CN113082502B - 超声波皮肤治疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种超声波皮肤治疗仪，包括整流器、降压器、驱动器、全桥逆变器、变压器、阻抗匹配器、换能器、电流采样器、锁相环、低通滤波器、双向模拟开关、锁死检测器。本发明的锁死检测器将低通滤波器中滤波电容两端电压与设定的参考电压进行比较，在低通滤波器中滤波电容两端电压高于参考电压时输出一高电平使双向模拟开关打开，滤波电容把储存的电能释放出来，当滤波电容放电结束后，压控振荡器的控制端电压就会降低为零，压控振荡器的输出频率也就会复位到下限频率，实现解锁，解决了传统锁相环上限频率锁死的问题。

Description

超声波皮肤治疗仪

技术领域

本发明涉及皮肤治疗仪技术领域，尤其涉及一种超声波皮肤治疗仪。

背景技术

超声波皮肤治疗仪可通过每秒一百万次的高频震荡产生具有深层穿透性的超声波，超声波作用于人体后为机体吸收，声能转为热能，在温热作用下对皮肤细胞作柔和微细按摩促进人体微血管血液循环，加速新陈代谢促进营养物质吸收，提高机体防御能力，活化肌肤细胞，抵制病菌繁殖。超声波皮肤治疗仪对换能器的要求是工作在振动系统的谐振点附近，但是振动系统的频率不是一成不变的，工作条件的变化，如工作温度、负载变化以及振动系统本身的机械磨损等因素往往会引起换能器谐振频率的变化，使系统的振动失谐、振幅降低。这样不仅影响工作效率，并且缩短超声波发生器的寿命，甚至使换能器因过热而烧坏，因此要求发生器的输出信号频率能对在工作中变化的换能器的谐振频率进行跟踪。

锁相环式频率跟踪是目前应用最多的，具有跟踪效果较好、易于实现的优点。但传统的锁相环频率跟踪电路存在频率跟踪范围小、跟踪精度低且容易出现频率上限锁死等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种超声波皮肤治疗仪，以解决传统超声波皮肤治疗仪跟踪换能器谐振频率时存在频率上限锁死的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种超声波皮肤治疗仪，包括整流器、降压器、驱动器、全桥逆变器、变压器、阻抗匹配器、换能器、电流采样器、锁相环、低通滤波器、双向模拟开关、锁死检测器；

外部交流输入依次经整流器、降压器、全桥逆变器、变压器、阻抗匹配器连接换能器，电流采样器的输入端连接变压器的输出端，电流采样器的输出端连接锁相环的信号输入端，电流采样器用于采集换能器的输入电流；

锁相环的压控振荡器输出端分别同时连接锁相环的比较信号输入端、驱动器的输入端，驱动器的输出端连接全桥逆变器的控制端，锁相环的相位比较器输出端依次经低通滤波器、双向模拟开关接地，锁相环的压控振荡器控制端经锁死检测器连接双向模拟开关的控制端，低通滤波器中滤波电容的远地端连接锁相环的压控振荡器控制端；

锁死检测器用于将低通滤波器中滤波电容两端电压与设定的参考电压进行比较，在低通滤波器中滤波电容两端电压高于参考电压时输出一高电平至双向模拟开关的控制端，在低通滤波器中滤波电容两端电压低于参考电压时输出一低电平至双向模拟开关的控制端。

可选的，锁相环包括CD4046芯片及第一比较器，电流采样器的输出端连接第一比较器的同相端，第一比较器的反相端接地，第一比较器的输出端连接CD4046芯片的14号引脚。

可选的，锁相环还包括发光二极管及电阻R8，CD4046芯片的1号引脚依次经发光二极管、电阻R8接地。

可选的，低通滤波器包括电阻R4～R5及电容C2；

锁相环的相位比较器输出端依次经电阻R4、电阻R5、电容C2接地，电阻R4、电阻R5的公共端经双向模拟开关接地，电阻R5、电容C2的公共端分别连接锁相环的压控振荡器控制端、锁死检测器的输入端。

可选的，锁死检测器包括电阻R6及第二比较器，电阻R5、电容C2的公共端经电阻R5连接第二比较器的同相端，第二比较器的反相端接入参考电压，第二比较器的输出端连接双向模拟开关的控制端。

