生物医学成像数字化设计思考(共4267字).doc

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1、生物医学成像数字化设计思考(共4267字)生物医学成像数字化设计思考 引言多通道辐射成像探测器已广泛应用于生物医学成像系统中，探测器的输出信号经过多通道的前端模拟读出电路处理，然后被数据采集系统数字化后进行图像重建模数转换器（，）将前端读出电路输出的模拟信号转换为数字信号，是数据采集系统的关键模块，的性能直接决定了生物医学成像的质量在多通道前端电子系统中，一般有三种方案实现信号由模拟到数字的转换首先，使用多个并行的后接一个数字多路选择器的结构这种方法中，采用低速或中速的如逐次逼近型（）就能满足要求，但是由于每个通道配置一个，将占用很大的面积，而且消耗较大的功耗其次，采用多通道的结构常见的结构如

2、斜坡（），但是这种结构对比较器的精度要求很高，而且需要高频采样时钟，另外通道之间也存在串扰的影响第三种方案是采用一个模拟多路选择器和一个高速实现可采用快闪式（）或流水线式（）结构快闪式因其消耗较大功耗而不适合高分辨率的情况流水线把整体上要求的转换精度平均分配到每一级，降低了对模拟电路精度的要求，同时流水线结构的转换速率几乎与级数无关，因此能够在速度、功耗和分辨率方面获得最优的折衷基于以上分析，本文采用模拟多路选择器流水线结构，实现多通道前端电子系统中模拟到数字的高速转换设计与分析根据生物医学成像前端电子系统的结构及信号处理的要求，本文提出了多通道流水线结构的前端电子系统图所示为多通道前端电子系

3、统的结构及信号处理时序如图（）所示，探测器模组通过光电转换产生通道的微弱电荷信号，经过前端读出电路的放大及整形，在一个时间窗口（）内产生稳定的电压输出模数转换器在一个时间窗口内完成通道的模拟到数字的转换图（）所示为前端电子系统的信号处理时序，探测器信号的模拟读出、模数转换、数据输出分别在三个相邻的时间窗口内依次流水式完成，有效降低了对电路速度的要求，提高了系统处理效率。基于以上分析，本文提出的多通道流水线结构如图所示、为个通道的模拟读出信号，经过输入处理电路后分别得到一对差分模拟信号、流水线完成模拟到数字的转换，输出数字信号：输出处理模块缓存该数据，并在下一个时间窗口内输出输入处理电路完成个通

4、道的模拟信号的多路选择，并将其转换成差分信号流水线采用每级的结构，实现模拟信号到数字信号的转换输出处理电路处理并缓存当前时间窗口的数字数据，并在下个时间窗口输出时序控制模块完成整个模数转换系统的时序控制，产生路信号选择的开关信号、流水线的时钟信号以及用于数据存储并输出的控制信号多通道模数转换器的工作时序如图所示（）为一个时间窗口；（）为通道转换时间；（）为通道转换时间；（）为个通道总的转换时间；（）为转换后数据存储的时间；（）为数据输出时间、为当前窗口转换的数据；、为上个时间窗口转换的数据，在当前窗口输出根据系统要求，一个时间窗口定义为外部输入时钟为，系统内部时钟为，它是将二分频后得到的当窗口

5、复位信号（）变为高电平后，电路开始工作，产生的高脉冲，选通通道的模拟信号，接着产生的高脉冲，选通通道的模拟信号每隔一个时钟周期（），一个模拟信号进入流水线，当通道的模拟信号转换完毕后，每隔一个时钟周期（）输出一路数据数据串行进入寄存器（，），然后并行进入寄存器（，），等待下个时间窗口输出时间窗口复位结束后，在时钟（）的控制下，寄存器：中存储的上个时间窗口转化得到的数据串行输出电路实现输入处理电路输入处理电路如图所示虚线左边为通道模拟多路选择器电路，时序控制电路生成控制信号：，：信号同一时刻只有一个为高电平当为高电平时，通道的开关闭合，第通道的模拟信号连接到模数转换电路，其余通道悬空开关采用传输

