(19)
(11) EP 0 215 972 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
01.04.1987  Patentblatt  1987/14

(21) Anmeldenummer: 85112072.5

(22) Anmeldetag:  24.09.1985
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)4G10K 11/34
(84) Benannte Vertragsstaaten:
DE FR GB

(71) Anmelder: Hewlett-Packard GmbH
D-71004 Böblingen (DE)

(72) Erfinder:
  • Rudolph, Arno, Dipl.-Ing.
    D-7252 Weil der Stadt (DE)

(74) Vertreter: Schulte, Knud, Dipl.-Ing. 
Hewlett-Packard GmbH Europ. Patent- und Lizenzabteilung Herrenberger Strasse 130
D-71034 Böblingen
D-71034 Böblingen (DE)


(56) Entgegenhaltungen: : 
   
       


    (54) Schaltmatrix


    (57) Eine Schaltmatrix für ein eine Anordnung elektroakustischer Wandlere­lemente enthaltendes Sende-/Empfangsgerät für Ultraschallwellen, bei welchem nacheinander über die Anordnung fortlaufend je eine Gruppe von Wandlerelementen aktiviert werden kann, umfaßt eine der Anzahl von Wandlerelementen einer Gruppe entsprechende Anzahl von Eingängen (K1,K2,K3,K4), die mit jeweils einem der aktivierten Wandlerelemente verbunden sind, eine gleich große Anzahl von Ausgängen (R1,R2,R3,R4), die mit Verzögerungsgliedern verbunden sind und eine Vielzahl von Schaltern (T11,T12, ... ,T44) zum Herstellen der für eine elektroni­sche Fokussierung jeweils erforderlichen Verbindungen zwischen den Eingängen und den Ausgängen. Jede Eingangsleitung (K1) ist mit einer der Anzahl von Wandlerelementen einer Gruppe entsprechenden Anzahl von Schaltern (T11,T12,T13,T14) verbunden. Die Schalter der Schaltmatrix werden durch eine Steuerschaltung (50) über eine der Anzahl von Wand­lerelementen einer Gruppe entsprechenden Anzahl von Steuerleitungen (L1,L2,L3,L4) betätigt, die mit jeweils einer der Anzahl von Wandlere­lementen einer Gruppe entsprechenden Anzahl von Wandlerelementen ver­bunden sind.




    Beschreibung


    [0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltmatrix für ein Sende-/Empfangsgerät für Ultraschallwellen zum Herstellen elektrischer Verbindungen zwi­schen den elektroakustischen Wandlerelementen einer jeweils aktivier­ten Gruppe innerhalb einer Anordnung von Wandlerelementen und Verzöge­rungsgliedern zum Verzögern der aus empfangenen Ultraschallsignalen abgeleiteten Ausgangssignale der Wandlerelemente oder der den Wandler­elementen zum Erregen von Ultraschallschwingungen zugeführten Oszillatorsignale.

    [0002] Eine derartige Schaltmatrix wird vorzugsweise in solchen Sende-/­Empfangsgeräten verwendet, in denen durch entsprechende elektronische Ansteuerung der in einer Reihe angeordneten Wandlerelemente ein Fokus­sierungspunkt erzeugt werden kann. Die einzelnen Wandlerelemente wer­den dabei beim Senden bzw. beim Empfangen über unterschiedlich einge­stellte Verzögerungsglieder so angesteuert, daß die unterschiedlichen Entfernungen der Wandlerelemente zum Fokussierungspunkt kompensiert werden. Beim Senden überlagern sich somit die Ultraschallwellen pha­sengleich im Fokussierungspunkt, während sie sich im übrigen Schall­feld im wesentlichen auslöschen. Um einen möglichst großen Bereich, beispielsweise im Körper eines Patienten, abtasten zu können und um die seitliche Auflösung zu verbessern, werden während unterschiedli­cher Sende-/Empfangsperioden jeweils unterschiedliche Gruppen neben­einanderliegender Wandlererelemente aktiviert, und die Elemente werden jeweils so angesteuert, daß sich für jede Gruppe ein gesonderter Fo­kussierungspunkt ergibt. Wenn die Gruppe aktivierter Wandlerelemente fortlaufend um jeweils ein Wandlerelement verschoben wird, wandert der Fokussierungspunkt längs einer zu den Wandlerelementen parallelen Linie.

    [0003] Um beim Verschieben der Wandlerelementegruppen die einzelnen Wandlere­lemente jeweils mit der zum Erzeugen eines Fokussierungspunktes not­wendigen Verzögerung ansteuern zu können, müssen nach jedem Verschie­ben die jeweiligen Verbindungen zwischen Wandlerelementen und Verzöge­rungsgliedern geändert werden. Zum Herstellen der jeweils vorgeschrie­benen Verbindungen zwischen Wandlerelementen und Verzögerungsgliedern ist eine Vielzahl von Schaltern erforderlich, die üblicherweise in einer Schaltmatrix angeordnet sind.

