在任何新技術開發過程中，在將新型號或下一代超聲儀商業化之前，制造商都要經歷硬件開發和測試、系統集成和驗證的階段。研制高通道數成像超聲子系統預計需要多年的努力。此外，在對系統考慮的知識有限的情況下，直接進入波束轉向或傳輸子系統的硬件原型設計可能是昂貴的，因為它可能導致硬件原型的多次修訂。現在，一個完整的系統(原型板和開源軟件)可以用來模擬超聲機子系統的操作，從而降低了超聲制造商的開發成本和上市時間。

　　基于arduino的TxDAC 評估板與開源Mbed軟件

　　AD9106-ARDZ-EBZ評估平臺與基于Arm 的mbed支持板(如SDP-K1)兼容，并設計用于連接Arduino Uno頭。評估設置可以僅通過USB供電，不需要高頻波形發生器進行時鐘輸入。評估板默認使用板載156.25 MHz晶體振蕩器作為時鐘源，但提供外部時鐘選項。DAC輸出可以通過變壓器耦合或板載放大器進行評估，唯一需要的是7 V(DC)到12 V(DC)的30 W ac -DC適配器。參見圖1。

　　圖1所示。支持AD9106 mbed的評估平臺。

　　與硬件一起，在評估板網頁上提供了示例開源代碼，可以作為為目標應用程序開發固件的起點。評估板和示例源代碼可以定制，以與其他Mbed平臺一起工作。新的評估系統簡化了原型設計，因為它可以很容易地集成到現有系統中。

　　評估板配備AD9106四軸芯片，低功耗，12位，180 MSPS, TxDAC和波形發生器。DAC的高采樣率非常適合1 MHz至40 MHz范圍內的超聲工作頻率，外部顯像機通常使用1 MHz至15 MHz的頻率，而靜脈心血管機使用高達40 MHz的頻率。此外，AD9106是高度集成的，具有用于復雜波形生成的片上模式存儲器和具有24位調諧字的直接數字合成器(DDS)，允許10.8 Hz/LSB頻率分辨率。它也是高度可編程的，因為模式周期、啟動延遲、增益和偏移可以獨立地改變四個DAC通道中的每一個。此外，它功耗低(78.8 mW/通道，315.25 mW總功耗，3.3 V, 4 mA輸出，180 MSPS)，這是大型多通道系統(如超聲波機)的重要考慮因素。

　　圖2。AD9106功能框圖。

　　提高超聲設備的精度和圖像分辨率

　　基于小車的超聲系統在圖像質量或分辨率方面優于手持設備，主要是因為通道數量的巨大差異。然而，渠道數量可能因制造商而異。由于成本和功耗是大型系統(如超聲機)中重要的考慮因素，因此使用一些技術來最小化這兩個因素。在圖3中典型的超聲信號鏈中，如果我們考慮到每個發送路徑(DAC +高壓放大器)都有一個接收路徑(集成前端)，則確定通道數量很簡單，該路徑驅動探頭尖端換能器陣列中的一個元件。根據這個假設，我們可以說超聲波系統中的通道數量可以在16到256之間。在高端系統中，通道的數量是64個或更多，其中大多數是基于購物車的。16到64通道的范圍更常見的便攜式，中低端系統。

　　圖3。一種醫用超聲前端信號鏈。

　　在超聲波系統的發射路徑中，一束聲能或聲波在身體周圍掃過。聲波由電信號由探頭尖端的壓電換能器元件轉換而成。如圖4所示，對每個電信號或發射機信號的相位和幅度進行編程，使入射的能量束沿著一條線進入人體。從器官組織反射回來的聲波通過換能器元件再次轉化為電能。目標的位置或距離將根據傳感器陣列中元素到元素的時間延遲在屏幕上表示。因此，同步或能夠控制發射器信號之間的延遲對于顯示人體內部的準確圖像至關重要。

