專利名稱：用于ct數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路，它用于計(jì)算機(jī)化層析X射線攝影術(shù)(CT)或其他類似的射線影象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
計(jì)算機(jī)化層析X射線攝影設(shè)備(例如CT掃描儀)正廣泛地用作分析被研究對(duì)象內(nèi)部斷面的診斷工具，例如用于人體器官的醫(yī)療診斷。這種儀器通過(guò)在不同方向上攝取大量射線影象，可提供出研究對(duì)象的二維或三維合成“圖象”。常用的一種成象射線源是放在對(duì)象一側(cè)的X射線源，由放置在對(duì)象另一側(cè)的一個(gè)或多個(gè)X射線檢測(cè)器顯現(xiàn)出影象。把這些檢測(cè)器的信號(hào)輸出再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。
CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收檢測(cè)器的輸出，在數(shù)字控制下將特定的信號(hào)與特定的射線取向聯(lián)系起來(lái)，并對(duì)檢測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)、放大和轉(zhuǎn)換成適于進(jìn)一步分析的有用的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)形式。
典型的數(shù)據(jù)采集電路有四個(gè)主要部分前端信號(hào)調(diào)節(jié)器frontendsignalconditionor、模擬信號(hào)多路轉(zhuǎn)換器(analogsignalmultiplexer)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(dataeonverter)和數(shù)字控制器(digitalecontrol)。前端信號(hào)調(diào)節(jié)器用于將來(lái)自檢測(cè)器的轉(zhuǎn)低電平模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成低輸出阻抗信號(hào)，以適應(yīng)采集系統(tǒng)其他部分的要求。通常，每個(gè)檢測(cè)器通道或檢測(cè)線上至少具有調(diào)節(jié)與其有關(guān)的電路的專用信號(hào)。多路轉(zhuǎn)換器的功能是接收來(lái)自不同檢測(cè)器通道的信號(hào)，并使它們能夠沿著共用通道得到進(jìn)一步處理(以時(shí)分方式)，從而減少后續(xù)電路所需部件的數(shù)量。多路轉(zhuǎn)換器的模擬輸出再饋送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，以把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換或相應(yīng)的具有適當(dāng)?shù)臄?shù)字形式的數(shù)字信號(hào)信息。整個(gè)過(guò)程在數(shù)字控制電路的指示下進(jìn)行。
由于采樣速率和精度的綜合指標(biāo)要求，通常的高性能CT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集電路使用不只一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通常由兩個(gè)主要部分組成一個(gè)浮點(diǎn)放大器和一個(gè)模擬-數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器。為保證A/D轉(zhuǎn)換器的輸入總是大于某一極小值，浮點(diǎn)放大器在運(yùn)行時(shí)對(duì)較小輸入信號(hào)提供較大的放大倍率，對(duì)特定信號(hào)的放大量是作為輸入信號(hào)大小的函數(shù)來(lái)選定的。
對(duì)于以往的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路的一種實(shí)現(xiàn)方法(后面將參考圖4作進(jìn)一步討論)是利用程序控制或可選擇增益的放大器，它通過(guò)切換放大器輸入與輸出端之間一組串聯(lián)電阻的結(jié)點(diǎn)來(lái)改變反饋通路，從而設(shè)定其增益。由于這種辦法是通過(guò)改變同一放大器的反饋?zhàn)杩箒?lái)實(shí)現(xiàn)不同的增益，因而增益建立時(shí)間(settlingtime)長(zhǎng)，而且對(duì)每種增益選擇其建立時(shí)間是不同的。同時(shí)，偏壓漂移校正(自動(dòng)置零(auto-yero)功能的實(shí)施又復(fù)雜又麻煩，因?yàn)閷?duì)每種增益的構(gòu)成需要不同的偏壓量或偏壓電平。再有，增益調(diào)整是復(fù)雜的，因?yàn)橥唤M電阻會(huì)影響不只一種增益選擇。
第二種辦法(后面將參考圖5討論)用一組并聯(lián)的放大器，每個(gè)放大器根據(jù)設(shè)定的不同信號(hào)增益構(gòu)成，該方法還利用一種裝置，用來(lái)選擇適于放大給定信號(hào)的放大路徑。這種辦法比前一種辦法的速度快，但在設(shè)定每種增益時(shí)要求使用不同的放大器，從而所需要的相應(yīng)的增益建立時(shí)間也不同。同時(shí)，由于使用各自的放大器結(jié)構(gòu)，設(shè)置每種增益便需要它自己的自動(dòng)置零電路來(lái)作偏壓校正。
