一種信號發生器及其應用方法、系統的製作方法
2023-12-02 03:57:36 4
一種信號發生器及其應用方法、系統的製作方法
【專利摘要】本發明提出一種信號發生器及其應用方法、系統，所述信號發生器包括：時鐘源、分頻器、低通濾波器、功率合成器；所述時鐘源，用於輸出時鐘信號；所述分頻器，用於將所述時鐘源輸出的所述時鐘信號分成兩路時鐘信號；所述低通濾波器，用於將所述兩路時鐘信號分別轉換成低相位噪聲信號；功率合成器，用於將所述兩路低相位噪聲信號合成一路。採用本發明的技術方案，通過將時鐘信號經過簡單的分頻、濾波、合成環節處理，可以輸出低相位噪聲的測試信號。
【專利說明】一種信號發生器及其應用方法、系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及醫療器械電子噪聲檢測領域，具體的涉及一種信號發生器及其應用方法、系統。
[0002]
【背景技術】
[0003]通常醫療診斷超聲系統模擬前端電路、時鐘電路引入的電子噪聲水平決定了系統的靈敏度。模擬前端由探頭電纜402、探頭座403、收發開關(TRSW)414、低噪聲放大器(LNA)404、壓控衰減器(VCA)406、功率放大器(GA)408和低通濾波器(LPF)409等7個環節組成，圖3所示。時鐘電路由系統時鐘源415、時鐘分頻分配電路器414組成，圖3所示。在超聲系統工作過程中，由於電子熱運動、電壓變化等原因，電路產生的電子噪聲強度決定了超聲系統對最小回波信號的檢測能力，即接收靈敏度。就一般而言，熱噪聲和ADC的量化噪聲等元器件固有噪聲不可避免的存在，當其它噪聲比這兩種噪聲功率小時，對系統接收靈敏度無影響，反之降低接收靈敏度。因而，準確測量系統的噪聲強度，實現有的放矢地優化電路設計，對於提高超聲系統的接收靈敏度尤為關鍵。
[0004]常用的測量噪聲方法，是使用商用信號發生器產生的雙頻正弦波作為測試信號，注入到模擬前端的某個環節，然後對模數轉換器採集的數據進行頻譜分析，得到模擬前端電路、時鐘電路的噪聲功率總和。例如，在圖6中使用商用信號發生器501，向探頭座403注入雙頻正弦測試信號，從ADC 403採集數據中可以分析出除了探頭電纜402以外的模擬前端電路、時鐘電路噪聲功率總和。由於商用信號發生器501輸出信號相位噪聲較高的原因，通常只用於檢測超聲系統中的較強噪聲，例如開關電源噪聲，難以用於弱噪聲的檢測，例如低噪聲放大器底噪、評估時鐘電路穩定指標對採集數據噪聲的影響等低噪聲測量。
[0005]商用信號發生器相位噪聲高是由於其受通用設計目標所限制，需要根據用戶設定對時鐘源101產生的信號進行調製、波形控制、功率控制等處理，導致輸出信號106的相位噪聲比時鐘源差了許多。圖7、8是兩種典型的商用信號發生器原理框圖，測試時鐘源101輸出的低相位噪聲時鐘信號作為ASIC或FPGA晶片102的同步信號，對模數轉換晶片(DAC)103進行同步，DAC輸出模擬信號經過功率放大器(OP) 104和低通濾波後即信號發生器輸出信號，該方法通常被稱為直接數字頻率合成(DDS)。圖2中，測試時鐘源101輸出低相位噪聲時鐘信號經分配器後輸出給ASIC晶片102，同時作為鎖相環(PLL) 202的參考時鐘。PLL輸出信號經過功率放大器(OP) 104和低通濾波後即信號發生器輸出信號。顯然，圖7、8所列出的方法由於測試時鐘源輸出的時鐘信號經歷了較複雜的數字處理環節102和功率放大104環節，最終信號發生器輸出信號的相位噪聲遠高於時鐘源的相位噪聲。商用信號發生器的相位噪聲通常差於-110dBC/HZ@20kHZ，例如某知名品牌的高端信號發生器輸出IOOMHz正弦信號的相位噪聲-96dbc/lHZ@20kHZ，這一相位噪聲指標遠差於許多普通晶振的-130dBC/Hz@lkHz。
[0006]
【發明內容】