　　圖4。光束控制和聚焦。

　　多芯片同步要求

　　為了成功同步多個DDS dac，如AD9106，必須對差分時鐘輸入(CLKP和CLKN)和TRIGGER引腳的下降沿進行控制。

　　為了實現同步的第一個要求，應該在PCB布局中采用仔細的時鐘分配實踐。參見圖5。這將最小化refclk邊緣之間的相位差，從而導致DDS輸出的成比例相位差。

　　由于模式生成是由AD9106的觸發器引腳的下降沿發出信號，因此同步的下一個要求是確保觸發器邊緣一致。圖5中的布局技術也可以應用于從控制器的數字輸出到每個AD9106器件的TRIGGER PCB走線。

　　圖5。推薦的時鐘分布布局(左)與次優布局(右)。

　　用AD9106-ARDZ-EBZ評估多芯片同步

　　為了評估多個AD9106 dac的同步性，可以使用2塊AD9106評估板和1塊SDP-K1控制板。

　　材料

　　2塊AD9106-ARDZ-EBZ板

　　USB電纜板到pc連接

　　SDP-K1

　　一個12v的壁疣

　　信號發生器

　　變長sma端接電纜

　　一個sma端接t型分路器

　　母對母Arduino連接器線

　　硬件設置

　　在連接三塊板之前，請配置2塊AD9106-ARDZ-EBZ板，使DAC輸出連接到板上放大器，DAC時鐘由連接到J10的外部源提供。參考Eval-AD9106 Wiki用戶指南中的圖14b，了解正確的JP1和JP2連接。此外，設置AD9106-ARDZ-EBZ板之一，使板上設備的CSB引腳連接到備用GPIO引腳(安裝R39而不是R38)。確保SDP-K1的VIO_ADJUST設置為3.3 V。

　　圖6。多個AD9106設備同步的系統圖(簡化的原理圖，并非顯示所有連接)。

　　接下來，在表1中的其余連接之前，應該建立圖7中所示的每個板的時鐘輸入和TRIGGER引腳的連接。將Board 1連接到SDP-K1 Arduino Uno端口，然后將Board 2放置在相對于Board 1 180°的位置，以便兩個板的TRIGGER引腳是并排的。這是TRIG2到SDP-K1數字輸出的最短連接，導致TRIG1和TRIG2路徑大致相等。

　　圖7。時鐘輸入和觸發器引腳同步的推薦連接。

　　然后，將高頻波形發生器的輸出端連接到可連接不同長度的sma端接同軸電纜的分路sma端接t分路器。

　　圖8顯示了應用所有連接的實際設置。板對板連接總結如表1所示。

　　圖8。實際的設置。表1。SDP-K1與2塊AD9106-ARDZ-EBZ板對板連接SDP-K1 Arduino Uno連接器AD9106-ARDZ-EBZ上的連接網絡

　　銷不。銷功能板1板2

　　P2.1數控

　　P2.2IO_PWR_SUPPLYIOREFIOREF

　　P2.3MAIN_RESET重置重置

　　P2.4SDRAM_& _ARDUINO_PWR_SUPPLY

　　(3.3 V)3.3 V3.3 V

　　P2.5+ 5 v_con5伏5伏

　　P2.6接地接地接地

　　P2.7接地接地接地

　　P5.1ARDUINO_GPIOO / RX文文

　　P5.2Tx + 1

　　P5.3GPIO2EN_CVDDXEN_CVDDX

　　P5.4GPIO3 /脈寬調制

　　P5.5GPIO4SHDN_N_LT3472SHDN_N_LT3472

　　P5.6GPIOS /脈寬調制

　　P5.7GPIO6 /脈寬調制

　　P5.8GPIO7TRIGGERBTRIGGERB

　　P4.1GPIO8RESETBRESETB

　　P4.2GPIO9 /脈寬調制

　　SPI_CSB_ALT

　　P4.3GP1010 / PWM / CSSPI_CSB_DFLT

　　P4.4GPIO11 / PWM /莫西人STD_SPI_MOSISTD_SPI_MOSI

　　P4.5GPIO12 /味噌STD_SPI_MISOSTD_SPI_MISO

　　P4.6GPIO13 / SCKSTD_SPI_SCKSTD_SPI_SCK

　　P4.7接地接地接地

　　P4.8基諾

　　P4.9SDA

　　P4.10sci

　　軟件

　　在Mbed開源軟件上開發的示例源代碼是可用的。可以對wiki頁面中詳細描述的這些源代碼進行最小的更改，以通過SPI對兩個評估板中的每個設備進行獨立編程。寄存器值，特別是例3 (dds生成的正弦波具有不同的啟動延遲和數字增益設置)，以及代碼的其他部分可以很容易地定制。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。同樣的過程也可以用于其他應用程序。

