Блоки фокусировок

4. Блоки фокусировок

Задержки для фокусировки УЗ луча проще всего организовывать цифровыми способами, например, путем подсчета определенного числа импульсов известной частоты – чем больше импульсов, тем больше задержка. На практике этот принцип реализуется в виде обратного счета с помощью реверсивных счетчиков. В реверсивный счетчик заносится известное число, и по команде СИ (строчный импульс) начинается обратный счет. Когда число станет равным нулю, счетчик выдаст специальный сигнал, который используется для запуска соответствующего пьезоэлемента. Структурная схема одного канала задержки, организованного по такому принципу, показана на рис.8.

Рисунок 8. Структурная схема блока фокусировки УЗ луча

Перед запуском строки производится загрузка данных о задержках в регистры каналов. Для этого с помощью адреса через дешифратор поочередно формируются сигналы записи, по которым данные заносятся в регистры. Затем приходит строчный импульс, который сбрасывает D-триггер и по входу L одновременно переписывает информацию из регистров в реверсивные счетчики. Сразу после этого начинают поступать тактовые импульсы ТИ, и числа в счетчиках станут убывать. Когда число, первоначально записанное в счетчике, достигнет нуля, на выходе переноса PD возникает импульс, устанавливающий D-триггер в «1». Импульс, снимаемый с его выхода, как раз и является тем импульсом БФ в схеме рис.6, который запускает пьезоэлемент. Уровень 1 с выхода Q блокирует логическую схему ИЛИ-НЕ и вместе с ней счетчик. Так как задержки лежат в диапазоне 10 – 2000 нс, то их можно представлять восьмиразрядными числами. Чтобы получить минимальную задержку в 10 нс, необходима частота тактовых импульсов 100 МГц.

Динамическая фокусировка эхо-сигналов осуществляется путем задержки электрических сигналов аналоговыми линиями задержки. Впервые линии задержки типа LC для фокусировки применила японская фирма Aloka. Такая линия задержки представляет собой цепочку из LC-звеньев и является аналогом длинной линии (рис.9).

 

Рисунок 9. Линия задержки типа LC

Линия задержки состоит из катушки индуктивности, которая наматывается на тонкий ферритовый сердечник. Через равные интервалы от нее делаются отводы, к которым припаивают конденсаторы. Вся эта конструкция заливается компаундом и своими выводами впаивается в печатную плату. Таким образом, линия задержки состоит из звеньев L1C1. Следует иметь в виду, что LC-цепочка является цепью с сосредоточенными параметрами, по сути, многозвенным ФНЧ. Распространение в ней импульса происходит не так, как в линии с распределенными параметрами. Если на вход линии задержки типа LC подать прямоугольный импульс, то на выходе немедленно появится напряжение, и его фронт будет плавно нарастать. Поэтому задержку в такой линии обычно понимают как сдвиг середины фронта импульса на выходе по отношению к фронту на входе. Главными параметрами искусственной линии задержки являются характеристическое (волновое сопротивление) и время задержки:

; ,

где n - число звеньев. Характеристическое сопротивление и постоянная передачи LC –цепочки очень сильно зависят от частоты. Это приводит к искажениям передаваемых импульсов.

На рис 9 показан также способ получения разных задержек от одной линии. Для этого отводы от звеньев подключены к многоканальному коммутатору –мультиплексору. Линия при этом нагружается на ее характеристическое сопротивление Zc. Для регулирования задержки с достаточной точностью в широком диапазоне применяют две линии – точной и грубой задержки. В первой линии задержки коммутируются с шагом 10 –20 нс, а во второй – 100 – 200 нс. Однако таким способом трудно обеспечить установку задержки с высокой точностью (точнее 10 нс). Для этого линии точной задержки организуют по двоичному принципу (рис.10).

