在人体内的深处部位，称之为远场 (far field)，接收到的回波将极为微弱，因此必须被放大为1000倍或以上。  

在远场影像的模式时，其效能限制来自于接收链路中存在的所有噪声。转换器/电缆组件以及接收系统的低噪声放大器是两个最大的外来噪声源。 而近场影像模式下，效能限制则是来自于输入讯号的大小。 这两种讯号之间的比率决定了超音波仪器的动态范围。

通过一系列接收器的时相转换、振幅调整以及智能型累计回波能量等过程，既可以获得高清晰度的影像。利用转换器数组的时移与调整接收讯号振幅的原理可以使设备具有定点观测扫描部位的功能。经过序列化的不同部位定位观测，超音波仪器即可建立一个组合影像。

数字聚波可以完成讯号的组合处理。在数字聚波中，经由身体内某一点反射回来的回波脉冲讯号会在每一信道内先储存起来，然后按照其先后次序排列一起，并将之固定成为同调讯号，然后聚集起来。这种将多个模拟/数字转换器的输出聚集一起的处理方法可以提高增益，因为信道内的噪声是互不相关的。（备注：模拟聚波技术基本已经成为过时的方法，现代所采用的大部分为数字聚波）。影像的形成，是于最接近转换器系统的仿真层取样，将其存储起来，再以数字化把它们聚集在一起而成。

DBF 系统需要精确的信道与信道匹配。两信道均需要VGA（视频图形数组），这种情况将会持续，直到模拟/数字转换器设备足够应付大的动态范围，并可以提供合理的成本和低耗电量。 

超音波影像模式

1. 灰度影像 -- 产生基本的黑白图像影像将被辨析成1毫米那么小的单位，呈现的影像是由发射能量以及检测那些返回的能量而成 (如先前所述)。 

2. 多普勒影像(Doppler)-- 多普勒模式 (Doppler mode) 是通过跟踪回波的频率偏移来探测物体在各种环境中运动的速度。这些原理被应用在检查体内血液或者其它液体在体内流动的情形。这种技术是透过发射一连串声波进入体内，然后对反射波进行快速傅利叶转换(Fourier Transform, FFT)处理。这种计算处理方法即可确定来自人体的讯号频率分量，以及它们与流体速度的关系。

3.静脉和动脉模式 -- 这种方式是将多普勒影像与灰度模式的联合应用。通过处理多普勒位移产生的音效讯号即可获得速率与节律。 

模拟/数字转换器的特色与效能

如前文所述，接收噪声中最主要的两个来源为转换器/电缆组件与接收系统的低噪声放大器(LNA)。这些噪声（包括来自身体组织的噪声）会在模拟/数字转换器的输入端所产生互相强化的作用。为了扩大动态范围以及充份发挥系统效能，模拟/数字转换器本身的噪声必须尽量减少，因此模拟/数字转换器的噪声必须与人体组织反射回来的讯号分开；其中，模拟/数字转换器中因量化噪声而产生的噪声就是最大的噪声源之一。但是，这是可以利用更高分辨率的转换器来改善的。 模拟/数字转换器的理论量化噪声设为(20log (1/2n))，其中n=转换器分辨率或-60.2dB（10位转换器）。采用12位的转换器，可以把转换器分辨率增强至小于 -73dB。目前正在开发的高阶超音波扫描系统绝大部分都采用12位的宽度，而10位的超音波系统大部分属于成本较低或掌上型的系统。

超音波设备制造商会根据多个不同考虑因素挑选模拟/数字转换器，有关因素包括讯号/噪声比(SNR)、总谐波失真(THD)、无杂散讯号动态范围(SFDR)、抖动、接口类别、范围外的讯号恢复能力，以及技术整合度、封装大小与功耗等。不仅模拟/数字转换器必须满足装置的动力学要求，而且对于功率匹配也必须慎重考虑。我们要知道，一台超音波设备需要多达256个模拟/数字转换器组件的。考虑到12位模拟/数字转换器以50MSPS 运转以及耗能在200-500mW之间，那么单为模拟/数字转换器设置的功率匹配就是128W！

在动力效能方面，系统制造商尤其担心接近基频的频带范围内会出现谐波失真以及假像问题；虽然警方探测车速的多普勒雷达，也是采用大量频率移位的测量方法;但是与此最大不同的是，超音波仪器采用的是多普勒影像模式，在测量静脉或动脉中的血液速率时，所产生的结果只有几赫兹 (Hertz) 的移位。据模拟/数字转换器的 FFT 频率分布图显示，基频底部附近的其它频率必须极为微弱，而且不可混杂任何杂散讯号，以免遮盖这个振幅极小的频率位移。因此，模拟/数字转换器及系统时钟抖动必须极低，以免噪声振幅将基频完全遮盖。转换器的线性表现也会影响多普勒超音波影像的清晰度。

