一种血管内超声前端收发信号通道转换及防护电路的制作方法

1.本实用新型涉及血管内超声技术领域，具体为一种血管内超声前端收发信号通道转换及防护电路。


背景技术：

2.超声设备在医疗系统中已经很常见，在前端信号收发位置的电路技术方案，基本上都是通过处理器产生数字时序激励低压信号，然后通过d/a转换原件转换成高压激励信号通过和连接器线连接的线缆输送给接近人体的传感器产生声波信号向人体发射声学能量，然后接收传感器返回的信号，通过滤波和放大器件的处理再输送会处理器，再经过算法处理，从而产生内部器官和结构的图像绘制血液流动和组织运动图，以及提供高度精确的血管状态信息，呈现在显示终端设备上。
3.在此方案中，可以得知在连接器处会出现发送的高压激励信号和换能器返回信号会汇聚到同一点，这样在汇聚点两侧的器件就要都能够承受激励信号的高电压，设计上从几十伏到几百伏，对于产生激励信号的器件自然能够承受自己产生的高电压，但对于接收通路因为其主要作用是处理传感器返回来的微小信号，激励信号对于其属于冗余不希望传送过来的信号，且目前业界还没有能够承受如此高压的运放amp或lna，就是对组成滤波器的阻容感器件的耐压也带来极大挑战，为了解决这个问题，通常在接受回路靠近发送通路的一侧串接个对于小信号近似无条件通过，而对于大信号断开或者呈现高阻态的开关器件 3(t/r-switch)，其使高压信号不能再去传输给后面的滤波电路和amp或lna。
4.上述对于接收侧针对高压激励信号的处理方案是目前业界超声系统的常用电路设计方案，但是此方案存在如下几点缺陷：
5.1、在连接器的输入端位置，如果连接一次性使用的超声传感器对接终端时，由于经常插拔难免会带来静电esd的影响，虽然此处已经能承受几十伏到几百伏的激励电压，但是对于动辄几千伏甚至十几千伏的静电来说还是无能为力，这样一旦有静电发生轻则可能会给设备造成损坏，重则影响正在做诊断的病人造成贻误病情或生命安全；
6.2、目前的t/r-switch器件一般都适用于微秒(us)级的信号，对于微秒级的信号能够很好的实现钳位作用的同时残留比较低的钳位电压，但一旦信号达到纳秒(ns)级，由于寄生电容/电感的影响反应时间来不及，信号的钳位电压就会比理论值高，在这种情况下即便有t/r-switch的存在，传到后一级的电压依然还会很大，超过后级器件的承受电压，短时间内可能没有问题，长时间这样会使期间损坏或者影响器件的使用寿命；
7.3、即便通过t/r-switch器件的钳位或者开关作用后，激励电压的影响已经被限制在后级能承受的范围内，但是由于接收这一级电路处理的信号是小信号，被钳位或者开关处理后的激励信号幅度相对传感器反馈回来的几豪伏-几十毫伏信号来说依然幅度比较大，其会给回路中的容性器件充电，而充电后的能量如果不能及时释放就会严重干扰到后面传感器传送回来的有用信号，造成信号失真。
8.因此，为了解决以上问题，需要提供一种血管内超声前端收发信号通道转换及防
护电路，解决静电、纳秒级激励信号、防护后残留信号的处理等问题。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的在于提供一种血管内超声前端收发信号通道转换及防护电路，利用连接器连接t/r-switch器件、限幅二极管、限幅器和模拟开关，通过控制模拟开关的打开与关断，在激励信号作用期间关闭传输通道，在传感器返回有用信号期间打开通道。有效防止激励信号对传感器采集信号造成的干扰。
10.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种血管内超声前端收发信号通道转换及防护电路，处理器、d/a转换模块、连接器、t/r-switch器件、限幅器、滤波放大电路、模拟开关和超声波传感器；
11.所述处理器、d/a转换模块、连接器依次连接；所述连接器同时连接超声波传感器，和t/r-switch器件输入端，所述t/r-switch器件的输出端连接限幅器，限幅器的输出连接模拟开关；所述模拟开关连接滤波放大电路和处理器，处理器控制模拟开关打开或者关闭，所述t/r-switch器件的输入端设有防护二极管，输出端设有限幅二极管。
12.在本实施例中通过设置防护二极管和限幅二极管，有效防止超声波传感器插拔造成的静电esd影响；防止静电esd对设备造成的损坏，进一步防止静电信号对超声波采集信号带来的干扰，防止干扰信号影响病情诊断；通过控制模拟开关的打开与关断，在激励信号作用期间关闭传输通道，在传感器返回有用信号期间打开通道，有效防止激励信号对传感器采集信号造成的干扰。
13.进一步，所述防护二极管用于同时防护激励信号侧和接收信号侧；所述防护二极管阳极接地，阴极与t/r-switch器件与连接器之间的连接线连接。
14.所述防护二极管采用符合防护等级的tvs管，进一步，防护二极管的寄生电容小于10pf
15.在本实施例中，通过设置防护二极管，进行静电防护，防护二极管选用tvs管，tvs 管的寄生电容越小越好，至少是几皮秒级，否则影响高速信号的传输质量，反向重复电压要高于实际激励信号电压的情况下小于后级电路承受电压，钳位电压要在后级器件的承受电压范围内。
