8通道单芯片模拟前端AD9271的特点及在全数字超声成像技术中的应用

前言

随着电子计算机、现代信号处理技术的不断发展，超声成像系统逐渐向全数字化方向发展。全数字超声成像技术在接收前端将回波信号转变为数字量，通过设计专用ASIC系统替代传统模拟处理电路，实现信号的延迟、叠加及信号处理，使图像更清晰、更准确，分辨率更高，提高了超声诊断设备的质量。

AD9271是ADI公司针对全数字超声系统推出的8通道单芯片模拟前端。其极高的集成度允许医疗设备设计师将超声系统的信号通道尺寸减少50%，电路板占用面积减少约40%，顺应了当今超声仪器向小型化、便携式方向发展的趋势。同时，可大大降低仪器的噪声水平，各项性能指标得到显著提高，在实现小型化的同时保证了图像的高质量，提高了医学超声影像诊断的准确性。

基于AD9271的全数字超声成像系统

图1为基于AD9271的全数字超声成像系统框图。发射电路产生发射脉冲，通过阵元选通电路激励线阵换能器生成超声波。超声波遇被探查物体所产生的回波信号传至AD9271。AD9271可独立完成前置放大、抗混叠滤波、高速A/D变换等模拟信号处理过程，替代了传统全数字B超系统中前端IC电路多芯片分立的设计方案。获得的数字信号通过FPGA，完成信号和图像的处理，包括波束形成、动态聚焦、动态滤波、可变增益放大、对数放大、检波和DSC;最后将处理完的图像传入显示器进行显示。

线阵换能器

本系统中采用80阵元16通道的线阵探头，其内部包含阵元选通电路。阵元选通电路由10片8通道高压模拟开关芯片组成。80通道高压模拟开关一端分别与80个阵元相连，另一端则每5个一组分别与16个输入输出通道相连，由FPGA输入控制码实现换能器阵元的选通。

发射电路

本系统共有16路发射电路，单路发射电路如图2所示，其是在现有超声诊断仪的发射电路为基础进行适当改进而得到的。FPGA发出的控制脉冲需要首先通过一个功率触发器，将脉冲的幅值提高到12V后，作为激励脉冲送入场效应管的栅极。当无激励脉冲时，作为电子开关的场效应管断开，电源通过限流电阻 R1向隔直流电容C充电到VH。当出现激励脉冲时，开关打开。由于电容两端电压不能瞬时改变，因此在电容C的右端在理论上会出现-VH的电压脉冲，通过电缆加到换能器上。两个二极管可以隔离高频振荡，减小噪声干扰。

AD9271

AD9271是首例将8信道的放大器电路和A/D转换器集成在1枚芯片上的产品。每个通道包括常规超声信号模式和连续多普勒信号模式两种，通过控制信号进行选择使用。其中常规超声信号模式由低噪声前置放大器（LNA）、可变增益放大器 （VGA）、抗混迭滤波器（AAF）和采样速度为10MSPS~50MSPS的12位A/D转换器（ADC）组成。

AD9271集成度高、尺寸小，功耗低。在以10 MSPS和50 MSPS采样速率工作时，其每通道功耗分别为115 mW和175 mW，与其它近似解决方案相比，功耗降低25%，从而允许增加通道数而不必加大电源功率。此外在实际应用中，还可以关闭不使用通道的电源，减少了功率的损耗，对小型化仪器有着重要的意义。

在此系统中，使用AD9271的常规超声信号通道模式，其控制是由FPGA通过SPI接口输入控制码实现的。SPI接口由串行时钟端口（SCLK）、串行数据输入输出口（SDIO）和片选端口（CSB）组成。SCLK输入串行位移时钟，用于保证输入及输出数据与AD9271同步;SDIO为一双向端口，用于输入输出数据;CSB为SPI的使能端，控制SPI接口的开闭，其中CSB为低电平时SPI 有效。三个端口的时序如图3所示。

当CSB变为低电平时，SDIO开始跟随SCLK输入输出数据。首先输入的是一16位指示码，其中第一位为输入输出控制位，低电平为输入，高电平为输出;第二、三位控制传送的字节数;第四位到第十六位为输入输出数据的起始地址，当传送的数据多于一个字节时，数据地址以起始地址为准按序定址。指示码传送完毕后开始传送控制码。AD9271的内部寄存器大致可以分为芯片配置寄存器、片选及模式转换寄存器、程序寄存器三部分，将控制码存入相应的寄存器以实现相应的功能。此外，FPGA还为发射接收电路和AD9271提供时钟，以保证它们的同步性。

AD9271输出的数字信号将传送到FPGA中进行后期的信号、图像处理。

图4为此超声成像系统对正常眼部组织进行检查所得的超声回波信号。图中左端杂乱的多个饱和、高衰减波峰为始波，这是探头本身、探头与皮肤接触产生的回波。始波后平段表示无回声界面的玻璃体。始波后约25mm，可见玻璃体-视网膜波峰，其后高低不等的波峰是球后软组织回声。

结语

AD9271接口简单，使用方便、灵活。其极高的集成程度及低功耗在便携式超声医疗仪器等应用中具有很强的实用性。

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