    [0004] Eine Schaltmatrix der genannten Art ist bekannt aus DE-PS 24 24 582. Die bekannte Schaltmatrix wird in einem Sende-/Empfangsgerät für Ul­traschallwellen verwendet, bei welchem jeweils sechs Wandlerelemente gleichzeitig aktiviert sind. Die Verzögerungszeiten für das erste und das sechste Wandlerelement einer Gruppe, für das zweite und das fünfte Element sowie für das dritte und das vierte Element sind jeweils gleich groß, so daß der sich ergebende Fokussierungspunkt auf der Mit­telsenkrechten zu der jeweils aktivierten Wandlerelementegruppe liegt.

    [0005] Mit der Wandlerelementeanordnung ist eine Auswahlschaltung verbunden, die eingangsseitig eine Vielzahl von jeweils mit einem Wandlerelement verbundenen Auswahlschaltern und ausgangsseitig sechs mit der Schalt­matrix verbundene Ausgangsleitungen aufweist. Beim Verschieben der Wandlerelementegruppe um ein Wandlerelement wird jeweils der mit dem ersten Wandlerelement der im vorhergehenden Schritt aktivierten Gruppe verbundene Auswahlschalter geöffnet und der dem letzten Wandlerelement der neu zu aktivierenden Gruppe zugeordnete Auswahlschalter geschlos­sen. Auf diese Weise müssen beim Weiterschalten der Wandlerelemente­gruppe jeweils nur zwei Auswahlschalter betätigt werden. Die von den Wandlerelementen empfangenen Echosignale werden auf den sechs Aus­gangsleitungen zu der Schaltmatrix übertragen, welche die Ausgangslei­tungen jeweils mit den für eine Fokussierung erforderlichen Verzöge­rungsgliedern verbindet. Infolge der geschilderten Art der Weiter­schaltung der Wandlerelementegruppe muß die Zuordnung der Ausgangs­leitungen der Auswahlschaltung zu den verschiedenen Verzögerungsglie­dern von Schritt zu Schritt geändert werden.

    [0006] Zu diesem Zweck weist die bekannte Schaltmatrix 18 Schalter auf, von denen jeweils drei eingangsseitig mit jeweils einer der sechs Aus­gangsleitungen der Auswahlschaltung und jeweils sechs ausgangsseitig mit jeweils einer von drei verschiedenen Verzögerungsgliedern verbun­den sind. Die Steuerschaltung zum Betätigen der einzelnen Schalter weist eine Vielzahl von Logikschaltungen, wie etwa NAND-Gatter, und eine große Anzahl weiterer elektronischer Bauelemente, beispielsweise Transistoren, auf, so daß sich insgesamt ein hoher Schaltungsaufwand ergibt. Der Schaltungsaufwand würde zudem noch stark ansteigen, wenn zum Erreichen einer höheren Auflösung die Anzahl der Wandlerelemente einer Gruppe vergrößert würde.

    [0007] Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltma­trix der eingangs genannten Art zu schaffen, welche mit einer einfa­cheren Steuerschaltung auskommt.

    [0008] Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.

    [0009] Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß durch geeignete Wahl der Anzahl von Schaltern und eine entsprechende Gruppierung dieser Schal­ter auch bei einer viel größeren Anzahl von Wandlerelementen einer Gruppe eine sehr übersichtliche Schaltmatrix aufgebaut werden kann, die mit einer wesentlich einfacheren Steuerschaltung auskommt.

    [0010] Gemäß der Erfindung sind die Schalter der Schaltmatrix gruppenweise derart angeordnet, daß jede Schaltergruppe eine der Anzahl von Wand­lerelementen einer Wandlerelementegruppe entsprechende Zahl m von Schaltern aufweist und daß jede Schaltergruppe eingangsseitig verbun­den ist mit jeweils einem Wandlerelement der jeweils aktivierten Wand­lerelementegruppe. Unter der Annahme einer fortlaufenden Numerierung der Schalter einer jeden Schaltergruppe von 1 bis m sind die Schalter gleicher Numerierung verschiedener Schaltergruppen ausgangsseitig je­weils miteinander verbunden und bilden eine der Anzahl von Elementen einer Gruppe entsprechende Anzahl m von Ausgängen, die jeweils mit den vorgeschriebenen Verzögerungsgliedern verbunden sind. Die erfindungs­gemäße Schaltmatrix weist weiterhin eine der Anzahl von Wandlerelemen­ten einer Gruppe entsprechende Zahl m von Steuerleitungen auf, von denen jede mit m Schaltern aus den m verschiedenen Schaltergruppen derart verbunden ist, daß mit jeweils einer Steuerleitung Schalter jeder Numerierung verbunden sind. Die Steuerleitungen erhalten beim Aktivieren einer jeweils anderen Gruppe von Wandlerelementen von einer Steuerschaltung auf jeweils einer anderen Steuerleitung ein Steuersig­nal, so daß die mit dieser Steuerleitung verbundenen m Schalter ge­schlossen und die übrigen Schalter der Schaltmatrix geöffnet werden.

