CN107126639A - 高频率高精度超声理疗发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频率高精度超声理疗发生器，其包括单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗匹配模块、信号采集与控制模块和电路保护模块；DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗匹配模块和超声换能器依次相连接，该超声换能器与信号采集与控制模块相连接，单片机模块分别与DDS信号生成模块、电路保护模块和信号采集与控制模块相连接。本发明的电路架构设计巧妙、合理，根据人体理疗的特点，采用高频率的超声波振动信号，使得人体某些疼痛位置得到快速康复。根据人体理疗的安全性等要求，合理构建了大于1MHz高频率信号生成的驱动电路架构，能满足在人体理疗动态过程中的不同工况的工作需求，灵活性高，适用范围广。

Description

高频率高精度超声理疗发生器

技术领域

本发明属于超声波发生器技术领域，具体涉及一种高频率高精度的应用于人体理疗的高频率高精度超声理疗发生器。

背景技术

超声理疗是利用强度相对较低的超声波发射与聚焦束对人体病变部位进行加热和刺激，以达到治疗人体某些疾病的过程。温热效应、机械效应、触变效应和弥散效应是超声理疗领域所主要利用的超声效应。由于超声波具有很强的穿透能力，利用其温热效应和理疗效应，可有效地促进淤血的吸收，特别是对陈旧性损伤有明显的疗效，所以超声理疗常常被用来辅助外科手术后的康复治疗，例如关节炎、过度使用腱损伤、颈椎疼痛、肌肉拉伤和腰椎间盘突出等。此外，超声理疗目前已被大量的患有职业病的人群所接受，例如久坐的司机用来治疗腰肌劳损、网球运动员用来治疗网球肘、田径运动员用来缓解大量运动后引起的肌肉酸痛。

高频超声驱动电源和换能器探头是超声理疗仪主要组成部分。高频超声驱动器提供高频电压信号，加在换能器探头的两端，通过共振激发换能器中的压电陶瓷，产生与电压信号频率相同的超声波，并向外辐射。超声波经过耦合剂后穿过皮肤层快速且有效地辐射进组织，并在需治疗的部位产生超声效应，此效应会引起病变组织产生有利的变化并向好的方向发展，这就是超声理疗的过程。

当前的超声理疗器驱动电路在功耗、数字化、与探头的匹配以及控制等方面仍有不足。目前行业内虽然可以达到一定的频率信号输出，但驱动电压与电流波形畸变，功率损失大。由于电路系统与探头匹配不合理，导致换能器负载振动量不够，且容易发热。在控制方面，尤其缺乏反馈电路，无法实现换能器探头的自动频率跟踪控制，使得探头无法工作在最佳频率点。此外，当前用于人体理疗的超声驱动电路安全性保护电路不够完善，在工作过程存在很多安全隐患。

发明内容

针对上述的不足，本发明目的在于，提供一种结构设计巧妙、合理，提高能量转换效率，具有工作过程超声能量稳定输出的高频率高精度超声理疗发生器。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：一种高频率高精度超声理疗发生器，其包括单片机模块、DDS（Direct Digital Synthesizer）信号生成模块、功率放大模块、阻抗匹配模块、信号采集与控制模块和电路保护模块；所述DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗匹配模块和超声换能器依次相连接，该超声换能器与信号采集与控制模块相连接，所述单片机模块分别与DDS信号生成模块和信号采集与控制模块相连接。

所述DDS信号生成模块是利用DDS频率合成技术，产生一定频率范围的方波信号，具有输出频率频谱范围宽、频率变换速度快、频率分辨精度高和输出波形任意、失真小、相位噪声低、相位可快速切换且连续调节等特点。

所述阻抗匹配模块是利用一系列的电感与电容组成的LCC网络电路，满足驱动电压与电流达到同相位，使得输出功率达到最大，所述信号采集与控制模块用来采集电路系统中的电压、电流与温度信号，与设置值相比较并做出相关报警，以上模块相互衔接，相辅相成，组成具有性能稳定的具有高精度高频率的高频率高精度超声理疗发生器。

作为本发明的一种改进，所述单片机模块为采用32位以上的数字单片机。如采用Cortex-M3架构的ARM微处理器。该Cortex-M3架构内部集成了模数转换，通过软件程序设置模数转换模式，数据传输速度快，硬件成本低。

作为本发明的一种改进，所述功率放大模块为采用MOS晶体管组成的半波电路。具体的，所述功率放大模块为由两个IRF510PbF大功率晶体管构成的半波式谐振电路，具有比较高的输出功率和转换效率。

作为本发明的一种改进，所述阻抗匹配模块包括电容C1、电容C2、电感L1和电感L2，电容C1、电感L1和电感L2依次串联，电容C2的一端分别与电感L1和电感L2相连接，另一端分别与功率放大模块和电压电流信号采集模块相连接。具体的，所述电感L1和电感L2的电感值均为2.3μH，电容C1的电容值为470nF，电容C2的电容值为8.25nF。可满足与超声换能器的匹配要求。