本發(fā)明為CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一個(gè)改進(jìn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，它由程序控制增益放大器電路構(gòu)成，在電路中有一個(gè)可切換的電阻衰減器級(jí)，后接一個(gè)固定放大器級(jí)，通過(guò)改變電阻衰減器級(jí)的構(gòu)成來(lái)選定增益。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是給出與所設(shè)增益無(wú)關(guān)的同一的建立時(shí)間，并能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)一種自動(dòng)置零功能。它還具有進(jìn)一步增加或修改可用增益選擇的能力，而不需要改變或增加放大器。在最佳實(shí)施例(下面將詳細(xì)描述)中，由于用不只一個(gè)放大器來(lái)構(gòu)成固定放大級(jí)，從而減小了增益建立時(shí)間。
為演示和描述本發(fā)明而選擇的若干實(shí)施例，展示在本文附圖中，其中包括

圖1是可以應(yīng)用本發(fā)明的一類CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方框圖;
圖2是圖1所示系統(tǒng)中可以使用的一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的方框圖;
圖3是圖2中的浮點(diǎn)放大器的框圖;
圖4是實(shí)現(xiàn)圖3中的程序控制增益放大器的第一種先有技術(shù)的簡(jiǎn)化示意圖;
圖5是實(shí)現(xiàn)圖3中程序控制增益放大器的第二種先有技術(shù)的示意圖;
圖6是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)成的程序控制增益放大器的示意圖;
圖7是圖6中程序控制增益放大器的示意圖，其中包括了自動(dòng)置零偏壓校正功能;
圖8所示示意圖與圖7相同，但給出一種修改的自動(dòng)置零線路。
在所有的附圖中，同樣的組成部分用同樣的數(shù)字來(lái)代表。
圖1中給出可應(yīng)用本發(fā)明的一類CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)10。系統(tǒng)110有四個(gè)主要部分，前端信號(hào)調(diào)節(jié)器12，模擬多路轉(zhuǎn)換器14，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16和數(shù)字控制器18。
前端信號(hào)調(diào)節(jié)器12接收來(lái)自一組X射線檢測(cè)器1至i(圖中未畫出)的較低電平模擬輸出信號(hào)，并把它們轉(zhuǎn)換成低輸出阻抗信號(hào)，以供數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)10的其余部分作進(jìn)一步處理。每個(gè)檢測(cè)器輸出通道或輸出線1至i(見(jiàn)圖1)至少有調(diào)節(jié)電路20的專用的信號(hào)。經(jīng)過(guò)前端信號(hào)調(diào)節(jié)器12處理之后，這些來(lái)自各個(gè)檢測(cè)器通道的模擬信號(hào)被送到模擬多路轉(zhuǎn)換器14，這些信號(hào)在那里被匯集起來(lái)，以便由后續(xù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路16以分時(shí)方式作進(jìn)一步處理。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)值的數(shù)字信號(hào)。多路轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程是在數(shù)字控制電路18的指示下運(yùn)行的，數(shù)字控制電路保持著這些信號(hào)與其各自的檢測(cè)器原始位置之間的相關(guān)信息。
傳統(tǒng)的高性能CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)10利用了不只一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16，以實(shí)現(xiàn)所需要的采樣速率和精度指標(biāo)。然而，使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16，所需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16的數(shù)目能夠顯著地減少。因此，即使是只利用一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16，也能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)較高性能的CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16由兩個(gè)主要部分構(gòu)成，如圖2所示浮點(diǎn)放大器26和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器28。設(shè)一個(gè)輸入信號(hào)為“I”，浮點(diǎn)放大器26和模數(shù)轉(zhuǎn)換器28的傳遞函數(shù)分別為“A”和“B”，其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16的數(shù)字輸出字信號(hào)“O”可由方程式O＝IAB來(lái)表示。通常，浮點(diǎn)放大器28的傳遞函數(shù)的形式是MN，這里N是一個(gè)整數(shù)，對(duì)于較小的模擬輸入信號(hào)值，其N值增大。“M”值通常為2或者2的整數(shù)冪，也就是4，8，16等。浮點(diǎn)放大器26的作用是把“N”作為其模擬輸入信號(hào)的函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)選擇，同時(shí)，放大器26的輸出增益不斷變化，以使模數(shù)轉(zhuǎn)換器28的輸入總是大于某一極小值，這樣，通過(guò)“M”值的大小，限制了由模數(shù)轉(zhuǎn)換器28發(fā)出的供其后作影象分析的零值最高有效位的數(shù)目。這就保證了分辨力(它是放大器26和轉(zhuǎn)換器28組合體的讀數(shù)的一個(gè)為分?jǐn)?shù))相對(duì)獨(dú)立于輸入信號(hào)值，這是CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的一個(gè)特性。
