[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.
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.