[0007]為解決上述問題，本發明提出一種信號發生器及其應用方法、系統，通過將時鐘信號經過簡單的分頻、濾波、合成環節處理，可以輸出低相位噪聲的測試信號。
[0008]一種信號發生器，包括:時鐘源、分頻器、低通濾波器、功率合成器；
所述時鐘源，用於輸出時鐘信號；
所述分頻器，用於將所述時鐘源輸出的所述時鐘信號分成兩路時鐘信號；
所述低通濾波器，用於將所述兩路時鐘信號分別轉換成低相位噪聲信號；
功率合成器，用於將所述兩路低相位噪聲信號合成一路。
[0009]一種如上所述的信號發生器用於超聲系統噪聲測試的方法，所述方法為通過對系統待測噪聲的各級電路逐級斷開的方式，將所述信號發生器接入所述斷開後的電路的輸入端，獲取並計算系統各級電路的噪聲。
[0010]一種具有如上所述的信號發生器的超聲系統，所述系統包括:收發開關(TRSW)、低噪聲放大器(LNA)、信號發生器,多路選擇器、系統控制信號；
從以上技術方案可以看出，本發明實施例具有以下優點:
1、由於時鐘信號經過簡單的分頻、濾波、合成環節處理，因此可以輸出低相位噪聲的測試信號，從而有效解決了商用信號發生器輸出測試信號相位噪聲高，不能用於測量超聲系統的模擬前端、時鐘電路等低噪聲元件的噪聲問題。且所述信號發生器產生的測試信號可以滿足超聲系統等類似系統的測試要求。
[0011]2、由於該信號發生器採用的電路簡單、體積小，因此具有成本低廉的優點。
[0012]3、由於整個信號發生器只有時鐘源、分頻器是有源器件，現有的晶片技術可以使二者相位噪聲極低，其餘無源器件不對輸出信號的相位噪聲產生影響，因此能使得信號發生器輸出的測試信號相位噪聲更低。
[0013]4、由於可以通過對時鐘分頻器的分頻參數調整，因此可以產生兩路各種不同頻率的時鐘信號的組合。
[0014]5、由於通過對系統待測噪聲的各級電路逐級斷開的方式，將所述信號發生器接入所述斷開後的電路的輸入端，因此可以獲取並計算系統各級電路的噪聲。
[0015]6、由於本發明的信號發生器電路簡單，體積小，因此可以很容易被集成到被測超聲系統，從而可以使用被測系統的電源供電，這可以使信號發生器輸出的測試信號與被測系統直接共用同一信號參考地，切斷地環路噪聲產生根源，不需要額外採取地環路噪聲濾除措施。
[0016]7、由於系統輸出的測試控制信號對多路選擇器控制,從信號發生器輸出的低相位噪聲測試信號和收發開關TRSW輸入的信號中選擇其一輸入到低噪聲放大器(LNA),即超聲接收通道。在進行接收通道噪聲、一致性的自動測量時，選擇信號發生器輸出信號作為LNA輸入。測試信號經過LNA、衰減器(VCA)、功率放大器(GA)和低通濾波器(LPF)等4個環節，進入ADC採集，採集信號經FPGA、USB/PCIe接口，輸入到計算機，在計算機中對採集數據進行分析，因此可以獲得接收通道噪聲、一致性信息。
[0017]【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1，本發明的信號發生器的結構框圖。
[0019]圖2，本發明的低相位噪聲測試信號發生器原理框圖；
圖3，醫療診斷超聲系統模擬、數字接收前端功能框圖；
圖4，利用發明的低相位噪聲發生器產生的信號測試超聲系統框圖；
圖5，利用發明的低相位噪聲發生器產生的信號自動測試接收通道框圖；
圖6,商用信號發生器原理框圖(DDS)；
圖7，商用信號發生器原理框圖(PLL)；
圖8，利用商用信號發生器產生的信號測試超聲系統框圖。
[0020]
【具體實施方式】
[0021]下面將結合本發明中的說明書附圖，對發明中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0022]本發明提出一種信號發生器及其應用方法，通過將時鐘源輸出的時鐘信號，經過分頻、濾波、功率合成後作為系統的測試信號，該信號發生器經過簡單的分頻、濾波、合成環節處理，因此可以輸出低相位噪聲的測試信號。