可选的，锁死检测器还包括非门、二极管D1、电阻RP2、电容C3及施密特触发器；

第二比较器的输出端依次经非门、反向的二极管D1、施密特触发器连接双向模拟开关的控制端，电源Vdd依次经电阻RP2、电容C3接地，电阻RP2、电容C3的公共端连接施密特触发器的输入端。

可选的，超声波皮肤治疗仪还包括电压采样器、控制器及脉宽调制器；

电压采样器的输入端连接变压器的输出端，电压采样器及电流采样器的输出端分别连接控制器，控制器经脉宽调制器连接降压器的控制端，控制器用于根据电压采样器及电流采样器的输出计算换能器的输出功率，在输出功率变化时改变脉宽调制器输出的PWM的脉冲宽度。

可选的，脉宽调制器包括SG3525芯片及或门，控制器连接SG3525芯片的输入端，SG3525芯片的两输出端分别连接或门的两输入端，或门的输出端连接降压器的控制端。

本发明的超声波皮肤治疗仪相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)锁死检测器将低通滤波器中滤波电容两端电压与设定的参考电压进行比较，在低通滤波器中滤波电容两端电压高于参考电压时输出一高电平使双向模拟开关打开，滤波电容把储存的电能释放出来，当滤波电容放电结束后，压控振荡器的控制端电压就会降低为零，压控振荡器的输出频率也就会复位到下限频率，实现解锁，解决了传统锁相环上限频率锁死的问题；

(2)非门、二极管D1、电阻RP2、电容C3及施密特触发器可对第二比较器输出的脉冲宽度进行扩大，促使双向模拟开关长时间保持打开状态，使滤波电容放电完全充分，实现可靠解锁；

(3)根据电压采样器及电流采样器的输出计算换能器的输出功率，在输出功率变化时改变脉宽调制器输出的PWM的脉冲宽度，实现了换能器的功率调节；(4)把SG3525的这两路PWM信号输出端都接在或门的输入端，就能够得到所需要的一个占空比为0～96％的PWM信号，实现降压器的驱动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的超声波皮肤治疗仪的结构框图；

图2为本发明的锁相环、低通滤波器、双向模拟开关、锁死检测器的电路图；

图3为本发明的脉宽调制器的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例的超声波皮肤治疗仪包括整流器、降压器、驱动器、全桥逆变器、变压器、阻抗匹配器、换能器、电流采样器、锁相环、低通滤波器、双向模拟开关、锁死检测器、电压采样器、控制器及脉宽调制器。

外部交流输入依次经整流器、降压器、全桥逆变器、变压器、阻抗匹配器连接换能器，电流采样器的输入端连接变压器的输出端，电流采样器的输出端连接锁相环的信号输入端，电流采样器用于采集换能器的输入电流。锁相环的压控振荡器输出端分别同时连接锁相环的比较信号输入端、驱动器的输入端，驱动器的输出端连接全桥逆变器的控制端，锁相环的相位比较器输出端依次经低通滤波器、双向模拟开关接地，锁相环的压控振荡器控制端经锁死检测器连接双向模拟开关的控制端，低通滤波器中滤波电容的远地端连接锁相环的压控振荡器控制端。锁死检测器用于将低通滤波器中滤波电容两端电压与设定的参考电压进行比较，在低通滤波器中滤波电容两端电压高于参考电压时输出一高电平至双向模拟开关的控制端，在低通滤波器中滤波电容两端电压低于参考电压时输出一低电平至双向模拟开关的控制端。电压采样器的输入端连接变压器的输出端，电压采样器及电流采样器的输出端分别连接控制器，控制器经脉宽调制器连接降压器的控制端，控制器用于根据电压采样器及电流采样器的输出计算换能器的输出功率，在输出功率变化时改变脉宽调制器输出的PWM的脉冲宽度。

本实施例中，降压器为buck降压电路；驱动器用于驱动全桥逆变器；变压器的主要作用是功率传输、电压变换和实现输入与输出之间的绝缘隔离等；电流采样器用于采集换能器的输入电流，电流采样器可为电流互感器，输出交流信号；电压采样器可包括电压采集电路及AD转换电路；控制器可包括CPU、DA转换电路额定。整流器、降压器、驱动器、全桥逆变器、变压器、阻抗匹配器、电流采样器、电压采样器、控制器均可采用传统电路结构。