浮點(diǎn)放大器26的簡(jiǎn)化框圖示于圖3。放大器26包括一個(gè)程序控制或可選擇增益的放大器32和一個(gè)增益選擇比較電路34，后者通過(guò)建立MN傳遞函數(shù)值(前已描述過(guò))來(lái)選擇增益。
程序控制增益放大器32和增益選擇比較電路34的一種先有技術(shù)方法如圖4所示，它應(yīng)用了一個(gè)運(yùn)算放大器(OP-amp)336，其正向輸入端用于接收來(lái)自多路轉(zhuǎn)換器14的模擬信號(hào)，而其反向輸入端通過(guò)一個(gè)反饋線路連到它的輸出端。反饋線路包括一組串聯(lián)的電阻，由一個(gè)譯碼邏輯電路38來(lái)建立所需增益MN，該電路控制一組開(kāi)關(guān)，用于把這些電阻中的一個(gè)或多個(gè)與反饋電路接通或切斷。
圖4所示的一種先有技術(shù)結(jié)構(gòu)是針對(duì)3種不同可選增益值的情況。反饋線路包括電阻40和42，以及控制開(kāi)關(guān)44、46和48的譯碼邏輯38，以決定電阻40和42中哪一個(gè)將連到運(yùn)算放大器36上。運(yùn)算放大器36的增益正比于反饋?zhàn)杩怪蹬c輸入阻抗值之比。因此，有選擇地閉合開(kāi)關(guān)44、46和48將改變反饋?zhàn)杩古c輸入阻抗的關(guān)系，從而給出低的(開(kāi)關(guān)44閉合)、中等的(開(kāi)關(guān)46閉合)和高的(開(kāi)關(guān)48閉合)動(dòng)態(tài)控制增益設(shè)置。由于要不斷地改變反饋線路的構(gòu)成和使用同一組電阻，因此正如前面提到的，圖4所示辦法存在增益建立時(shí)間延遲以及自動(dòng)置零和增益調(diào)整等問(wèn)題。
圖5給出實(shí)現(xiàn)圖3所示程序控制增益放大器32的另一種先有技術(shù)。在這種結(jié)構(gòu)中，一組不同的有固定增益的放大器以并聯(lián)方式連接在電路32的輸入與輸出端之間，在每個(gè)并行通路上有一個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)啟動(dòng)這些開(kāi)關(guān)一來(lái)選定增益，圖5所示結(jié)構(gòu)有3個(gè)固定增益放大器50、52和54，分別有增益1，8和64。當(dāng)響應(yīng)譯碼器邏輯38而閉合開(kāi)關(guān)44時(shí)給出增益1，閉合開(kāi)關(guān)46給出增益8，而閉合開(kāi)關(guān)48給出增益64。圖5給出的辦法比圖4中的辦法要迅速，但對(duì)每種增益要求有單獨(dú)的固定增益運(yùn)算放大器，以及各自的置零要求和各自的建立時(shí)間。
本發(fā)明的改進(jìn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16利用一個(gè)程序控制增益放大器32(如圖6所示)，它有一個(gè)可切換的衰減器級(jí)58，后接固定增益放大器級(jí)60，衰減器級(jí)58采取一組分壓器線路，放在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16的輸入端，以便將模擬輸入信號(hào)I(見(jiàn)圖2)有選擇地加以分壓，再將分壓后信號(hào)送入固定增益放大器級(jí)60。
如舉例說(shuō)明，圖中給出一個(gè)程序控制放大器32，它有3個(gè)衰減器級(jí)58的通路66，68和70，分別提供1、8和64共3種可選增益。通路66有2個(gè)電阻72和74，串聯(lián)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16的輸入端和地之間。開(kāi)關(guān)44根據(jù)來(lái)自譯碼邏輯38的信號(hào)有選擇地把電阻72和74之間的結(jié)點(diǎn)與固定增益放大器級(jí)60的輸入相連。電阻72和74之值的選定是要為輸入模擬信號(hào)“I”(見(jiàn)圖2)提供所需的分壓比或者說(shuō)衰減，以便設(shè)置好要由電路32提供的總增益。在所示例子中，電阻72的電阻值選定為比電阻74的電阻值大63倍。這樣，電阻74上的電壓即為串聯(lián)電阻72和74上的總電壓的R1/(R1+63R1)，也就是1/60倍。于是當(dāng)開(kāi)關(guān)44閉合時(shí)，由衰減器送到固定增益放大器級(jí)64的輸入信號(hào)VI′的電壓值將為原始輸入信號(hào)VI+或VI-的1/64。如圖所示，對(duì)于固定增益為64的固定增益放大器級(jí)60，通過(guò)選擇輸入衰減通路66，將得到電路32的輸出信號(hào)VO，它等于(VI/64)64，也就是VI，因此提供的總增益為1。
與此類似，通路68有兩個(gè)電阻76和78串聯(lián)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16的輸入端與地之間;開(kāi)關(guān)46的連接可以有選擇地將電阻76和78的結(jié)點(diǎn)與放大器級(jí)70的輸入耦合。選定的電阻76的電阻值比電阻78的電阻值大7倍，因此當(dāng)開(kāi)關(guān)46閉合時(shí)，送到64倍固定增益放大器級(jí)60的信號(hào)VI′的大小為原始輸入信號(hào)VI的1/8，因此得到輸出信號(hào)VO為(VI/8)64，也就是8VI，給出電路32的總增益為8。