[0023]該信號發生器可以應用於各種對測試信號頻率準確度要求較低，且對測試信號的相位噪聲要求較低的系統的噪聲測試。比如超聲系統等等。
[0024]實施例一、
以用於醫療診斷超聲系統噪聲測試為例，說明本發明的技術方案。
[0025]現有的超聲系統模擬前端，其通頻帶約2?20MHz，帶內增益平坦，對測試信號頻率的準確度要求較低，且通常只需要對3、5、7、9、11、13、15、17MHz等幾個頻點的進行測試，就可以涵蓋整個通頻帶檢測，不需要使用頻率準確、連續的一系列測試信號。許多普通晶振的相位噪聲為-130dBC/HZ@lkHZ，為了對噪聲進行檢測，因此要求測試信號的相位噪聲要低於-130dBC/Hz@lkHz。
[0026]參見圖1、2，所述信號發生器包括:時鐘源101、分頻器102、低通濾波器103、功率合成器104。
[0027]時鐘源101，用於輸出時鐘信號，所述時鐘源通常為晶振。
[0028]分頻器102，用於將所述時鐘源輸出的所述時鐘信號分成兩路時鐘信號。
[0029]由於信號發生器需要產生雙頻正弦波作為測試信號，即測試信號需要兩種頻率相近的信號，這裡分成兩路就是為了得到兩種頻率信號，例如3MHz和5MHz，再將這兩路濾波、合成，就得到用於測試的一路信號，而這路信號由兩路單頻信號合成。
[0030]低通濾波器103，用於將所述兩路時鐘信號分別轉換成低相位噪聲信號。
[0031]由於時鐘信號經分頻器分成兩路時鐘信號，因此需要兩個低通濾波器分別對兩路時鐘信號進行濾波。
[0032]功率合成器105，用於將所述兩路低相位噪聲信號合成一路。[0033]綜上所述，所述時鐘源101輸出的時鐘信號進入分頻器102，產生兩路頻率接近的時鐘信號，分別經過低通濾波器103得到低相位噪聲正弦信號，最後經過功率合成器104將兩路正弦信號合成一路輸出作為超聲系統的測試信號。由於時鐘信號經過簡單的分頻、濾波、合成環節處理，因此可以輸出低相位噪聲的測試信號，從而有效解決了商用信號發生器輸出測試信號相位噪聲高，不能用於測量超聲系統的模擬前端、時鐘電路等低噪聲元件的噪聲問題，且所述信號發生器產生的測試信號可以滿足超聲系統等類似系統的噪聲測試要求。
[0034]同時，因為該信號發生器採用的電路簡單，體積小，因此具有成本低廉的優點。
[0035]在一些實施例中，所述低通濾波器103和功率合成器104分別為無源低通濾波器和無源功率合成器。由於整個信號發生器只有時鐘源101、分頻器102是有源器件，現有的晶片技術可以使二者相位噪聲極低，其餘無源器件不對輸出信號的相位噪聲產生影響，因此能使得信號發生器輸出的測試信號相位噪聲更低。
[0036]
在一些實施例中，通過對分頻器102的分頻參數調整，可以產生兩路各種不同頻率的時鐘信號的組合。因為超聲系統的帶寬通常是f 10MHz，一種測試信號(如3MHz和4MHz)，不能涵蓋整個帶寬的測試。因而需要不同頻率組合的測試信號。不同頻率輸出是為了得到不同頻率組合的測試信號。
[0037]實施例二、
提供如實施例一所述的信號發生器應用於超聲系統噪聲測試的方法。
[0038]醫療診斷超聲系統模擬前端電路、時鐘電路引入的電子噪聲水平決定了系統的靈敏度，即超聲系統的噪聲測試只需要針對模擬前端電路和時鐘電路的噪聲進行測試。
[0039]如圖3所述，超聲系統模擬前端由探頭電纜402、探頭座403、收發開關(TRSW)414、低噪聲放大器(LNA) 404、壓控衰減器(VCA) 406、功率放大器(GA) 408和低通濾波器(LPF)409等7個環節組成。時鐘電路由系統時鐘源415、時鐘分頻分配電路器416組成。
[0040]所述噪聲測試方法為:通過對系統待測噪聲的各級電路逐級斷開的方式，將所述信號發生器接入所述斷開後的電路的輸入端，獲取並計算系統各級電路的噪聲。
[0041]所述各級待測噪聲電路在本實施例所述超聲系統中主要包括:時鐘電路、模擬前端及模擬前端各組成元件。
