CN114371646A - 一种高频电压幅值与频率自动调节系统及方法 - Google Patents

一种高频电压幅值与频率自动调节系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高频电压幅值与频率自动调节系统及方法，系统包括MCU控制模块、BUCK可调电源、DDS信号发生器、运放一级放大与二级放大电路、推挽放大电路、最低电压检测电路以及电压电流幅值与相位检测电路；MCU控制模块通过接收最低电压信号与电压电流幅值与相位信号，从而控制输出频率与输出电压；BUCK可调电源根据接收MCU信号来调节MOS管的工作电压VCT；DDS信号发生器接收MCU的幅值控制信号与频率控制信号来调节信号的幅值与频率；运放一级放大电路与二级放大电路，用于将DDS信号进行分流与放大；推挽放大电路，用于将信号进行放大。本发明能根据工作的电流、电压与相位实时调整输出信号的功率与频率，提高了输出信号的响应速度与精确性。

Description

一种高频电压幅值与频率自动调节系统及方法
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种高频电压幅值与频率自动调节系统及方法。
背景技术
随着医疗技术的不断进步，手术器械也在不断地改进，出现了钢刀、电刀、超声刀、激光刀、射频刀等。其中超声刀的工作原理为超声手术刀主机输出约55.5KHz的超声波信号，通过换能器将电能转换为超声刀刀头的机械动能，其作用机理主要是与生物组织直接接触的金属刀头产生的超声机械效应、空化效应和热效应。超声刀头的高频振动导致与之直接接触的组织细胞的蛋白质氢链断裂，细胞崩解重新融合，组织凝固后切开。同时，机械振动导致组织内胶原蛋白结构破坏，超声振动的热效应使蛋白凝固，进而封闭血管达到止血目的。随着医疗水平的日渐提高，根据射频刀系统的临床特性，在射频刀控制系统中，需通过外加机构对刀具输出功率进行准确控制，提升微创手术的控制精度。而超声手术刀产生的超声波信号，需要根据负载变化引起的超声刀相位变化而进行频率控制，同时还需要对不同档位进行功率控制。
目前，对于现代手术刀控制系统的自主研发缺乏一定的力度和深度，其中对于换能器的相位的控制、功率的控制与它们间如何配合工作也成为一个需要克服的难点。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种高频电压幅值与频率自动调节系统及方法，根据工作的电流、电压与相位实时调整输出信号的功率与频率，提高了输出信号的响应速度与精确性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高频电压幅值与频率自动调节系统，用于超声手术系统，包括MCU控制模块、BUCK可调电源、DDS信号发生器、运放一级放大与二级放大电路、推挽放大电路、最低电压检测电路以及电压电流幅值与相位检测电路；
MCU控制模块，用于通过接收最低电压信号与电压电流幅值与相位信号，从而控制输出频率与输出电压；
BUCK可调电源，用于根据接收MCU信号来调节MOS管的工作电压VCT；
DDS信号发生器，用于接收MCU的幅值控制信号与频率控制信号来调节信号的幅值与频率；
运放一级放大电路与二级放大电路，用于将DDS信号进行分流与放大；
推挽放大电路，用于将信号进行放大；
最低电压检测电路，用于检测MOS管VDS的最小电压,并将检测信号反馈回MCU控制模块；
电压电流幅值与相位检测电路，用于检测输出信号V的电压、电流幅值与相位。
进一步的，MCU控制模块包括功率控制模块、频率控制模块以及信号监测模块；
频率控制模块，通过信号监测模块获得的谐振频率数据，控制在DDS信号发生器的输出信号频率；
信号监测模块，接收最低电压检测电路的信号与电压电流幅值与相位电路传过来的信号。
进一步的，功率控制模块包括电压控制模块、偏置电压控制模块以及幅值控制模块；