所述信号采集与控制模块对电压、电流以及相位的采集，作为反馈信号控制单片机模块产生信号的频率，满足有功功率的最大输出。信号控制是通过采用采集探头的电压与电流信号之后，通过变步长模糊控制算法，使得驱动电压与电流快速同相位，满足换能器的振幅最大。

作为本发明的一种改进，所述的保护电路模块，包括：保险丝过流保护、防雷击保护，防电流浪涌电阻，防止传导干扰和抑制共模干扰的电感、电容等模块，以及温度传感器采集整个系统的温度，并提出报警等。

本发明的有益效果为：本发明的电路架构设计巧妙、合理，根据人体理疗的特点，采用高频率的超声波振动信号，使得人体某些疼痛位置得到快速康复。根据人体理疗的安全性等要求，合理构建了大于1MHz高频率信号生成的驱动电路架构，包括：单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗匹配模块、信号采集与控制模块和电路保护模块。通过采集电路系统的电压、电流、相位等反馈信号，建立反馈信号与负载变化的对应关系，通过反馈信号的变化值，加上单片机模块的频率控制，使得电路驱动器与超声换能器能量转换效率最高，超声波振幅的输出最大，而且整体的发热量最小，有效地提高了超声发生器的可靠性与稳定性。单片机模块可以采用32位ARM或DSP微处理器，可生成驱动器的电压信号，并可采集电路系统的电压、电流、相位、频率等反馈信号，实现频率跟踪、电压可调、电流可调、功率可调的数字式控制，便于用户的操作与自定义，以及人机交互。DDS信号生成模块采用的直接数字频率合成 DDS技术，具有输出频率频谱范围宽、频率变换速度快、频率分辨精度高和输出波形任意、失真小、相位噪声低、相位可快速切换且连续调节等特点。功率放大模块是采用IGBT晶体管形成的半波电路架构，可将驱动器的功率、电压、电流提升到一定值（如10瓦），满足换能器的能量输出。保护电路模块是对系统的保险丝、防雷击，防电流浪涌，防止传导干扰和抑制共模干扰的电感、电容等进行保护，以及温度传感器采集整个系统的温度，并提出报警等，有效地提高了系统的安全性、工作稳定性高，使用寿命长，易于广泛推广使用。

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明的电路模块结构示意图。

图2是本发明的功率放大与阻抗匹配示意图。

图3是本发明的电压电流模糊控制示意图。

图4是本发明的基于模糊控制的频率控制示意图。

具体实施方式

实施例：参见图1至图4，本实施例提供了一种高频率高精度超声理疗发生器，其包括单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗匹配模块、信号采集与控制模块和电路保护模块；所述DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗匹配模块和超声换能器依次相连接，该超声换能器与信号采集与控制模块相连接，所述单片机模块分别与DDS信号生成模块和信号采集与控制模块相连接。所述单片机模块一方面是作为整个驱动器的信号源，即通过ARM单片机控制DDS信号生成模块生成1MHz左右的方波信号，其信号频率是可调的，另一方面，所述单片机模块又可采集驱动器的反馈信号，如超声换能器的电压、电流、相位、频率等信号，对系统的频率与电压进行数字控制。所述DDS信号生成模块通过单片机模块的控制，可生成所需频率范围的方波信号。然而，由DDS信号生成模块产生的方波信号幅值比较小，不足够驱动超声换能器。因此，所述功率放大模块是将所述DDS信号生成模块的电压值（或功率值）提高到足够的范围，如10瓦，以满足超声换能器足够的振幅输出。所述信号采集与控制模块通过一个取样电阻（如10欧姆），采集流过超声换能器的电压、电流、相位、频率信号，作为负载动态变化的控制参数，传送到所述单片机模块。所述阻抗匹配模块是通过电感、电容的串并联，使得探头与电路之前的匹配，满足波形正常输出。所述保护电路模块是对整个驱动器系统的安全性进行保护，即对系统产生的过压、过流、温度过高等可靠性进行保护。

本实施例中，DDS信号生成模块的主要功能是产生对超声人体理疗换能器的驱动信号，可以快速、准确地根据单片机模块输出的控制信号改变驱动信号的频率、相位、幅值，以实现调频、调相以及调幅的目的。本发明采用的是采用直接数字频率合成 DDS技术，DDS是一种新的频率合成技术和数字信号生成方法，具有输出频率频谱范围宽、频率变换速度快、频率分辨精度高和输出波形任意、失真小、相位噪声低、相位可快速切换且连续调节等特点。

本实施例中，功率放大模块为由两个IRF510PbF大功率晶体管构成的半波式谐振网络。通过MOSFET驱动，控制两个MOSFET高速地轮流导通，输出的交流方波电压通过LCC串并联谐振网络后逆变为超声换能器所需的正弦波信号。与多级放大电路相比，其整体电路实现简单，成本低，其输出电压稳定性高，动态响应速度也比较快，具有比较高的输出功率和转换效率。