[0042]所述逐級斷開可以選用各種斷開方式，只要最終可以獲得需要的各級電路的噪聲的測量結果即可。
[0043]例如，可以先斷開探頭電纜402與探頭座403的連接，將信號發生器601接入到探頭座，這樣可以獲取模擬前端和時鐘電路的噪聲總和。再斷開探頭座403與收發開關(TRSW)414之前的連接，可以獲取除探頭座之外的模擬前端和時鐘電路的噪聲總和，通過前一次獲得的噪聲總和減去去掉探頭座後的噪聲總和就可以計算出模擬電路中的探頭座的噪聲。
[0044]例如，如圖6所示，將低通濾波器(LPF) 409與ADC 413斷開，將兩者斷開是為了消除前者(LPF)對測量結果的影響。此時，信號發生器601輸出的信號替代了 LPF的輸出。計算機採集到的信號噪聲是信號發生器601、時鐘電路(圖中省略)、ADC噪聲的總和，其中信號發生器601輸出的信號噪聲可以單獨測量，是已經知道的。[0045]信號發生器601向ADC輸入測試信號303。ADC採集信號經FPGA 412、USB/PCIe接口 411，輸入到計算機410。通過計算機採集信號噪聲減去已知的信號發生器601噪聲，等於時鐘電路、ADC 413量化噪聲功率之和，進而可以得到系統時鐘信號相位噪聲對採集數據影響等指標。
[0046]再例如，信號發生器601測試整個模擬前端的噪聲，具體的如下:
首先，斷開探頭電纜402與探頭座403的連接，信號發生器601從探頭座注入測試信號303。信號經過探頭座403、收發開關(TRSW) 414、低噪聲放大器(LNA) 404、衰減器(VCA) 406、功率放大器(GA) 408和低通濾波器(LPF) 409等7個環節，進入ADC 413採集，採集信號經FPGA 412、USB/PCIe接口 411，輸入到計算機410。在計算機中對採集數據進行頻譜分析，可以獲得模擬前端、時鐘電路414、ADC 413噪聲功率之和。
[0047]在上述獲得時鐘電路、ADC噪聲功率的基礎上，可以得到模擬前端的噪聲功率。
[0048]採用上述方法逐級斷開測量，可以獲得模擬前端的各級電路噪聲功率。
[0049]
優選的，在進行模擬前端噪聲測試的時候，將模擬前端的增益設成最大。由於噪聲可以看成是微弱的信號，增益是放大倍數，放大倍數增大後，便於對小信號的觀察。
[0050]
在一些實施例中，如果模擬前端與超聲系統其它元件如ADC集成在一片晶片中，當需要測試時鐘電路時，可以將模擬前端增益設成最低，測試信號從探頭座注入，計算機中對採集數據進行頻譜分析得到的噪聲功率可以近似看成是時鐘電路、ADC噪聲功率之和。然後將模擬前端增益設成最大，可近似達到測試模擬時鐘噪聲的目標。
[0051]
在一些實施例中，所述信號發生器可以集成到被測超聲系統，使用被測系統的電源供電。
[0052]由於本發明的信號發生器電路簡單，體積小，因此可以很容易被集成到被測超聲系統，從而可以使用被測系統的電源供電，這可以使信號發生器輸出的測試信號與被測系統直接共用同一信號參考地，切斷地環路噪聲產生根源，不需要額外採取地環路噪聲濾除措施。然而通常的商用信號發生器使用市電，其測試信號輸入到被測系統時，通常會有地環路噪聲混入被測系統，容易造成測量結果錯誤。因而，商用信號發生器需要工程師在電磁環境噪聲極低的條件下測試或採取複雜的地環路噪聲濾除措施。
[0053]實施例三、
提供具有如實施例一所述的信號發生器的超聲診斷系統，所述系統可實現系統接收通道噪聲、一致性的測量。
[0054]如圖5所示，所述超聲診斷系統包括:收發開關(TRSW) 414、低噪聲放大器(LNA)404、信號發生器，多路選擇器、系統控制信號等等。
[0055]超聲回波通過TRSW 414進入多路選擇器701，信號發生器601輸出測試信號也進入多路選擇器701，多路選擇器701根據控制信號702，選擇TRSW 414或信號發生器601的測試信號作為輸出信號。