所示通路70通過(guò)開(kāi)關(guān)48使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16的輸入端與放大器級(jí)60的輸入端直接相連。這等效于有一個(gè)電阻幾乎為零的分壓線路70與具有某一值的電阻(如本例中為64R1，它是電阻72和74的電阻值之和)串聯(lián)。當(dāng)開(kāi)關(guān)48閉合時(shí)，電壓值為VI′＝(64R1/(64R1+0))VI＝VI(即無(wú)衰減)的信號(hào)將送到放大器級(jí)60的輸入端，在此處信號(hào)被放大，給出電路32的總增益為64。
在運(yùn)行過(guò)程中，增益選擇電路34(圖3)按已知技術(shù)建立起所需增益信號(hào)，譯碼邏輯電路38根據(jù)此信號(hào)建立起唯一的開(kāi)關(guān)設(shè)置，程序控制增益放大器32(見(jiàn)圖6)便根據(jù)這一開(kāi)關(guān)設(shè)置提供動(dòng)態(tài)增益選擇為1、8或64的放大功能。例如，第1號(hào)檢測(cè)器的一個(gè)輸出信號(hào)(見(jiàn)圖1)為低電平信號(hào)VI1，在經(jīng)過(guò)專用的第1號(hào)前端信號(hào)調(diào)節(jié)器電路20進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)并由模擬多路轉(zhuǎn)換器14作多路合成之后，被送到程序控制增益放大器32的輸入端，通過(guò)選定閉合開(kāi)關(guān)48(圖6)(其他開(kāi)關(guān)打開(kāi))，使該信號(hào)受到高增益放大(增益為64)。由于開(kāi)關(guān)48閉合，低電平輸入信號(hào)VI1將無(wú)衰減地通過(guò)電阻衰減器級(jí)58，到達(dá)程序控制增益放大器60，在那里，信號(hào)放大為原來(lái)信號(hào)的64倍，給出輸出信號(hào)VO1＝64VI1，供模數(shù)轉(zhuǎn)換器28完成模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，構(gòu)成數(shù)字輸出字供下一步分析。第2號(hào)檢測(cè)器輸出一個(gè)中電平信號(hào)(圖1)VI2將在程序控制增益放大器32(圖6)中引出一個(gè)中等增益設(shè)置。譯碼邏輯38將指示閉合開(kāi)關(guān)46(開(kāi)關(guān)44和48打開(kāi))，于是有信號(hào)VI2′等于信號(hào)VI2的R2/(R2+7R2)＝1/8倍，信號(hào)VI2′將由增益為64的固定增益放大器60加以放大，給出輸出信號(hào)VO2＝8VI2，供模數(shù)轉(zhuǎn)換器28(圖2)進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。類似地，由第3號(hào)檢測(cè)器輸出一個(gè)高電平信號(hào)VI3(圖1)，將由于閉合開(kāi)關(guān)44(開(kāi)關(guān)46和48打開(kāi))而在程序控制增益放大器32中得到一個(gè)低增益，它輸出的信號(hào)VI3′的大小為信號(hào)VI3的R1/(R1+63R1)＝1/64倍，該信號(hào)送到固定放大級(jí)60，得到64倍放大，結(jié)果輸出信號(hào)VO3＝VI3，供模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換和其他處理。
利用前面描述的一個(gè)可變衰減端入級(jí)58和一個(gè)固定增益放大器級(jí)60，要比圖4和圖5所示先有技術(shù)程序控制增益放大器結(jié)構(gòu)具有顯著的優(yōu)越性。與先有技術(shù)結(jié)構(gòu)不同。圖6中的電路32表現(xiàn)出增益建立時(shí)間不依賴于所要求的增益。盡管圖6中的應(yīng)用實(shí)例只有1、8和64這3個(gè)增益設(shè)置值，但可以肯定，與先有技術(shù)結(jié)構(gòu)不同，它可以通過(guò)改變衰減線路電阻比值來(lái)輕易地改變?cè)鲆嬖O(shè)置，還可通過(guò)簡(jiǎn)單地增加更多的電阻衰減器線路和相應(yīng)的增益選擇開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)增加增益設(shè)置數(shù)量，所有這一切都不需要對(duì)運(yùn)算放大器作任何改變。
程序控制增益放大器電路32的固定增益放大器級(jí)60可由一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)運(yùn)算放大器80、82(圖6)構(gòu)成。電路60的固定全放大倍數(shù)與衰減器級(jí)58的不同衰減通路66，68和70相配合，提供所需的整個(gè)增益選擇。對(duì)于圖中所示固定增益為64的放大器級(jí)60，選用了兩個(gè)8倍增益運(yùn)算放大器80和82串聯(lián)，而沒(méi)有選用單一的64倍運(yùn)算放大器，是因?yàn)橛纱丝傻玫捷^低的增益建立總時(shí)間。正如已指出的那樣，再增益衰減器58中的增益設(shè)置通路將不會(huì)影響放大器級(jí)60的建立時(shí)間。