    [0011] Da bei der erfindungsgemäßen Schaltmatrix die erforderlichen Änderun­gen der Schalterzustände beim Aktivieren einer neuen Wandlerelemente­gruppe in einfacher Weise dadurch bewirkt werden können, daß auf je­weils einer einzigen unmittelbar mit den Steuereingängen der Schalter verbundenen Steuerleitung ein Signal abgegeben wird, kann die Steuer­schaltung sehr einfach aufgebaut sein und benötigt insbesondere keine Logikgatter oder anderen elektronischen Bauelemente für die Verknüp­fung von Steuersignalen. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemä­ßen Schaltmatrix besteht in ihrer einfachen Struktur, die ein problem­loses Übertragen des Prinzips auf jede beliebige Anzahl m von Wandle­relementen einer Gruppe ermöglicht. Aufgrund ihrer übersichtlichen symmetrischen Struktur läßt sich die Schaltmatrix besonders einfach als integrierte Schaltung auf einem Halbleiterchip anordnen.

    [0012] Gemäß Anspruch 2 können die Schalter in Zeilen und Spalten als quadra­tische Matrix angeordnet werden, so daß sich eine kompakte und platz­sparende Schaltmatrix ergibt.

    [0013] Gemäß Anspruch 3 kann die Anzahl der Ausgangsleitungen der Schaltma­trix um die Hälfte reduziert werden, wenn der Fokussierungspunkt auf der Mittelsenkrechten der jeweils aktivierten Wandlerelementegruppe liegt.

    [0014] In den Ansprüchen 4 und 5 sind besonders einfache Ausführungsmöglich­keiten für die Steuerschaltung angegeben. Demnach kann die Steuer­schaltung an eine beliebige Anzahl von Wandlerelementen einer Gruppe angepaßt werden, indem für jedes zusätzliche Wandlerelement ein zu­sätzliches Flipflop hinzugefügt wird.

    [0015] Gemäß Anspruch 7 kann die Schaltmatrix nicht nur bei der Verarbeitung empfangener Ultraschallimpulse, sondern auch beim Aussenden von Impul­sen zum Erzeugen eines fokussierten Ausgangsstrahles verwendet werden. Dazu ist die Schaltmatrix mit umgekehrter Signalübertragungsrichtung derart zu betreiben, daß auf den Ausgangsleitungen verzögerte Oszilla­torsignale zum Erregen der Wandlerelemente anliegen. Gegebenenfalls ist dabei gegenüber dem Empfangsbetrieb die Reihenfolge umzukehren, in der die Verschiedenen Steuersignale an die Steuerleitungen angelegt werden.

    [0016] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

    Figur 1: eine schematische Darstellung einer linearen Anordnung von Ultraschallwandlerelementen und damit verbundenen Verzöge­rungsgliedern zum Erläutern des Prinzips der elektronischen Fokussierung,

    Figur 2: ein Blockschaltbild eines Sende-/Empfangsgerätes für Ultra­schallwellen, in welchem die erfindungsgemäße Schaltmatrix eingesetzt ist,

    Figuren 3a bis 3e: schematisch die durch die erfindungsgemäße Schaltmatrix in fünf aufeinanderfolgenden Schritten jeweils hergestellten Verbindungen zwischen Wandlerelementen und Ver­zögerungsgliedern für eine Gruppe von vier gleichzeitig akti­vierten Wandlerelementen,

    Figure 4: ein Schaltungsdiagramm der Schaltmatrix gemäß den Figuren 3a bis 3e einschließlich der Steuerleitungen und der Steuer­schaltung, und

    Figur 5: eine Steuerschaltung für die erfindungsgemäße Schaltmatrix.



    [0017] In Figur 1 wird das Prinzip der elektronischen Fokussierung am Bei­spiel einer Gruppe von vier jeweils gleichzeitig aktivierten Wandlere­lementen erläutert. Die Gruppe gleichzeitig aktivierter Wandlerelemen­te wird im folgenden als Apertur bezeichnet. Es versteht sich, daß die Apertur aus einer beliebigen Anzahl von Wandlerelementen bestehen kann, wobei die seitliche Auflösung des gewonnenen Ultraschallbildes umso größer ist, je größer die Anzahl der Wandlerelemente der Apertur ist.

    [0018] Die in einer Reihe angeordneten Wandlerelement 1,2,3,4,5, ...,n ge­mäß Figur 1 werden von Anregungssignalen auf den jeweils mit den Wand­lerelementen verbundenen Leitungen A1, A2, A3 und A4 zum Aussenden von Ultraschallimpulsen angeregt. Die Anregungssignale sind mittels Verzö­gerungsschaltungen 11, 12, 13 und 14 derart zueinander verzögert, daß die von den Wandlerelementen 1,2,3 und 4 in einer ersten Sende-/­Empfangsperiode ausgesandten Wellen sich in einem Fokussierungspunkt F1 gleichphasig überlagern. Ebenso kann auch beim Empfangen der von einem Testobjekt reflektierten Ultraschallsignale eine Fokussierung erreicht werden, indem die elektrischen Ausgangssignale der Wandlere­lemente jeweils so verzögert werden, daß Laufzeitdifferenzen der von einem Fokussierungspunkt F1 ausgehenden und von verschiedenen Wandle­relementen empfangenen Ultraschallsignale kompensiert werden. Beim Empfang der reflektierten Ultraschallsignale kann die Tiefe des Fokus­sierungspunktes, also der senkrechte Abstand des Fokussierungspunktes F1 von der linearen Anordnung von Wandlerelementen kontinuierlich variiert werden, wenn während des Empfanges die Verzögerungszeiten mit dem Echo mitlaufen. Auf diese Weise erhält man eine "dynamische Fokus­sierung", d. h. einen den gesamten untersuchten Tiefenbereich über­streichenden Fokussierungspunkt.