　　方向

　　如圖6簡化圖所示，設備到設備的輸出同步是通過測量相同DAC輸出通道(即多個設備的通道1)之間的延遲來實現的。可以使用示波器觀察到TRIG2(控制器板到板2)相對于TRIG1(控制器板到板1)和時鐘2(時鐘發生器到板2)相對于時鐘1(時鐘發生器到板1)的連接器長度變化對同步的影響。

　　結果

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

　　圖9。在不同的TRIG2連接器長度下，Board 1和Board 2的OUT 1之間的延遲。

　　圖10。在不同時鐘2連接器長度的Board 1和Board 2的OUT 1之間的延遲。

　　如果TRIGGER引腳連接到具有驅動特性的數字輸出，如STM32F469NI, SDP-K1上的微控制器，TRIGGER走線公差可達5英寸，以保持設備到設備的同步。

　　匹配的時鐘輸入走線將產生最短的設備到設備輸出延遲，但根據特定系統中的可容忍延遲，可以相應地調整時鐘走線長度公差。

　　結論

　　在超聲波制造中，利用AD9106評估平臺提供的設計靈活性和定制化，可以縮短開發過程和上市時間。沒有必要設計一個新的傳輸子系統原型來評估多個傳輸dac的同步，如AD9106。相反，這可以通過使用兩個AD9106-ARDZ-EBZ板，一個SDP-K1控制器板，并對示例Mbed代碼進行最小的調整來完成。

　　參考電路

　　超聲設備市場:按產品類型分類:超聲診斷系統、超聲治療系統、應用(內科/普通成像、產科/婦科、心臟病、泌尿科、血管等)、設備顯示(彩色超聲設備、黑色&白色(B/W)超聲設備和設備便攜性(手推車/推車超聲設備，緊湊型/手持式超聲設備):全球機會分析和行業預測，2021-2028。Allied Market Research, 2021年5月。

　　《超聲設備市場規模、占有率&;COVID-19影響分析，按產品(緊湊型和臺式)、按應用(R科、婦科、護理點、泌尿科、外科等)、按最終用戶(醫院和;診所)和區域預測，2021-2028。”《財富商業洞察》，2021年9月

　　安東Patyuchenko。用于醫學成像系統的高性能數據轉換器。《對話》，2019年2月第53卷第2期。

　　Rob Reeder和Corey Petersen。8通道，12位，10-MSPS到50-MSPS前端:AD9271-A便攜式超聲的革命性解決方案《對話》，第41卷第7期，2007年7月。

　　Kullervo Hynynen和Ryan Jones。“圖像引導超聲相控陣是一種非侵入性治療的顛覆性技術。”歐洲PMC, 2016年9月。

　　比爾奧多姆。《超聲電子學入門》。《對話》，第33卷第5期，1999年5月。

　　Leonidas Aristodemou, Frank Tietze, Elizabeth O 'Leary和Matt Shaw。技術發展過程(TDP)模型的文獻綜述技術管理中心，2019年1月。

　　肯尼斯·MacCallum。“什么時候應該從頭開始設計超聲波硬件?”醫療產品外包，2019年1月。

　　"醫學超聲"設備公司。

　　"醫學超聲解決方案"Devices, Inc.， 2012年12月。

　　埃伯哈德布魯納。超聲系統的考慮因素如何影響前端組件的選擇。《對話》，第36卷第5期，2002年5月。

　　大衛·布蘭登。AN-587:同步多個AD9850/AD9851 dds合成器Devices, Inc.， 2002。

　　大衛·布蘭登和斯科特·肖弗。AN-1254:同步多個AD9915 dds合成器。Devices, Inc.， 2013。

　　Sunshine Grace Cabatan和Melissa Lorenz Lacanlale。AD9106/AD9102波形發生器-數模轉換器的評估Devices, Inc.2021。