具体的，如图2所示，锁相环包括CD4046芯片、第一比较器、发光二极管及电阻R8。电流采样器的输出端连接第一比较器的同相端，第一比较器的反相端接地，第一比较器的输出端连接CD4046芯片的14号引脚。CD4046芯片的1号引脚依次经发光二极管、电阻R8接地。图2中第一比较器的输出端还通过上拉电阻R3连接电源实现功能。低通滤波器包括电阻R4～R5及电容C2，锁相环的相位比较器输出端(CD4046芯片的13号引脚)依次经电阻R4、电阻R5、电容C2接地，电阻R4、电阻R5的公共端经双向模拟开关接地，电阻R5、电容C2的公共端分别连接锁相环的压控振荡器控制端(CD4046芯片的9号引脚)、锁死检测器的输入端。双向模拟开关可为CD4066芯片。锁死检测器包括电阻R6、第二比较器、非门、二极管D1、电阻RP2、电容C3及施密特触发器，电阻R5、电容C2的公共端经电阻R5连接第二比较器的同相端，第二比较器的反相端接入参考电压，第二比较器的输出端依次经非门、反向的二极管D1、施密特触发器连接双向模拟开关的控制端，电源Vdd依次经电阻RP2、电容C3接地，电阻RP2、电容C3的公共端连接施密特触发器的输入端。

本实施例中，由于电流采样器的输出为交流信号，需通过第一比较器转换为数字信号，第一比较器实则为过零检测，电流采样器的输出为正半周时，第一比较器输出高电平，电流采样器的输出为负半周时，第一比较器输出低电平。

本实施例中，电流采样器采集到的取样电流输入CD4046芯片的14号引脚，和3号引脚的电压信号进行相位比较，当电流相位超前于电压相位时，CD4046芯片中的鉴相器输出一个正脉冲给内部的压控振荡器；若电压相位超前与电流相位，鉴相器则输出一个负脉冲给内部的压控振荡器；若电压与电流相位相同，鉴相器输出成高阻状态，系统锁定。为便于观察系统是否工作于锁定状态，在CD4046芯片的1号引脚与地之间串接发光二极管和限流电阻R8，用发光二极管发光与否指示锁定状态，发光表示锁定。鉴相器的输出控制信号经由电阻R4、R5和电容C2组成的低通滤波器进行滤波后送至压控振荡器来调节振荡器的振荡频率，R5用于调节电容C2的充放电速度。当系统频率上限锁死时，令第二比较器的反相电平(参考电压)低于电源电压，在第二比较器同相电压达到电源电压时，第二比较器输出高电平，经反相器后输出低电平，电容C3经二极管D1放电，施密特触发器输出高电平，当第二比较器输出高电平结束时，施密特触发器输出的高电平并不立即结束，而是在电容C3充电一段时间后再变为低电平，这样可展宽双向模拟开关控制脉冲的宽度，控制双向模拟开关打开，滤波电容C2经电阻R5、双向模拟开关接地，电容C2把储存的电能释放出来，当电容C2放电结束后，压控振荡器的控制端9号引脚电压就会降低为零，压控振荡器的输出频率也就会复位到下限频率，实现解锁，然后第二比较器的输出端输出低电平，使双向模拟开关关断，鉴相器重新进行扫频，最后把频率再次锁定到新的串联谐振频率上。CD4046的4号引脚输出调频信号送入驱动器去驱动全桥逆变器改变激励源频率跟踪到振动系统的串联谐振频率上。这样，本实施例的锁死检测器将低通滤波器中滤波电容两端电压与设定的参考电压进行比较，在低通滤波器中滤波电容两端电压高于参考电压时输出一高电平使双向模拟开关打开，滤波电容把储存的电能释放出来，当滤波电容放电结束后，压控振荡器的控制端电压就会降低为零，压控振荡器的输出频率也就会复位到下限频率，实现解锁，解决了传统锁相环上限频率锁死的问题。非门、二极管D1、电阻RP2、电容C3及施密特触发器可对第二比较器输出的脉冲宽度进行扩大，促使双向模拟开关长时间保持打开状态，使滤波电容放电完全充分，实现可靠解锁。