本实施例中，所述阻抗匹配模块包括电容C1、电容C2、电感L1和电感L2，电容C1、电感L1和电感L2依次串联，电容C2的一端分别与电感L1和电感L2相连接，另一端分别与功率放大模块和电压电流信号采集模块相连接。具体的，所述电感L1和电感L2的电感值均为2.3μH，电容C1的电容值为470nF，电容C2的电容值为8.25nF。可满足与超声换能器的匹配要求。

本实施例中，信号采集与控制模块采用电阻采样方案，采样电路如图2所示。在此模块中，重点对采样电阻选型，电路中采样电阻选定为RNG-8型低阻金属箔精密采样电阻，其功率为2W，阻值偏差为0.1Ω，温度系数±5，耐压值为1000V，采用无感设计，线性度好，稳定性高。信号采集与处理电路采用高阶有源带通滤波放大电路，对反馈采集到的电压、电流信号完成滤波放大以及限幅保护等功能。理想滤波电路的频率响应在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。采用巴特沃思响应的二阶带通滤波器，其脉冲响应优于切比雪夫响应，衰减速率优于贝塞尔滤波。由于系统要求处理的信号带宽范围很宽，因此采用一级二阶高通滤波器与一级二阶低通滤波器相级联的方法，巴特沃思响应的低通滤波器是具有单位增益的正反馈型低通滤波器，亦称Sallen-Key电路。

本实施例中，因超声理疗仪的换能器探头在实际工作因外部环境的变化、负载的变化及换能器探头自身的发热等等，会使得压电陶瓷工作在非谐振的状态，也就是谐振频率点产生了一定的漂移。因此，需要对探头的频率进行实时控制。本发明采用模糊控制算法来控制驱动器的输出频率。频率控制模块由单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗匹配模块、信号采集与控制模块和电路保护模块组成。

在超声换能器的两端加入采样电阻，即可对超声换能器两端的电压信号和电流信号进行采样。取样信号经数字鉴相电路处理后得到相位差由频率控制算法处理后再反馈到DDS芯片，调整其输出的PWM波信号频率，从而改变开关网络输出信号的频率，使超声换能器重新处于谐振状态。

本发明提出了一种基于模糊变步长的频率跟踪方案，根据反馈网络反馈的电流有效值进行模糊推理，给出一个合适的频率步长，在与目前的超声换能器的驱动频率相加，即可得超声换能器目前的谐振频率，将此频率写入DDS芯片中，输出与超声换能器谐振频率一致的PWM波。频率跟踪的快速性和准确度都会有所提高。图4即为基于模糊控制器的频率控制框图。模糊控制器的输入量选择为最大电流值和反馈网络实时反馈的电流有效值之差和差值电流相对频率的变化率，频率的变化量作为输出量。模糊控制器的结构主要有模糊化、模糊判决、模糊推理、隶属度函数和控制规则组成的知识库构成。

通过单片机程序控制便可以方便灵活地实现输出信号的调频、调相和调幅功能，还可以实现系统的频率跟踪功能，恒定电压、恒定电流、恒定功率等功能，能满足在人体理疗动态过程中的不同工况的工作需求，灵活性高，适用范围广。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似的其它发生器，均在本发明保护范围内。

Claims (7)

1.一种高频率高精度超声理疗发生器，其特征在于，其包括单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗匹配模块、信号采集与控制模块和电路保护模块；所述DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗匹配模块和超声换能器依次相连接，该超声换能器与信号采集与控制模块相连接，所述单片机模块分别与DDS信号生成模块、电路保护模块和信号采集与控制模块相连接。

2.根据权利要求1所述的高频率高精度超声理疗发生器，其特征在于，所述单片机模块为采用32位以上的数字单片机。

3.根据权利要求1所述的高频率高精度超声理疗发生器，其特征在于，所述单片机模块为采用Cortex-M3架构的ARM微处理器。

4.根据权利要求1所述的高频率高精度超声理疗发生器，其特征在于，所述功率放大模块为采用MOS晶体管组成的半波电路。

5.根据权利要求1所述的高频率高精度超声理疗发生器，其特征在于，所述功率放大模块为由两个IRF510PbF大功率晶体管构成的半波式谐振电路。

6.根据权利要求1所述的高频率高精度超声理疗发生器，其特征在于，所述阻抗匹配模块包括电容C1、电容C2、电感L1和电感L2，电容C1、电感L1和电感L2依次串联，电容C2的一端分别与电感L1和电感L2相连接，另一端分别与功率放大模块和电压电流信号采集模块相连接。

7.根据权利要求6所述的高频率高精度超声理疗发生器，其特征在于，所述电感L1和电感L2的电感值均为2.3μH，电容C1的电容值为470nF，电容C2的电容值为8.25nF。