6、门实现，要求导通电阻小在设计开关时要选择合理的值，即满足（）（），使得开关导通电阻在输入电压摆幅内变化最小通过对传输门导通电阻在不同尺寸时的仿真，确定当时，导通电阻变化最小流水线转换电路本文提出的数字化结构要求在一个时间窗口（即）内实现个通道的模数转换根据系统对信号转换分辨率的要求，文中采用的结构由图可知，完成通道的模数转换所需时间为，考虑窗口复位所需时间，总的时间小于，完全满足窗口大小的要求另外，由于所需转换时间远远小于一个时间窗口，因此该结构可扩展到更多通道应用流水线模数转换器的电路结构如图所示、为差分输入信号，为采样时钟，、为两相不交叠时钟，为转换后的最终数字输出在基于闭环运算放大器的开

7、关电容电路实现中，单级有效位数少使得电路的反馈因子较大，并且流水级中运放的负载较小，运放的增益与带宽要求减小，可容忍的失调电压范围变大，比较器精度要求降低在文献中提到，对于分辨率小于的流水线模数转换器，流水级一般采用较低的有效位数（小于）因此，本文采用单级的流水线结构的流水线模数转换电路对运放的增益和带宽要求不高，同时差分结构可使信号摆幅增加一倍，因此运放采用典型的全差分套筒式共源共栅结构由于比较器是在采样阶段结束后开始工作，比较结果用于保持放大阶段，因此需要一个高速比较器本文比较器电路采用动态锁存比较器结构，锁存控制信号为采样信号取反通过仿真，比较器完成比较所需时间约为流水级电路输出的比较数

8、据为温度计码格式，传统的流水线模数转换电路在进行数字校正之前需要使用码制转换电路先将温度计码转换为二进制码本文的模数转换电路通过改变数字校正电路输入的顺序，使得温度计码直接可以进行数字校正时序控制和输出处理电路时序控制电路和输出处理电路遵循数字电路设计流程，采用语言描述时序控制电路主要实现三个功能：（）产生控制通道模拟开关的信号，这可以通过具有个状态的状态机实现；（）控制转换得到的数据存储，由于从开始转换到得到第一个数据所需时间是固定的，并且一个时钟周期输出一个数据，因此可以采用计数器产生控制信号；（）控制所存储数据的输出，采用计数器产生控制信号输出处理电路主要实现两个功能：）存储转换后的个通

9、道的数据；（）在下一个时间窗口顺序输出组的数据本文采用的存储与输出策略如图所示当存储控制信号有效，在的上跳沿将转换后的数据：串行写入寄存器，然后通过寄存器的输入端并行写入寄存器，在下一个时间窗口，寄存器，又存储新的数据，寄存器，则在的上跳沿串行输出所存储的数据仿真验证本设计遵循数模混合电路“中间相遇”的设计方法，采用工艺，模拟部分（包括输入处理电路和流水线模数转换电路）的电源电压为，数字部分（包括时序控制和输出处理电路）的电源电压为，运用仿真工具，进行了全电路的仿真验证仿真结果表明在第一个时间窗口复位结束后，通道的单端模拟信号依次通过模拟多路选择器单端转差分流水线模数转换器存储与输出；在第二个

10、时间窗口复位结束后顺序输出前一时间窗口存储的数字数据同时，下一组通道的单端模拟信号进行单端转差分、模数转换和存储全电路仿真结果表明，本文设计方案完全可以满足特定时间窗口下通道的模数转换通道的模拟多路选择及单端转差分处理如图所示（以通道和通道为例）、分别为通道和通道的开关控制信号；为模拟多路选择器的输出；、为产生的差分信号，共模电压为；为流水线模数转换器的采样信号，高电平有效提前采样信号半个时钟周期有效，当有效时，差分信号、已达到稳定，从而保证正确的模数转换流水线模数转换器的性能仿真如图所示（输入正弦信号频率为，幅度为，采样频率为）由仿真结果计算可得，为，为，为，为，为结束语本文设计了一个应用于

11、生物医学成像前端电子系统的多通道流水线数字化电路在分析成像前端电子系统特点的基础上，提出了流水式的前端模拟信号处理、模数转换和数据输出结构，并完成了模拟多路选择、单端转差分、流水线模数转换、数据存储与输出等模块的电路实现和仿真流水线模数转换电路的性能满足的性能要求，全电路仿真结果表明，本文设计的电路满足系统设计要求，并具有进一步扩展通道数的能力。 阅读次数：人次 药学毕业论文医学检验论文心理健康论文临床医学论文护理医学论文医学教育论文医学科技论文循证医学论文内科医学论文生物医学论文基础医学论文临床医学论文妇产科学论文口腔科学论文急诊医学论文中医药学论文东方医学论文中医教育论文儿科临床论文口腔诊

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