圖6中的程序控制增益放大器32具有的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是在它的輸出級(jí)可以容易地增加一個(gè)自動(dòng)置零電路84，用于自動(dòng)調(diào)整偏壓的設(shè)置，如圖7所示。圖7給出圖6中兩個(gè)輸出放大器80和82的更詳細(xì)的示意圖。一個(gè)運(yùn)算放大器的輸入偏置電壓定義為使輸出電壓為零所必須加到運(yùn)算放大器輸入端之間的差分輸入電壓。在圖7所示偏置電壓調(diào)整電路84中，在衰減器級(jí)58增加了第4個(gè)開(kāi)關(guān)86，它使運(yùn)算放大器80的輸入端能根據(jù)選擇與地相聯(lián)。第3個(gè)運(yùn)算放大器88以積分器結(jié)構(gòu)與運(yùn)算放大器82(見(jiàn)圖)相聯(lián)。運(yùn)算放大器88的反向輸入端通過(guò)開(kāi)關(guān)90和電阻92與運(yùn)算放大器82的輸出端相聯(lián)，而運(yùn)算放大器88的輸出端通過(guò)電阻94與運(yùn)算放大器82的正向端相聯(lián)。電容96與運(yùn)算放大器88并聯(lián)，放在它的反向輸入端和輸出端之間。運(yùn)算放大器88的正向輸入端通過(guò)開(kāi)關(guān)98和電阻100的組合，并通過(guò)電容器106與地相聯(lián)。
在正常運(yùn)行時(shí)(非自動(dòng)置零)，開(kāi)關(guān)86，90和98是打開(kāi)的，而開(kāi)關(guān)44，46和48在譯碼邏輯38的指示下用于為具體輸入信號(hào)選定所需增益。輸出積分放大器88用于保持和提供偏置電壓校正值。所需要的自動(dòng)置零校正值是在一個(gè)間歇負(fù)載循環(huán)周期。(intormittentdutycycle)中的自動(dòng)置零間隔里建立的。在自動(dòng)置零間隔中，開(kāi)關(guān)44，46和48都打開(kāi)，而開(kāi)關(guān)89，90和98閉合，于是電流流通，直到電容96上建立起的電壓值在運(yùn)算放大器82的正向輸入端給出所需要的輸入偏置電壓校正值為止。
如圖6和圖7所示，若在電路32中加一個(gè)可選用的輸入緩沖放大器102，可能會(huì)有好處。如果加了這個(gè)放大器，則可以利用上述同樣原理，參照電路84，引入第2個(gè)自動(dòng)置零回路(圖中未畫出)。對(duì)于輸入緩沖放大器102采用單獨(dú)的自動(dòng)置零回路，而不用輸出自動(dòng)置零電路84來(lái)同時(shí)校正緩沖器102的偏壓，是大有好處的。只有當(dāng)緩沖放大器102出現(xiàn)在可變衰減器58的輸出端時(shí)，才能由自動(dòng)置零電路84來(lái)校正其偏置電壓。這時(shí)，對(duì)每個(gè)設(shè)定的增益必須有不同的偏壓值。然而，如果專為緩沖運(yùn)算放大器102提供第2個(gè)自動(dòng)置零回路，則可保持對(duì)于所有增益值只需一個(gè)偏壓值這一好處。
如參考圖2所討論的那樣，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器16(圖1)將用模數(shù)轉(zhuǎn)換器28與浮點(diǎn)放大器26組合。先有技術(shù)的方法中建立每個(gè)增益需要有各自不同的偏置電壓校正值，它使用一個(gè)單獨(dú)的自動(dòng)置零電路用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的零校正。然而，如圖8所示，根據(jù)本發(fā)明的原理，圖7中的輸出回路可加以修改，從而也為模數(shù)轉(zhuǎn)換器28提供偏壓校正值，因此，便消除了為此目的而單獨(dú)使用一個(gè)自動(dòng)置零電路的必要性。
組合自動(dòng)置零電路104不再需要圖7中電路84的運(yùn)算放大器88、開(kāi)關(guān)90和98、電容96，電阻100，以及電容106。所有其他部件仍然保持，同時(shí)增加一些新部件，如圖8所示，聯(lián)入了一個(gè)數(shù)字零值檢測(cè)邏輯電路108，用于接收模數(shù)轉(zhuǎn)換器16的輸出出。在接收到“置偏壓工作模式(offsetsettingmode)”信號(hào)后，零值檢測(cè)電路108的輸出通過(guò)反向器110和與門112、114聯(lián)接，給可逆平均計(jì)數(shù)器(up/downaveragingeounter)116加以或上(up)或下(down)的脈沖。計(jì)數(shù)器116與一個(gè)可逆偏壓計(jì)數(shù)器(up/downoffsetcounter)118相聯(lián)，送給它上溢(進(jìn)位)信號(hào)和下溢(借位)信號(hào)。計(jì)數(shù)器118借助由電阻94耦合的數(shù)字-模擬(D/A)轉(zhuǎn)換器120向運(yùn)算放大器82的正向輸入端提供所需要的偏壓值。
在各置零間隔之間，由圖8中的組合自動(dòng)置零回路104設(shè)定的上一個(gè)偏壓值將保持不變，存放在可逆偏壓計(jì)數(shù)器118中，并通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器120提供給運(yùn)算放大器82。在自動(dòng)置零間隔期間，關(guān)閉開(kāi)關(guān)86(圖7)將一個(gè)零值輸入信號(hào)加到電路60。理想情況是，對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器16，若為一個(gè)無(wú)偏壓?jiǎn)螛O點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，當(dāng)加以零值模擬電壓時(shí)，其輸出應(yīng)為一個(gè)嚴(yán)格的零值的數(shù)字值。然而，對(duì)于所有實(shí)際系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，即使經(jīng)過(guò)完善的偏壓校正，也會(huì)由于模擬電子電路中的內(nèi)部電子噪聲而出現(xiàn)一些非零讀數(shù)。