    [0019] In der folgenden Sende-/Empfangsperiode wird die Apertur um ein Wand­lerelement weitergeschaltet, so daß die Elemente 2 bis 5 aktiviert werden, während das Element 1 nicht mehr aktiviert ist. Bei dieser neuen Einstellung (nicht dargestellt) werden nun die Elemente 2 bis 5 jeweils mit den Verzögerungen angesteuert, mit denen in der vorherge­henden Sende-/Empfangsperiode die Elemente 1 bis 4 angesteuert wurden, so daß sich ein um ein Wandlerelement nach rechts verschobener neuer Fokussierungspunkt ergibt.

    [0020] In Figur 2 ist ein Sende-/Empfangsgerät für Ultraschallwellen darge­stellt, in welchem die erfindungsgemäße Schaltmatrix verwendet wird. Eine Anzahl n in einer Reihe angeordneter Wandlerelement 1,2,3, .., n ist mit einer Auswahlschaltung 20 verbunden, die in verschiedenen Sen­de-/Empfangsperioden die jeweils aktivierten Wandlerelemente mit Aus­gangsleitungen L1, ... , L24 verbindet. Die Auswahlschaltung 20 ent­hält eine der Gesamtzahl von Wandlerelementen entsprechende Zahl n von jeweils mit einem Wandlerelement verbundenen Auswahlschaltern. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind 128 Wandlerelemente vor­gesehen, von denen in einer Sende-/Empfangsperiode jeweils 24 neben­einanderliegende Wandlerelemente gleichzeitig aktiviert werden. Ent­sprechend sind bei diesem Beispiel 24 Ausgangsleitungen L1, ... , L24 mit der Auswahlschaltung verbunden. Eine Sende-/Empfangsweiche 22 er­möglicht es, wahlweise entweder Sendeimpulse aus einem Sendezweig 24,26,28,30 den Wandlerelementen zuzuführen oder die aus empfangenen Echosignalen abgeleiteten Ausgangssignale der Wandlerelemente einem Empfangszweig zur weiteren Signalverarbeitung zuzuführen.

    [0021] Der Empfangszweig umfaßt folgende Baugruppen: Eine mit der Sende-/­Empfangsweiche 22 verbundene Schaltung 32 dient zum Vorverstärken und zur zeitabhängigen Verstärkung der Echosignale in Abhängigkeit von der jeweils nach dem Aussenden eines Ultraschallimpulses verstrichenen Zeit. Durch die kontinuierliche Anpassung des Verstärkungsfaktors wird der Dynamikbereich der empfangenen Signale verringert und damit die weitere Signalverarbeitung vereinfacht. Die derart verstärkten Signale werden dann der Schaltmatrix 34 zugeführt und von dieser auf eine der Anzahl von Eingangsleitungen entsprechende Zahl von Ausgängen geschal­tet. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die 24 Ausgangs­leitungen R1, ..., R24 paarweise miteinander verbunden, und zwar ist die erste Leitung R1 mit der letzten Leitung R24, die zweite Leitung R2 mit der vorletzten R23, usw., verbunden.

    [0022] Mit den sich so ergebenden zwölf Ausgängen sind jeweils Verzögerungs­glieder V1, V2, ... , V12 verbunden, deren Verzögerungszeiten zum Er­reichen einer elektronischen Fokussierung entsprechend aufeinander abgestimmt sind. Zum Ermöglichen einer dynamischen Fokussierung können die Verzögerungszeiten der einzelnen Verzögerungsglieder außerdem noch durch eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) kontinuierlich oder in kleinen Schritten verstellt werden. Die Verzögerungsglieder V1, ..., V12 sind mit einer Summierschaltung 40 zum Ableiten eines der Summe der verzögerten Signale entsprechenden Summensignales verbunden. Das Summensignal wird anschließend in einer Schaltung 42 weiterverarbeitet und in ein Digitalsignal umgewandelt, welches in weiteren Schaltungen aufbereitet wird, so daß schließlich aus den empfangenen Echosignalen eine bildliche Darstellung des untersuchten Objektes, beispielsweise des Körperinneren eines Patienten, erzeugt werden kann.

    [0023] Der bereits erwähnte Sendezweig umfaßt einen Pulsgenerator 28, der von einer Sendesteuerung 30 zu vorgeschriebenen Zeitpunkten zur Abgabe von Sendeimpulsen angeregt wird. Die Sendeimpulse werden Verzögerungs­schaltungen 26 zugeführt, in welchen sie in der zum Erzeugen eines Fokussierungspunktes vorgeschriebenen Weise verzögert werden. Die ver­zögerten Sendesignale werden anschließend einer Schaltmatrix 24 zuge­führt, welche jeweils Verbindungen herstellt zwischen ihren Eingängen und ihren Ausgängen, so daß die Wandlerelemente einer jeweils akti­vierten Wandlerelementegruppe mit der erforderlichen Verzögerung ange­steuert werden. Die Schaltmatrix 24 im Sendezweig hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Schaltmatrix 34 im Empfangszweig.