16.进一步优选的，所述限幅二极管一端接地，另一端连接t/r-switch器件的输出端。
17.进一步优选的，所述限幅二极管包括第一限幅二极管和第二限幅二极管；所述第一限幅二极管的阳极接地，阴极与第二限幅二极管的阳极连接并连接在t/r-switch器件的输出端，所述第二限幅二极管的阴极接地。
18.所述限幅二极管采用寄生电容为10-20pf的快速二极管；在本实施例中，利用限幅二极管，对前面传输进来的大信号进行钳位。当信号的幅值大于门限值时，能快速关断，当信号小于门限值时，能快速恢复导通。
19.所述限幅器设置在t/r-switch器件与模拟开关之间，所述限幅二极管的另一端连接 t/r-switch器件的输出端与限幅器的连接线。
20.在本实施例中，通过设置限幅器，利用其自身幅值功能，当激励信号高于幅值时呈现高阻态，当信号低于幅值时，则导通；对输入的电压进行再次钳位；保证钳位后的电压下降到安全等级，能有效控制后级电路，不会对后级电路造成损坏。
转换模块2对控制信号，进行数模转换，转换后的模拟信号，发送至连接器，由连接器连接超声波传感器，实现超声波信号的发射；同时超声波信号的信号接收部分，接收超声波经过障碍物反射后的回传信号，将接收到的回传信号由连接器4、t/r-switch器件3、限幅二极管701、限幅器8、模拟开关9、滤波放大器5依次传输至处理器1；在此过程中，为了避免，超声波信号回传过程中，发射的激励信号对回传信号造成干扰，t/r-switch3、限幅二极管701、限幅器8对激励信号进行幅度抑制，通过设置模拟开关9在激励信号作用期间关闭传输通道，在传感器返回有用信号期间打开通道，模拟开关9连接处理器1，根据处理器1发射激励信号的脉冲周期，控制模拟开关9的通断。
34.进一步，为了提高超声波回传信号的质量，设置了滤波放大器5，对回传信号进行滤波放大，方便处理器对回传信号进行处理。
35.所述处理器1、d/a转换模块2、连接器4依次连接；所述连接器4同时连接超声波传感器10，和t/r-switch器件3输入端，所述t/r-switch器件3的输出端依次连接限幅二极管701、限幅器8、模拟开关9；所述模拟开关9连接处理器1，所述t/r-switch器件3 的输入端设有防护二极管。
36.t/r-switch 3是防护方案的最关键器件，其作用是当电压高于某幅度时呈现高阻态，而在电压低于这一幅度时近似信号近似无条件通过，所述t/r-switch器件的门限电压值的取值范围为：大于超声波传感器的激励信号幅值，小于后级电路的电压承受值，其自身电压承受能力一定要大于激励信号的自身幅度值。
37.在本实施例中通过设置防护二极管，有效防止超声波传感器插拔造成的静电esd影响；防止静电esd对设备造成的损坏，进一步防止静电信号对超声波采集信号带来的干扰，防止干扰信号影响病情诊断。
38.所述防护二极管6阳极接地，阴极与t/r-switch器件3与连接器4之间的连接线以及d/a转换模块2连接。
39.在本实施例中，通过设置防护二极管6，进行静电防护，进一步，防护二极管6选用 tvs管，tvs管的寄生电容越小越好，至少是几皮秒级，否则影响高速信号的传输质量，反向重复电压要高于实际激励信号电压的情况下小于后级电路承受电压，钳位电压要在后级器件的承受电压范围内。
40.进一步优选的，所述限幅二极管一端接地，另一端连接t/r-switch器件3的输出端。所述限幅二极管包括第一二限幅二极管701和第二限幅二极管702；所述第一限幅二极管 701的阳极接地，阴极与第二限幅二极管702的阳极连接并连接在t/r-switch器件3的输出端，所述第二限幅二极管702的阴极接地。
41.在本实施例中，利用限幅二极管，对前面传输进来的大信号进行钳位。这两个二极管是再次钳位处理信号的作用，理论上信号的幅度值在
±
0.7v以内，但同样受二极管自身的反应速度寄生电容等的影响，所以一定要选择寄生电容小反应速度快的二极管，实际测试此二极管在纳秒级的大幅值信号通过时钳位的电压会达到几伏而不是理论的0.7伏。
42.进一步优选的，还包括限幅器8，所述限幅器8设置在t/r-switch器件3与模拟开关 9之间，对输入的电压进行再次钳位；保证钳位后的电压下降到安全等级，能有效控制后级电路，不会对后级电路造成损坏。限幅器8其作用是对输入信号的幅度再一次进行限制，要注意其输入功率要大于前级的输入电压，其线性工作范围要在有用信号的范围内，也就是
说不能对有用信号造成过大的衰减。
43.模拟开关9其作用是在激励信号作用期间关闭传输通道，在传感器返回有用信号期间打开通道，目的就是不使激励信号的信息传到后一级，注意设计时的打开和关闭需要处理器对其进行控制，工作电压以及开路状态时的端引脚是否有对gnd阻抗。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
45.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
46.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。