對(duì)于正態(tài)不相關(guān)噪聲，其正值個(gè)數(shù)應(yīng)于負(fù)值個(gè)數(shù)同樣多。再有，對(duì)于一個(gè)無(wú)偏壓?jiǎn)螛O點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，其負(fù)值會(huì)表現(xiàn)為數(shù)字值零，因此，一個(gè)數(shù)字零檢測(cè)器108通常已足夠用于檢測(cè)零值和負(fù)值。對(duì)于其他類型的轉(zhuǎn)換器，最高有效位或符號(hào)位可用于檢測(cè)偏壓的符號(hào)。利用零檢測(cè)或符號(hào)檢測(cè)電路108的輸出對(duì)平均電路116加以或上或下的脈沖。在經(jīng)過(guò)足夠多的轉(zhuǎn)換之后，一個(gè)純偏壓(或者說(shuō)平均偏壓)將使平均計(jì)數(shù)器116產(chǎn)生上溢(進(jìn)位)或下溢(借位)。每當(dāng)發(fā)生上溢或下溢時(shí)，它將使可逆偏壓計(jì)數(shù)器118分別產(chǎn)生一個(gè)增量或減量。從而校正總體組合電路60和28的任何偏壓誤差。
由前面所述可清楚地看出，本發(fā)明為CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一個(gè)改進(jìn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，它所利用的程序控制增益放大器有一個(gè)可通過(guò)開(kāi)關(guān)切換的電阻衰減器級(jí)，后接一個(gè)固定增益放大器級(jí)，從而比利用先有技術(shù)程序控制增益放大器的傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有顯著的優(yōu)越性。放大器建立時(shí)間不依賴于增益選擇，可得到的增益選擇能容易地加以修改或擴(kuò)充，還能容易地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)置零偏壓校正電路，這些高超技術(shù)表明，上述本發(fā)明的最佳實(shí)施例只是說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的幾個(gè)例子，它可以進(jìn)行多種替換和修改而不偏離如下述權(quán)項(xiàng)要求所規(guī)定的本發(fā)明的精髓和范圍。
權(quán)利要求
1.用于射線影象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路，包括一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃麟娐罚幸粋€(gè)固定增益放大器級(jí)和一個(gè)與其串聯(lián)的電阻可變衰減器級(jí)，根據(jù)該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路接收信號(hào)的大小來(lái)選擇該電阻可變衰減器級(jí)的衰減，從而使該可變?cè)鲆娣糯笃麟娐穼?duì)所述信號(hào)提供一個(gè)選擇的增益。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中還包括一個(gè)程序控制增益放大器電路，其電阻可變衰減器級(jí)提供一組信號(hào)通路，把程序控制增益放大器電路輸入端與固定增益放大器級(jí)輸入端聯(lián)起來(lái)，開(kāi)關(guān)裝置針對(duì)所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路接收的信號(hào)大小來(lái)選定所述通路之一，將所述信號(hào)傳送到所述固定增益放大器級(jí)，從而選定由所述程序控制增益放大器向該信號(hào)提供的增益值。
3.按照權(quán)利要求3的電路，其中所述一組通路由一組電壓分壓器線路組成，放在所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入端，它在把模擬輸入信號(hào)送入所述固定增益放大器級(jí)之前，先對(duì)該輸入信號(hào)有選擇地進(jìn)行分壓。
4.按照權(quán)利要求3中的電路，其中每個(gè)所述通路包括兩個(gè)電阻，串聯(lián)于所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路輸入與地之間，而其中所述開(kāi)關(guān)裝置由一組開(kāi)關(guān)構(gòu)成，每個(gè)通路的兩個(gè)電阻間的結(jié)點(diǎn)與所述固定增益放大器級(jí)輸入端之間用一個(gè)開(kāi)關(guān)連接。
5.按照權(quán)利要求4中的電路，其中的固定增益放大器級(jí)由一組串聯(lián)運(yùn)算放大器組成。
6.按照權(quán)利要求2中的電路，其中還包括周期性地將所述固定增益放大器級(jí)輸入端接地的裝置;一個(gè)自動(dòng)置零電路，用于確定必須給固定增益放大器級(jí)施加的差分輸入電壓，以使該固定增益放大器級(jí)在其輸入端接地時(shí)其輸出電壓為零;還包括把所確定的差分輸入電壓加于所述固定增益放大器級(jí)上的裝置，所述差分輸入電壓作為所述固定增益放大器級(jí)輸入端不接地時(shí)的端入偏壓校正值。
7.按照權(quán)利要求6中的電路，其中所述固定增益放大器級(jí)由第一個(gè)和第二個(gè)彼此串聯(lián)的運(yùn)算放大器組成，其中所述接地裝置由周期性地將所述第一個(gè)運(yùn)算放大器輸入端接地的裝置構(gòu)成;這里所述施加電壓的裝置由把所述差分輸入電壓加于所述第二個(gè)運(yùn)算放大器的裝置構(gòu)成。