    [0024] In den Figuren 3a bis 3e sind das gruppenweise Weiterschalten der Aperturelemente und die jeweils durch die Schaltmatrix 34 hergestell­ten Verbindungen für eine Apertur mit vier Wandlerelementen anhand von fünf aufeinanderfolgenden Schritten erläutert. In dem ersten Schritt gemäß Figur 3a sind die Wandlerelemente 1,2,3 und 4 jeweils mit einem von vier Kanälen K1,K2,K3,K4 verbunden. Die Verbindungen zwischen den Wandlerelementen und den Kanälen K1 bis K4 werden jeweils durch die Auswahlschaltung 20 hergestellt, die der Übersichtlichkeit halber hier weggelassen wurde. Die Schaltmatrix 34 enthält sechzehn Schalter T11, T12, ..., T44, die ausgangsseitig entsprechend einem nachfolgend erläuterten Schema miteinander verbunden sind, sowie vier mit den Steuereingängen der Schalter verbundene Steuerleitungen (nicht dargestellt), die mit einer Steuerschaltung zum Betätigen der Schalter verbunden sind. Die Schalter sind in vier Schaltergruppen zu je vier Schaltern angeordnet, wobei die Schaltergruppen eingangsseitig jeweils mit einem anderen Kanal verbunden sind.

    [0025] Gemäß Figur 3a sind diejenigen Schalter der Schaltmatrix, die jeweils gleiche Numerierung in verschiedenen Schaltergruppen haben, ausgangs­seitig miteinander verbunden und bilden jeweils eine gemeinsame Aus­gangsleitung. So sind die jeweils an erster Stelle in den Schalter­gruppen auftretenden Schalter T11, T21, T31 und T41 miteinander ver­bunden und bilden eine gemeinsame Ausgangsleitung R1. Entsprechend sind die an zweiter, dritter bzw. vierter Stelle auftretenden Schalter miteinander verbunden und bilden jeweils Ausgangsleitungen R2, R3 bzw. R4. Die Numerierung der Schalter in einer Schaltergruppe könnte ebenso von rechts nach links verlaufen. Wesentlich ist nur, daß für jede Schaltergruppe die gleiche Numerierung gewählt wird.

    [0026] Die Ausgangsleitungen R1 und R4 sowie die Ausgangsleitungen R2 und R3 sind jeweils miteinander verbunden und die verbundenen Leitungen sind jeweils mit Verzögerungsgliedern V1 bzw. V2 verbunden. Dadurch sind die Verzögerungszeiten für die Wandlerelemente 1 und 4 sowie für die Wandlerelemente 2 und 3 jeweils gleich groß, so daß sich ein auf der Mittelsenkrechten zu der Wandlerelementegruppe liegender Fokussie­rungspunkt ergibt. Die beschriebenen Verbindungen der Ausgänge der Schaltmatrix mit den Verzögerungsgliedern gelten auch für die Schritte gemäß Figuren 3b bis 3e, sind jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

    [0027] Für Aperturen mit einer anderen Anzahl m von Wandlerelementen weist die erfindungsgemäße Schaltmatrix eine dieser Anzahl entsprechende Zahl m von Schaltergruppen mit jeweils derselben Anzahl m von Schal­tern auf. Jede der m Schaltergruppen ist über jeweils einen Kanal über die Auswahlschaltung mit einem der jeweils aktivierten m Wandlerele­mente verbunden. Die m Schalter verschiedener Schaltergruppen mit je­weils gleicher Numerierung sind ausgangsseitig miteinander verbunden und bilden jeweils eine von m Ausgangsleitungen, die wiederum mit ent­sprechenden Verzögerungsgliedern verbunden sind.

    [0028] Im nächsten Schritt gemäß Figur 3b wird durch die Auswahlschaltung das Wandlerelement 5 anstelle des Elementes 1 mit dem Kanal K1 verbunden, während die anderen Verbindungen beibehalten werden. Dadurch wandert der entsprechende Fokussierungspunkt um ein Wandlerelement nach rechts. In den folgenden Schritten gemäß Figuren 3c bis 3e wird die Gruppe aktivierter Wandlerelemente um jeweils ein Element nach rechts verschoben, indem jeweils eine Verbindung hergestellt wird zwischen dem neu zu aktivierenden Wandlerelement und demjenigen Kanal, der in dem vorhergehenden Schritt mit dem am weitesten links liegenden Wand­lerelement verbunden war. Diese Art des Weiterschaltens hat unter an­derem den Vorteil, daß bei jedem neuen Schritt immer nur eine einzige schon bestehende Verbindung zwischen einem Wandlerelement und einem Kanal aufgetrennt und nur eine einzige neue Verbindung hergestellt werden muß.