[0056]我們常用的指標測量方法是:用一個已知的信號，輸入到被測對象(或設備)，通過分析被測對象輸出的信號，而獲得被測對象的技術指標。[0057]在超聲系統中，多路選擇器其功能是:根據控制信號，從多路輸入信號中選擇一路輸出。
[0058]具體過程為:系統輸出的測試控制信號702對多路選擇器701控制，從信號發生器601輸出的低相位噪聲測試信號和收發開關TRSW 414輸入的信號中選擇其一輸入到低噪聲放大器(LNA)404，即超聲接收通道。在進行接收通道噪聲、一致性的自動測量時，選擇信號發生器601輸出信號作為LNA 404輸入。測試信號經過LNA、衰減器(VCA) 406、功率放大器(GA) 408和低通濾波器(LPF) 409等4個環節，進入ADC 413採集，採集信號經FPGA 412、USB/PCIe接口 411，輸入到計算機410。在計算機中對採集數據進行分析，。獲得接收通道噪聲、一致性信息。所述分析方法屬於公知技術，在此不再贅述。將該信號用於通道校準，可以提高超聲系統的成像質量；將該信號用於系統硬體自檢，可以準確定位故障，提高生產效率。
[0059]所述控制信號是超聲系統根據工作狀態產生的。例如:功能調試工程師，操作超聲機器的鍵盤，機器內部的計算機響應鍵盤操作，輸出該控制信號。
[0060]以上對本發明所提供的信號發生器及其應用方法、系統進行了詳細介紹，對於本領域的一般技術人員，依據本發明實施例的思想，在【具體實施方式】及應用範圍上均會有改變之處，因此，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
【權利要求】
1.一種信號發生器，其特徵在於，包括:時鐘源、分頻器、低通濾波器、功率合成器； 所述時鐘源，用於輸出時鐘信號； 所述分頻器，用於將所述時鐘源輸出的所述時鐘信號分成兩路時鐘信號； 所述低通濾波器，用於將所述兩路時鐘信號分別轉換成低相位噪聲信號； 功率合成器，用於將所述兩路低相位噪聲信號合成一路。
2.根據權利要求1所述的信號發生器，其特徵在於，所述低通濾波器和功率合成器分別為無源低通濾波器和無源功率合成器。
3.根據權利要求1或2所述的信號發生器，其特徵在於，所述分頻器通過對其分頻參數調整,產生不同頻率的時鐘信號。
4.一種權利要求1所述的信號發生器用於超聲系統噪聲測試的方法，其特徵在於，所述方法為通過對系統待測噪聲的各級電路逐級斷開的方式，將所述信號發生器接入所述斷開後的電路的輸入端，獲取並計算系統各級電路的噪聲。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述各級電路包括:時鐘電路、模擬前端及模擬前端各組成元件。
6.根據權利要求4或5所述的方法，其特徵在於，當所述待測噪聲電路為模擬前端時，將所述模擬噪聲前端增益設置成最大。
7.根據權利要求4或5所述的方法，其特徵在於，當所述模擬前端與超聲系統的其它電路元件集成，如需要測試所述時鐘電路的噪聲時，將所述模擬前端的增益設成最低。
8.根據權利要求4或5所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括:將所述信號發生器集成到超聲系統，使用超聲系統的電源供電。
9.一種具有權利要求1所述的信號發生器的超聲系統，其特徵在於，所述系統包括:收發開關(TRSW)、低噪聲放大器(LNA)、信號發生器,多路選擇器、系統控制信號； 通過系統控制信號控制多路選擇器從信號發生器輸出的低相位噪聲測試信號和TRSW輸出的信號中選擇其一輸入到LNA。
【文檔編號】G01R29/26GK103969477SQ201410226396
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月27日 優先權日:2014年5月27日
【發明者】黎英雲, 李 浩, 彭剛 申請人:深圳市開立科技有限公司