利用集成 AFE 開發(fā)更高性能系統(tǒng)
?
超聲波系統(tǒng)性能會受到其模擬電路的極大影響。因此，AFE 的每一個特性對所有超聲波系統(tǒng)設計都至關重要。
?
超聲波系統(tǒng)的 AFE 由一個低噪放大器 (LNA)、壓控衰減器 (VCA)、可編程增益放大器 (PGA)、圖形保真濾波器 (AAF) 和模數轉換器 (ADC) 組成。LNA 提供獲得良好靈敏度所需的低噪放大。VCA 和 PGA 是時間增益控制 (TGC) 模塊的組成部分，可改善系統(tǒng)的動態(tài)范圍。另外，它們還允許增益隨時間而增加，目的是在信號通過人體時對增大的信號衰減進行補償。之后，對經過放大處理的信號進行濾波，以改善其信噪比 (SNR)。然后，通過一個 ADC 將所得到的信號轉換成數字格式，并利用接收波束生成器對其進行處理。AFE 的性能極大地推動著超聲波系統(tǒng)特性的演變，讓它的體積更小、重量更輕、電池壽命更長和圖像質量更高。
?
在開始 IC 設計以前，工藝選擇是半導體制造廠商的一個關鍵考慮因素。工藝選擇必須平衡性能、功耗、成本和升級可行性等方面。
?
不管設計的對象是高端汽車還是一個手持便攜式系統(tǒng)，AFE 通道整合都很重要。便攜式系統(tǒng)開發(fā)人員必須盡可能多地節(jié)省其電路板空間，并且高端系統(tǒng)必須針對高通道數目進行優(yōu)化。過去五年，AFE 迅猛發(fā)展。2004 年，使用離散方法設計一個 16 通道的 AFE 需要超過 40 個組件。現在，只需要 2 個！
?
半導體工藝技術的發(fā)展讓我們能夠縮小尺寸、降低功耗和提高總性能。今天的一些AFE，例如：TI 的 AFE5808，性能提高了一倍，電路板空間減小了 94%，功耗降低了 67%。AFE　器件中更高的通道集成度讓尺寸大大減小，更少的組件數目節(jié)省了成本，而其布局也更加簡單—所有這些，最終讓系統(tǒng)擁有更高成本效益和更短產品上市時間成為現實。 圖 3 過去幾年面向具體應用的模擬前端極大地提高了集成度和性能
?
超聲波系統(tǒng)組件的集成
?
許多設計人員的應用都要求盡可能地使用最高性能的 AFE，而 Diagnostic Sonar 公司則考慮使用 NI FlexRIO MDK 來圍繞最新的 AFE 構建其自己的設計。但是，最終他們都意識到可以利用 TI 的 AFE5801 所提供的高性能來實現其應用。AFE5801 擁有 8 通道，可提供 –5Db 到 +31Db 的數控掃描增益。他們可以使用一種現貨適配器組件 NI 5752，其將四個這種 AFE 集成到一個 32 通道組件中，擁有 50 MS/s 的采樣速率和 12 比特分辨率。
?
在系統(tǒng)接收端使用現成組件為他們節(jié)省了大量的開發(fā)時間，這樣他們可以將其精力放在硬件設計方面：NI FlexRIO（同 NI 5752 配對使用）的 32 通道、高壓脈沖生成器組件。使用模塊化 FPGA 硬件進行樣機制造，讓他們能夠迅速地生產出一臺可以工作運行的樣機系統(tǒng)，并確定需要進行哪些硬件改動，原因是 I/O 從 FPGA 反端分離了出來。由于他們都使用了模塊化 FPGA 板構建其設計，他們的樣機系統(tǒng)都只有 32 條通道，但對構架進行簡單的調整，便可以擁有 64 條、128 條、256 條甚至更多（需為 32 的倍數）同時用于收發(fā)的通道數目，集成多路傳輸功能，并且適應于各種超聲波陣列。另外，通過將 FPGA 用于硬件式信號處理，他們的信號處理可以根據系統(tǒng)增加通道數目情況進行調整，無需讓 CPU 限制系統(tǒng)的成像速率。
?
在軟件端，Diagnostic Sonar 公司一開始在主機上使用 LabVIEW 編制算法—包括波束生成、濾波和矯正等，并使用一種圖形用戶界面 (GUI) 實現數據的可視化。在樣機系統(tǒng)演示之后，他們便可以利用 LabVIEW FPGA 將算法移至 NI FlexRIO 板上的 FPGA，以進一步提高信號處理性能。最后，Diagnostic Sonar 公司使用模塊化 FPGA 硬件和圖形軟件，創(chuàng)造出了一種高性能、多通道超聲波采集和處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以針對各種應用進行調整和定制。這些技術讓他們能夠為其客戶提供各種選項，可以提供一種可立即投入使用的標準系統(tǒng)配置，也可以向那些擁有系統(tǒng)集成能力的公司分開出售單個組件（例如：32 通道脈沖生成器、定制陣列連接和波束生成IP等）。
?
最終結果—可調和可定制的系統(tǒng)
?
Diagnostic Sonar 是一家小型公司，但是他們利用 FPGA 的信號處理能力和可重配置性以及 TI 超聲波AFE擁有的優(yōu)異模擬性能，制造出了一個可輕松調整和定制的超聲波系統(tǒng)。另外，他們利用現成定制硬件在非常短的時間內（僅 3 個月）便完成了對初始系統(tǒng)的樣機論證工作。
?
總之，這種需求會不斷增長。各大醫(yī)療系統(tǒng)開發(fā)公司需要使用各種方法將下一代技術集成到其產品中，并且還要在上市產品中實現新的創(chuàng)新。Diagnostic Sonar 和許多其他公司都在使用同樣的設計方法，即利用 FPGA 和 AFE 幫助實現下一代成像系統(tǒng)的這些創(chuàng)新。