    [0029] Wie in den Figuren 3a bis 3e dargestellt, ist bei jedem Schritt je­weils nur ein Schalter einer Schaltergruppe geschlossen und bei dem jeweils folgenden Schritt ist der zu diesem Schalter auf der linken Seite benachbarte Schalter geschlossen, so daß nach vier Schritten (Figur 3e) die ursprünglichen Schalterstellungen (Figur 3a) wieder erreicht sind. Das Öffnen und Schließen der Schalter läßt sich veran­schaulichen als Wandern des jeweils geschlossenen Schalters entlang einer Schaltergruppe, wobei auf das Schließen des letzten Schalters einer Schaltergruppe im nächsten Schritt das Schließen des ersten Schalters dieser Gruppe folgt. Die Steuereingänge der bei einem be­stimmten Schritt jeweils geschlossenen Schalter sind durch jeweils eine Steuerleitung (nicht dargestellt) miteinander verbunden, so daß diese Schalter durch Abgeben eines einzigen Steuersignales auf dieser Steuerleitung gemeinsam betätigt werden können.

    [0030] In Figur 4 ist die Schaltmatrix gemäß den Figuren 3a bis 3e als qua­dratische Matrix mit den zugehörigen Steuerleitungen und mit einer Steuerschaltung 50 dargestellt. Die vier mit jeweils einem der Ein­gangskanäle K1,K2,K3,K4 verbundenen Schaltergruppen sind in Spalten angeordnet. Die Schalter gleicher Numerierung innerhalb der einzelnen Schaltergruppen bilden die Zeilen der Matrix, die mit jeweils einer der vier Ausgangsleitungen R1,R2,R3,R4 verbunden sind. Jede der vier Steuerleitungen L1,L2,L3,L4 ist mit den Steuereingängen von vier Schaltern verbunden, wobei jeweils einer Steuerleitung Schalter aus jeder Zeile und aus jeder Spalte zugeordnet sind. Die Steuerleitung L1 ist verbunden mit den Steuereingängen der vier in der Hauptdiagonalen der Schaltmatrix angeordneten Schalter T11, T22, T33, T44 , die Steuer­leitung L2 ist verbunden mit den Steuereingängen der drei in der er­sten Nebendiagonalen angeordneten Schalter T21,T32,T43 und mit dem Steuereingang des Schalters T14 der letzten Nebendiagonale unterhalb der Hauptdiagonalen, die Steuerleitung L3 ist verbunden mit den Steu­ereingängen der beiden Schalter T31 und T42 der zweiten Nebendiagonale oberhalb der Hauptdiagonalen und mit den Steuereingängen der beiden Schalter T13 und T24 der vorletzten Nebendiagonalen unterhalb der Hauptdiagonalen und die Steuerleitung L4 ist verbunden mit dem Steuer­eingang des Schalters T41 der dritten Nebendiagonale oberhalb und mit den Steuereingängen der drei Schalter T12,T23, T34 der drittletzten Nebendiagonale unterhalb der Hauptdiagonalen.

    [0031] Die Steuerschaltung 50 gibt nacheinander jeweils bei einem neuen Schritt auf den Steuerleitungen L1,L2,L3 und L4 und anschließend wie­der auf L1 jeweils ein Steuersignal ab, welches bewirkt, daß die mit der jeweiligen Steuerleitung verbundenen Schalter geschlossen werden, während die übrigen Schalter geöffnet sind. Dadurch ergeben sich je­weils die in den Figuren 3a bis 3e dargestellten Schalterzustände.

    [0032] Bei einer beliebigen Anzahl m von Aperturelementen weist die erfin­dungsgemäße Schaltmatrix eine Anzahl von m² Schaltern auf, wobei die m Eingangskanäle K1, K2, ..., Km jeweils mit den Eingängen der Schal­ter einer Spalte und die m Ausgangsleitungen R1, R2, ... , Rm jeweils mit den Ausgängen der Schalter einer Zeile verbunden sind. Der Steuer­eingang jedes Schalters ist mit einer von m Steuerleitungen L1, L2, L3, ..., Lm derart verbunden, daß für jede Spalte sämtliche Schalter dieser Spalte mit einer jeweils anderen Steuerleitung verbunden sind und daß für jede Zeile sämtliche Schalter dieser Zeile mit einer je­weils anderen Steuerleitung verbunden sind. Dies kann beispielsweise wie in der Schaltmatrix gemäß Figur 4 dadurch erreicht werden, daß jeweils die Schalter zweier Diagonalen, die eine Gesamtzahl von m Schaltern aufweisen, mit jeweils einer Steuerleitung verbunden sind, d.h. die Steuereingänge der Schalter der Hauptdiagonalen sind mit einer Steuerleitung L1 verbunden, die Steuereingänge der Schalter der ersten Nebendiagonalen oberhalb und der letzten Nebendiagonalen unter­halb der Hauptdiagonalen sind mit einer zweiten Steuerleitung L2 ver­bunden, usw. In diesem Fall werden die vorgeschriebenen Verbindungen zwischen Eingangskanälen und Ausgängen hergestellt, indem nacheinander auf den Steuerleitungen L1,L2, ...,Lm jeweils ein Steuersignal abge­geben wird.