如图3所示，本实施例的脉宽调制器包括SG3525芯片及或门，控制器连接SG3525芯片的输入端，SG3525芯片的两输出端分别连接或门的两输入端，或门的输出端连接降压器的控制端。当系统检测到换能器的输出功率发生变化的时候，控制器就会输出一个控制量至脉宽调制芯片SG3525，通过改变脉宽调制芯片SG3525的输出PWM的脉冲宽度，来改变降压器的输出电压，实现功率调节。由于SG3525本身的机构特点，它的单路PWM信号能够输出的最大占空比仅为48％，而对BUCK降压器占空比的要求为5～90％。考虑到SG3525有两路PWM信号输出脚11和14，本实施例把SG3525的这两路PWM信号输出端都接在或门的输入端，就能够得到所需要的一个占空比为0～96％的PWM信号，实现降压器的驱动。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超声波皮肤治疗仪，其特征在于，包括整流器、降压器、驱动器、全桥逆变器、变压器、阻抗匹配器、换能器、电流采样器、锁相环、低通滤波器、双向模拟开关、锁死检测器；

外部交流输入依次经整流器、降压器、全桥逆变器、变压器、阻抗匹配器连接换能器，电流采样器的输入端连接变压器的输出端，电流采样器的输出端连接锁相环的信号输入端，电流采样器用于采集换能器的输入电流；

锁相环的压控振荡器输出端分别同时连接锁相环的比较信号输入端、驱动器的输入端，驱动器的输出端连接全桥逆变器的控制端，锁相环的相位比较器输出端依次经低通滤波器、双向模拟开关接地，锁相环的压控振荡器控制端经锁死检测器连接双向模拟开关的控制端，低通滤波器中滤波电容的远地端连接锁相环的压控振荡器控制端；

锁死检测器用于将低通滤波器中滤波电容两端电压与设定的参考电压进行比较，在低通滤波器中滤波电容两端电压高于参考电压时输出一高电平至双向模拟开关的控制端，在低通滤波器中滤波电容两端电压低于参考电压时输出一低电平至双向模拟开关的控制端；

低通滤波器，包括电阻R4～R5及电容C2；锁相环的相位比较器输出端依次经电阻R4、电阻R5、电容C2接地，电阻R4、电阻R5的公共端经双向模拟开关接地，电阻R5、电容C2的公共端分别连接锁相环的压控振荡器控制端、锁死检测器的输入端；

锁死检测器，包括电阻R6及第二比较器、非门、二极管D1、电阻RP2、电容C3及施密特触发器；电阻R5、电容C2的公共端经电阻R5连接第二比较器的同相端，第二比较器的反相端接入参考电压，第二比较器的输出端连接双向模拟开关的控制端；第二比较器的输出端依次经非门、反向的二极管D1、施密特触发器连接双向模拟开关的控制端，电源Vdd依次经电阻RP2、电容C3接地，电阻RP2、电容C3的公共端连接施密特触发器的输入端。

2.如权利要求1所述的超声波皮肤治疗仪，其特征在于，锁相环包括CD4046芯片及第一比较器，电流采样器的输出端连接第一比较器的同相端，第一比较器的反相端接地，第一比较器的输出端连接CD4046芯片的14号引脚。

3.如权利要求2所述的超声波皮肤治疗仪，其特征在于，锁相环还包括发光二极管及电阻R8，CD4046芯片的1号引脚依次经发光二极管、电阻R8接地。

4.如权利要求1所述的超声波皮肤治疗仪，其特征在于，还包括电压采样器、控制器及脉宽调制器；

电压采样器的输入端连接变压器的输出端，电压采样器及电流采样器的输出端分别连接控制器，控制器经脉宽调制器连接降压器的控制端，控制器用于根据电压采样器及电流采样器的输出计算换能器的输出功率，在输出功率变化时改变脉宽调制器输出的PWM的脉冲宽度。

5.如权利要求4所述的超声波皮肤治疗仪，其特征在于，脉宽调制器包括SG3525芯片及或门，控制器连接SG3525芯片的输入端，SG3525芯片的两输出端分别连接或门的两输入端，或门的输出端连接降压器的控制端。

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