8.按照權(quán)利要求7中的電路，其中所述自動(dòng)置零電路包含第3個(gè)運(yùn)算放大器以及將該第3個(gè)運(yùn)算放大器以積分器結(jié)構(gòu)周期性地聯(lián)接在所述第二個(gè)運(yùn)算放大器輸入與輸出端之間的裝置，并且，所述施加電壓的裝置包括一個(gè)電容器，聯(lián)接到所述第二運(yùn)算放大器的輸入端。
9.按照權(quán)利要求2中的電路，其中還包括一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，連接在所述固定增益放大器級(jí)的輸出端;一個(gè)周期性地將所述固定增益放大器級(jí)輸入端接地的裝置，一個(gè)自動(dòng)置零電路，用于確定必須對(duì)固定增益放大器級(jí)施加的差分輸入電壓，以使所述固定增益放大器級(jí)輸入端被接地時(shí)其所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出值為零;還包括一個(gè)將所述差分輸入電壓加到固定增益放大器級(jí)上的裝置，該差分輸入電壓作為當(dāng)所固定增益放大器級(jí)輸入端不接地時(shí)的端入偏壓校正值。
10.按照權(quán)利要求9中的電路，其中所述固定增益放大器級(jí)由第一個(gè)和第二個(gè)彼此串聯(lián)的運(yùn)算放大器組成，其中所述接地裝置包括周期性地將所述第一個(gè)運(yùn)算放大器輸入端接地的裝置，這里所述施加電壓的裝置包括把所述差分輸入電壓加于所述第二個(gè)運(yùn)算放大器的裝置。
11.按照權(quán)利要求10中的電路，其中所述自動(dòng)置零電路包括一個(gè)數(shù)字檢測(cè)邏輯電路、一個(gè)可逆平均計(jì)數(shù)器、一個(gè)可逆偏壓計(jì)數(shù)器以及一個(gè)數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器，它們?nèi)看?lián)在所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端與所述第二個(gè)運(yùn)算放大器的一個(gè)輸入端之間。
12.在一個(gè)射線影象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有一個(gè)前端信號(hào)調(diào)節(jié)器，它把由射線產(chǎn)生的較低電平的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成低阻抗信號(hào);有一個(gè)模擬信號(hào)多路匯集器，沿著一個(gè)共用的通道提供來(lái)自不同檢測(cè)器通道的低阻抗信號(hào);有一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，它包括一個(gè)程序控制增益放大器，用于放大所述共用通道的信號(hào)，其增益值作為信號(hào)大小的函數(shù)來(lái)選定，以及一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將所述被放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，還有一個(gè)數(shù)字控制電路，用于把所述數(shù)字信號(hào)與產(chǎn)生它們的檢測(cè)器聯(lián)系起來(lái);所作的改進(jìn)包括程序控制增益放大器電路有一個(gè)電阻衰減器級(jí)和一個(gè)固定增益放大器級(jí)，其電阻衰減器級(jí)提供一組通路，把程序控制增益放大器輸入端與固定增益放大器級(jí)輸入端聯(lián)接起來(lái)，開(kāi)關(guān)裝置根據(jù)所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路輸入端接收的信號(hào)，擇定所述通路之一，將所述信號(hào)傳送到所述固定增益放大器級(jí)，從而選定所述程序控制增益放大器要向所述信號(hào)提供的增益。
13.按照權(quán)利要求12所述的一種改進(jìn)，其中所述一組通路由一組電壓分壓器通路組成，接在所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器入端，它在把模擬輸入信號(hào)送入所述固定增益放大器級(jí)之前，對(duì)所述信號(hào)有選擇地進(jìn)行分壓。
14.按照權(quán)利要求13所述的一種改進(jìn)，其中每個(gè)所述通路包括兩個(gè)電阻，串聯(lián)于所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路輸入端與地之間;而其中所述開(kāi)關(guān)裝置由一組開(kāi)關(guān)構(gòu)成，每個(gè)通路的兩個(gè)電阻間的結(jié)點(diǎn)與所述固定增益放大器級(jí)的輸入端之間用一個(gè)開(kāi)關(guān)連接。
15.按照權(quán)利要求14所述的改進(jìn)，其中還包括周期性地將所述固定增益放大器級(jí)輸入端接地的裝置;一個(gè)自動(dòng)置零電路，用于確定必須對(duì)固定增益放大器級(jí)施加的差分輸入電壓，以使所述固定增益放大器級(jí)在其輸入端接地時(shí)其輸出電壓為零，還包括把所確定的差分電壓加于所述固定增益放大器級(jí)上的裝置，該差分輸入電壓作為所述固定增益放大器輸入端不接地時(shí)的輸入偏壓校正值。
16.按照權(quán)利要求14所述的改進(jìn)，其中還包括一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，連接在所述固定增益放大器級(jí)的輸出端;一個(gè)周期性地將所述固定增益放大器級(jí)輸入端接地的裝置，一個(gè)自動(dòng)置零電路，用于確定必須對(duì)固定增益放大器施加的差分輸入電壓，以使所述固定增益放大器級(jí)輸入端被接地時(shí)其所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出值為零;還包括將所述差分輸入電壓加到固定增益放大器級(jí)上的裝置，該差分輸入電壓作為當(dāng)所述固定增益放大器級(jí)輸入端不接地時(shí)的輸入偏置電壓校正值。