    [0033] Es ist kein notwendiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die Schalter geometrisch in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Wesentlich ist ausschließlich die Art der elektrischen Verbindungen der Schalter untereinander und mit den Steuerleitungen. Eine Anordnung in Zeilen und Spalten erlaubt einen einfachen Schaltungsaufbau und ermöglicht eine übersichtliche Beschreibung der Vielzahl von elektrischen Verbin­dungen bei der erfindungsgemäßen Schaltmatrix.

    [0034] Anhand von Figur 5 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Steu­erschaltung 50 für eine Apertur von m Wandlerelementen erläutert. Die Steuerschaltung enthält im wesentlichen eine der Anzahl von Wandlere­lementen einer Gruppe entsprechende Zahl hintereinandergeschalteter Flipflops F1, F2, ..., Fm , deren Takteingänge CLK auf einer Leitung CLOCK ein Taktsignal und deren Rücksetzeingänge RST auf einer Leitung RESET ein Rücksetzsignal erhalten. Der invertierte Ausgang des ersten Flipflops F1 ist mit dem D-Eingang des zweiten Flipflops F2 und mit der Steuerleitung L1 verbunden. Der nicht-invertierte Ausgang des zweiten Flipflops F2 ist mit dem D-Eingang des dritten Flipflops F3 und mit der Steuerleitung L2 verbunden. Entsprechend ist jeweils der nicht-invertierte Ausgang jedes folgenden Flipflops mit dem D-Eingang des jeweils folgenden Flipflops und mit einer Steuerleitung verbunden. Der invertierte Ausgang des letzten Flipflops Fm ist mit dem D-Eingang des ersten Flipflops F1 und der nicht-invertierte Ausgang ist mit der Steuerleitung Lm verbunden.

    [0035] Somit kann die Steuerschaltung in einfacher Weise für größere Apertu­ren ausgebaut werden, indem jeweils ein weiteres Flipflop pro zusätz­lichem Aperturelement angefügt wird.

    [0036] Die Steuersignale auf den Steuerleitungen L1, L2, L3, L4, ... werden folgendermaßen erzeugt: Zunächst werden sämtliche Flipflops zurückge­setzt, so daß am nicht-invertierten Ausgang (Q) jedes Flipflops je­weils ein Signal mit dem logischen Zustand "0" (niedriger Pegel) an­liegt. Infolgedessen wird am invertierten Ausgang (

    ) des Flipflops F1 und damit auf der Steuerleitung L1 ein Signal mit dem logischen Zu­stand "1" (hoher Pegel) abgegeben, welches bewirkt, daß die dieser Steuerleitung zugeordneten Schalter geschlossen werden, während alle übrigen Schalter geschlossen sind. Beim nächsten Taktimpuls erhält das erste Flipflop F1 ein Signal mit dem Zustand "1", da es vom inver­tierten Ausgang des letzten Flipflops Fm gespeist wird. Am invertier­ten Ausgang des ersten Flipflops F1 erscheint daraufhin ein Signal mit dem Zustand "0", am nicht-invertierten Ausgang des zweiten Flipflops F2 ein Signal mit dem Zustand "1" und an den nicht-invertierten Aus­gängen der übrigen Flipflops jeweils ein Signal mit dem Zustand "0". In den folgenden Taktzyklen wird ein Signal mit dem Zustand "1" je­weils dem nächsten Flipflop in der Reihe zugeführt, so daß in unter­schliedlichen Taktzyklen auf jeweils einer anderen Steuerleitung ein Signal mit dem Zustand "1" anliegt. Wenn das letzte Flipflop Fm in der Reihe ein Signal mit dem Zustand "1" erhalten hat, wird im näch­sten Schritt wieder dem ersten Flipflop F1 ein Signal mit dem Zustand "1" zugeführt, so daß der vorstehend Prozeß von neuem beginnt.


    Ansprüche

    1. Schaltmatrix für ein die folgenden Bestandteile aufweisendes Sende-/Empfangsgerät für Ultraschallwellen:
    - eine Anordnung elektroakustischer Wandlerelemente (1,2,...,n), welche zum Aussenden und/oder zum Empfangen von Utraschallim­pulsen aktiviert werden können,
    - Mittel zum derartigen Ansteuern der Wandlerelemente, daß nach­einander über die Anordnung fortlaufend je eine Gruppe von Wand­lerelementen aktiviert werden kann,
    - eine Anzahl von Verzögerungsgliedern (V1, V2) zum derartigen Ver­zögern der aus empfangenen Ultraschallsignalen abgeleiteten Aus­gangssignale der Wandlerelemente, daß die Laufzeitdifferenzen zwischen den von einem gemeinsamen Fokussierungspunkt (F1) re­flektierten und von verschiedenen Wandlerelementen der jeweils aktivierten Gruppe empfangenen Ultraschallsignale kompensiert werden,
    mit folgenden Merkmalen:

    a) die Schaltmatrix enthält eine Vielzahl von Schaltern (T11, T12, ... , T44) mit jeweils einem Eingang, einem Ausgang und einem Steuereingang zum Ändern des Schaltzustandes des Schalters,