身体内的回波信号可视为多频音信号。若模拟/数字转换器在谐波失真方面的表现较差，这些多频音讯号便会与转换器的谐波混集一起，产生共振，甚至可能会遮盖振幅较低的回波信号。双组装或四重组装模拟/数字转换器的串音干扰必须极低。若某一信道的讯号泄漏到另一信道，便会造成反常回波的现象，使显示的影像出现假像，因此必须尽量抑制。像 ADC12QS065 这类高效能模拟/数字转换器便在抑制串音干扰方面有极好的表现，例如通道之间的串音干扰能力便超过 80dB。

一般来说，模拟/数字转换器可以利用超取样功能，进一步减少噪声的干扰，以及提高数字处理电路的增益。只要增益有进一步的提升，设于模拟/数字转换器之前的模拟滤波电路便可在设计上进一步精简，而成本也可进一步降低。超取样速度也取决于讯号处理链的数据流处理能力。若提高数据传输率，可以接收及处理模拟/数字转换器输出数据流的数字电路便要面对成本上升的压力。在65MSPS的状态时，来自模拟/数字转换器的序列化LVDS 12位数据流达到的位率为780Mbps，这可是需要使用最先进的现场可编程门阵列 (FPGA) 才能获取的高位率。

整合序列化LVDS驱动器的优点

模拟/数字转换器市场最近出现一个新的发展趋势，就是加设一个 LVDS 接口，以便将模拟/数字转换器与 FPGA 连接一起。只要将模拟/数字转换器输出的数据串行一起，256 信道系统的接口线路数目便可由 6044 减少至 1024，有助于缩小印刷电路板以及削减这方面的物料成本，这也是可携式影像系统产品成败的关键因素。

此外，由于电缆及印刷电路板线迹的数目可以减少，而连接器的体积也可缩小，因此系统成本可以大幅降低。由于 LVDS 讯号采用全差动的模式传送，因此抵抗共模噪声干扰的能力极高。此外，由于 400mVp-p 的电压摆幅低于标准的 CMOS 逻辑电位，因此系统的整体噪声也会相应减少。

这些整合LVDS 驱动器限制输出电流量以及引导输出电流流经一个位于接收机输入端(通常是FPGA )的终端电阻器(100W)。差动驱动器产生一种奇模传送方式：大小相等方向相反的电流流入传输线。损耗配对线中的电流发生回流，因此电流回路区域小，产生的电磁干扰(EMI)就会极低。电流源限制任何可以在转换期间出现的尖峰电流。因为没有了尖峰电流，使高速数据传送率都能得以完成，并且没有实际的功率耗损。另外，定流驱动器可以忍受短传输线的集聚排列或进行接地而不会产生发热的问题。一般的差动接收器是高阻抗装置，适用于探测低至20mV 的差动讯号，然后将他们放大到标准逻辑等级。

超量程信号复原功能

模拟/数字转换器与驱动放大器必须具备快速超量程讯号复原功能，以防止相位漂移的发生，相位漂移会导致超音波扫描影像出现不必要的干扰性假像。

ADC12QS065采用了超量程讯号复原功能集成电路，在影像中能防止发生失真的情况。

下列证明，检测该组件的功能特性条件为取样率50MSPS、输入频率3.173MHz、振幅-0.1dBFS。输入讯号经调幅至峰值振幅超过原大振幅达5dB的程度。

图2 ：说明了输入波形的特性。

逻辑分析仪收集、组织数字输出数据，这样调制输入波的周期即可鉴别和分离出来。在各点上都可计算出峰值至峰值之间的偏差。经过二种不同方式的修正，所显示的偏差指示出超量程讯号复原功能够给予的改善情况。 

图3：ADC12QS065L样品的早期超量程讯号复原结果

图4：最后硅晶体的检测结果

医学技术的发展以及超音波设备效能的不断提高，将继续促使消费者对更快、更高分辨率和更高效能的模拟/数字转换器的需求。预计不久的将来就能开发出8-与16-通道的设备。由于医生需要小巧的掌上型医疗设备，医疗设备制造商势必要追求愈来愈低的模拟芯片功率。此外，对于轻巧纤薄的可携式系统来说，随着电路板空间越来越趋向于小型化、轻便化、可携带式的设备；设备体积的大小也必将成为一个重要的课题。为了解决这些空间安排问题，模拟/数字转换器制造商们正在研发许多像LLP与FPGA那样的小型无线设备。

 作者简介：Nicholas Gray 任职于美国国家半导体公司数据转换系统部应用工程师，电子邮件:nicholas.gray@nsc.com