17.按照權(quán)利要求16所述的改進(jìn)，其中所述自動(dòng)置零電路包括一個(gè)數(shù)字檢測(cè)邏輯電路、一個(gè)可逆平均計(jì)數(shù)器、一個(gè)可逆偏壓計(jì)數(shù)器以及一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它們?nèi)看?lián)在所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端與所述固定放大器級(jí)之間。
18.一個(gè)射線影象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括一組專用的前端信號(hào)調(diào)節(jié)電路，用于接收來(lái)自一組射線檢測(cè)器的各個(gè)模擬輸出信號(hào);數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路，接收來(lái)自所述專用前端信號(hào)調(diào)節(jié)電路的經(jīng)調(diào)節(jié)后的模擬輸出信號(hào)，將這些信號(hào)放大，其增益作為檢測(cè)器輸出信號(hào)大小的函數(shù)，再把它們從模擬形式轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路包括一個(gè)程序控制增益放大器電路，帶有電阻衰減器級(jí)和固定增益放大器級(jí)，其電阻衰減器級(jí)提供一組信號(hào)通路，把程序控制增益放大器輸入端與固定增益放大器級(jí)的輸入端聯(lián)起來(lái)，開(kāi)關(guān)裝置針對(duì)檢測(cè)器輸出信號(hào)的大小來(lái)選定所述通路之一，將所述調(diào)節(jié)過(guò)的信號(hào)送到固定增益放大器級(jí)，從而選定由所述程序控制增益放大器向所述信號(hào)提供的增益值。
19.按照權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述每個(gè)通路包括兩個(gè)電阻，串聯(lián)于所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路輸入端與地之間;而其中所述開(kāi)關(guān)裝置由一組開(kāi)關(guān)組成，每個(gè)通路的兩個(gè)電阻間的結(jié)點(diǎn)與所述固定增益放大器級(jí)輸入端之間用一個(gè)開(kāi)關(guān)連接。
20.按照權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述固定增益放大器級(jí)由第一個(gè)和第二個(gè)串聯(lián)運(yùn)算放大器以及周期性地將所述第一個(gè)運(yùn)算放大器的一個(gè)輸入端接地的裝置;這里所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路還包括一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，聯(lián)于所述第二個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端，一個(gè)自動(dòng)置零電路用于確定必須對(duì)固定增益放大器級(jí)施加的差分輸入電壓，以使所述固定增益放大器級(jí)輸入端被接地時(shí)其所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出值為零;還包括將所確定的差分輸入電壓加到所述第二個(gè)運(yùn)算放大器上的裝置，該差分輸入電壓作為當(dāng)所述第一個(gè)運(yùn)算放大器級(jí)的所述輸入端不接地時(shí)的輸入偏壓校正值。
21.按照權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述自動(dòng)置零電路包括一個(gè)數(shù)字檢測(cè)邏輯電路、一個(gè)可逆平均計(jì)數(shù)器、一個(gè)可逆偏壓計(jì)數(shù)器以及一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它們?nèi)看?lián)在所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端與所述固定放大器級(jí)之間。
全文摘要
用于CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進(jìn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路，它利用了一個(gè)程序控制增益放大器，其增益根據(jù)檢測(cè)器輸入信號(hào)大小由選擇在一個(gè)固定增益放大器輸入端的幾個(gè)電阻分壓器之一來(lái)確定。一個(gè)自動(dòng)置零回路使用一個(gè)積分運(yùn)算放大器對(duì)固定增益放大器的偏置電壓周期性地提供校正值。在一個(gè)修改的實(shí)施例中，提供了一個(gè)自動(dòng)置零回路，用于一起校正固定增益放大器和一個(gè)被串聯(lián)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
文檔編號(hào)H03G3/20GK1035949SQ8810389
公開(kāi)日1989年10月4日 申請(qǐng)日期1988年6月28日 優(yōu)先權(quán)日1987年6月29日
發(fā)明者基豪·錢多阿·阿凱瑞, 波爾·查理斯·恩凱恩 申請(qǐng)人:通用電氣公司