    b) jedes Wandlerelement der jeweils aktivierten Gruppe ist über je eine Eingangsleitung (K1;K2;K3;K4) mit je einer Schaltergruppe (T11,T12,T13,T14; T21,T22,T23,T24; T31,T32,T33,T34;
    T41,T42,T43,T44) aus einer der Anzahl der Wandlerelemente einer Gruppe entsprechenden Anzahl (m) fortlaufend numerierter Schal­ter verbunden,

    c) die Ausgänge von jeweils einer der Anzahl der Wandlerelement einer Gruppe entsprechenden Anzahl (m) von Schaltern (T11,T21,T31,T41; T12,T22,T32,T42; T13,T23,T33,T43;
    T14,T24,T34,T44) gleicher Numerierung der verschiedenen Schal­tergruppen sind miteinander jeweils zu einer gemeinsamen Aus­gangsleitung (R1;R2;R3;R4) verbunden,

    d) es ist eine der Anzahl der Wandlerelemente einer Gruppe entspre­chende Anzahl (m) von Steuerleitungen (L1;L2;L3;L4) vorgesehen, von denen jede jeweils die Steuereingänge einer der Anzahl der Wandlerelemente einer Gruppe entsprechenden Anzahl (m) von Schaltern der verschiedenen Schaltergruppen mit jeweils anderer Numerierung miteinander verbindet, und

    e) eine mit den Steuerleitungen (L1;L2;L3;L4) verbundene Steuer­schaltung (50) gibt beim Aktivieren einer jeweils anderen Gruppe von Wandlerelementen jeweils auf einer anderen Steuerleitung ein Signal zum Ändern des Schaltzustandes der mit dieser Steuerlei­tung verbundenen Schalter ab, so daß die sich in ihrer Numerie­rung innerhalb der Gruppen von Wandlerelementen entsprechenden Wandlerelemente über die Schaltmatrix jeweils mit denselben Ver­zögerungsgliedern verbunden werden.


     
    2. Schaltmatrix nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    - die Schalter (T11,T12, ... , T44) in Zeilen und Spalten angeord­net sind,
    - die Eingangsleitungen (K1;K2;K3;K4) jeweils mit den Eingängen der Schalter (T11,T12,T13,T14; usw.) einer Spalte verbunden sind,
    - die Ausgangsleitungen (R1;R2;R3;R4) jeweils mit den Ausgängen der Schalter (T11,T21,T31,T41; usw.) einer Zeile verbunden sind, und
    - die Steuerleitungen (L1;L2;L3;L4) jeweils derart mit den Steuer­eingängen der Schalter verbunden sind, daß einer Steuerleitung (L1;L2;L3;L4) jeweils Schalter (T11,T22,T33,T44;
    T14,T21,T32,T43; T13,T24,T31,T42; T12, T23,T34,T41) aus jeder Zei­le und aus jeder Spalte zugeordnet sind.
     
    3. Schaltmatrix nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Ausgangsleitungen (R1;R2;R3;R4) der Schaltmatrix paarweise miteinander verbunden sind (R1 mit R4; R2 mit R3) entsprechend der symmetrischen Lage des jeweiligen Fokussierungspunktes zu den je­weils aktivierten Wandlerelementen.
     
    4. Schaltmatrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Steuerschaltung (50) ein Schieberegister umfaßt, dessen Parallelausgänge mit jeweils einer Steuerleitung (L1;L2;L3;L4) ver­bunden sind.
     
    5. Schaltmatrix nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    - die Steuerschaltung (50) eine der Anzahl der Wandlerelemente ei­ner Gruppe entsprechende Anzahl (m) hintereinandergeschalteter Flipflops (F1;F2; ...;Fm) mit jeweils einem D-Eingang, einem nicht-invertierten Ausgang (Q) und einem invertierten Ausgang (

    ) enthält,
    - der invertierte Ausgang (

    ) des ersten Flipflops (F1) mit der ersten Steuerleitung (L1) und mit dem D-Eingang des zweiten Flip­flops (F2) verbunden ist,
    - die nicht-invertierten Ausgänge (Q) der übrigen Flipflops (F2, ... , Fm) jeweils mit einer Steuerleitung (L2, ... ,Lm) ver­bunden sind, und
    - der invertierte Ausgang (

    ) des letzten Flipflops (Fm) mit dem D-­Eingang des ersten Flipflops (F1) verbunden ist.
     
    6. Schaltmatrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Schalter (T11,T12, ... , T44) MOS-Feldeffekttransistoren umfassen mit jeweils einem Source-Eingang, einem Drain-Ausgang und einem mit einer der Steuerleitungen verbundenen Gate-Eingang.
     
    7. Verwendung der Schaltmatrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche im Sendeteil eines Sende-/Empfangsgerätes für Ultraschallwellen für das derartige Durchschalten relativ zueinander verzögerter Oszilla­torsignale zu den jeweiligen Wandlerelementen einer Wandlerelemen­tegruppe, daß die von den Wandlerelementen ausgesandten Ultra­schallwellen sich in einem gemeinsamen Fokussierungspunkt verstärken.
     




    Zeichnung

























    Recherchenbericht