Рисунок 10 Структурная схема блока динамической фокусировки

Блок динамической фокусировки также состоит из n каналов. Каждый канал содержит регистр, секцию точных задержек и секцию грубых задержек. Напомним, что динамическая фокусировка предусматривает большое количество фокусов для эхо-сигналов – 8 –16. Информация о задержках для каждого следующего фокуса во всех каналах должна быть подготовлена, пока луч движется к нему от предыдущего. Для этого используется общий дешифратор и двухступенчатые регистры. На системной шине поочередно выставляются данные о задержках и адреса. Дешифратор расшифровывает адрес и вырабатывает импульс загрузки L, по которому данные загружаются в первую ступень соответствующего регистра. Так будет подготовлена информация по всем каналам. В расчетное время на входы С всех регистров действует специальный фокусный импульс ФИ, который переносит данные во вторую ступень, т.е. на выход. Пять младших разрядов данных используются побитно для управления коммутирующими ключами секции точной задержки, а три старших – для адресного управления мультиплексором, подключающим канал к секции грубой задержки. Коммутирующие ключи S1 – S5 вводят или исключают LC-звенья точной задержки. Очевидно, что время точной задержки можно регулировать в диапазоне t1 – 31t1.

Сигналы отдельных каналов суммируются в общей линии грубых задержек. С помощью коммутаторов-мультиплексоров они могут подключаться к любой ее точке. Чем дальше точка подключения отстоит от выхода линии, тем больше будет задержка. Задержки звеньев общей линии Т1 – Т7 можно взять одинаковыми. Если минимальную задержку t1 точной секции выбрать равной 7 нс, то задержки Т1 – Т7 можно взять равными 200 нс. Не следует однако думать, что звенья с большими задержками можно выполнить из одной большой индуктивности и одной большой емкости. Они также дробятся на маленькие звенья, чтобы как можно точнее копировать свойства длинных линий. Иными словами, общее количество LC- звеньев получается очень большим. Их изготовление требует кропотливой ручной работы и практически не поддается автоматизации.

Ведутся разработки искусственных линий задержки в виде полосковых линий с распределенными параметрами. Конструкция одной из таких линий представлена на рис.11.

Рисунок 11. Полосковая линия задержки

Она выполняется фотогальваническим способом из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита и состоит из двух зигзагообразных дорожек (меандров), сдвинутых на половину пространственного периода. Распределенные емкость и индуктивность такой линии определяются толщиной стеклотекстолита, шириной дорожек и размерами окна. Индуктивность и емкость одного звена рассчитываются по формулам

; ,

где

, Гн/м ; , Ф/м.

Для стеклотекстолита  = 4,92.

Волновое сопротивление и время задержки линии определяются по формулам

; tз = n.

Для получения длительности задержки в 12,5 нс требуется около 60 звеньев с параметрами a = 0,5 мм; b = 1 мм; m = 5 мм; d = 0,02 мм. Длина линии при этом получается около 70 мм а волновое сопротивление – 100 Ом. Для сравнения заметим, что такую же задержку можно получить с помощью отрезка коаксиального кабеля длиной 2 –3 м. Чтобы получить большие задержки, из таких печатных линий составляют многослойную сборку. Технология изготовления полосковых линий намного проще, чем линий типа LC. Большинство операций здесь можно автоматизировать и только на заключительной стадии требуется ручная сборка.

Полосковая линия задержки является симметричной линией и поэтому ее выводы нельзя заземлять, а для соединения с другими устройствами приходится применять согласующие каскады – обычно дифференциальные усилители на транзисторах (рис.12).

 

Рисунок 12. Включение полосковой линии задержки

Входной дифференциальный каскад преобразует несимметричный сигнал в симметричный, а выходной – наоборот. Заодно дифференциальные усилители компенсируют затухание сигнала в линии.

Дополнительная возможность уменьшения общего количества линий задержки заключена в симметрии задержек относительно оси приемно-излучающей группы (апертуры) пьезорешетки. Ее можно реализовать с помощью специального коммутатора, который электрически объединяет эхо-сигналы от симметрично расположенных элементов. При этом общее количество линий задержки уменьшается более, чем вдвое, так как в одном канале – «крайнем», их вообще не будет. Коммутатор включается после приемо-передатчика и объединяет попарно его каналы с учетом изменения порядковых номеров элементов апертуры при сканировании.