电压控制模块为根据信号监测模块接收到的Vmin信号来调节BUCK可调电源输出的电压，使MOS管工作在饱和区；
偏置电压控制模块，用于根据信号输出功率要求提供固定的MOS管栅极所需的直流偏置；
幅值控制模块，用于根据信号输出的电压幅值要求，发送幅值控制信号给DDS，提高DDS信号发生器输出交流信号的信号幅值。
进一步的，BUCK可调电源与MCU控制模块的电压控制模块相连，输出VCT为推挽放大电路的输入直流电压，MCU根据信号监测到的最低电压Vmin，根据需求输出不同占空比的矩形波控制BUCK可调电源，使BUCK输出相应的电压值。
进一步的，DDS信号发生器与MCU控制模块的幅值控制模块和频率控制模块相连，DDS信号发生器根据MCU控制模块的要求进行初始输出信号的频率、幅值输出，输出端与运放一级放大电路进行连接。
进一步的，运放一级放大电路接收DDS信号发生器传来的交流信号进行一级放大，并产生另一个反向的交流信号，分别与两路二级放大电路进行相连，两路二级放大电路同时输出相反的信号组成了推挽电路所需要的两路信号。
进一步的，推挽放大电路包括两路MOS管电路以及变压器；
MOS管的栅极输入为二级放大电路输出的交流信号与MCU控制模块提供的偏置电压的结合，两路MOS管电路分时导通，通过变压器后将信号放大。
进一步的，MCU控制模块的信号监测模块与最低电压检测电路以及电压电流幅值与相位检测电路相连，用于检测MOS管的VDS电压与检测输出电压V的电压电流幅值与相位。
进一步的，MCU控制模块的具体控制过程为：
信号监测模块通过最低电压检测电路实时监测MOS管VDS的最低电压，当VDS小于设定的最小电压，则电压控制模块控制BUCK可调电源，提升VCT的电压值；
信号监测模块通过电压电流幅值与相位检测电路实时监测输出电压V的电压电流幅值与相位，当电压电流幅值与相位与要求的相位不一致，则频率控制模块控制DDS信号发生器使其达到相位要求；
当需要提高功率时，设定更高的偏置电压或调节幅值，使信号的幅值增大。
本发明还包括基于提供的系统的高频电压幅值与频率自动调节方法，包括以下步骤：
S1、实时监测系统工作的MOS管最低电压与输出电压V的电压、电流幅值与相位，并对其进行控制，具体为：
S11、根据监测输出电压V的电压、电流幅值与相位差、MOS管VDS的最低电压设定期望电压幅值与频率；
S12、通过对比期望电压值、相位差与实际电压值、频率得出偏差，用于频率、功率控制模块的控制；
S13、MCU控制模块将频率、功率控制模块运算出来的结果传输给其余电路进行响应；
S2、DDS信号发生器接收MCU控制模块的幅值控制模块与频率控制模块并做出相应的响应，将更新后的信号传送给运放一级放大电路与二级放大电路；
S3、二级放大电路产生的两路信号分别与推挽放大电路的两路MOS管的栅极进行连接，从而对信号进行进一步放大；
S4、MCU控制模块输出偏置电压与两路MOS管的栅极进行连接，控制MOS管的输出特性，使MOS管工作在放大区；
S5、最低电压检测电路检测MOS管的VDS的最低电压并输出Vmin，将检测到的信号Vmin反馈回MCU控制模块，MCU控制模块根据期望最小电压得出偏差，并输出可调占空比的矩形波对BCUK可调电源的电压进行调节；
S6、若要停止工作，则MCU控制模块发送占空比为零的矩形波，使BCUK可调电源输出电压为零，并发送幅值与频率为零的控制信号，使DDS信号发生器的信号停止输出，超声手术系统停止工作。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、当手术器械带负载工作时，其工作所需的谐振频率与功率会随之变化，此时，本发明的MCU控制模块接收反馈信号并分别对BUCK可调电源、DDS信号发生器的输出信号的幅值进行控制，进而控制所需功率；分别对DDS信号发生器的输出信号的频率进行控制，以满足工作状态的期望要求，此过程耦合小，响应速度快，提高了超声手术系统工作的可靠性与响应速度。
附图说明
图1是本发明系统的整体电路结构示意图；
图2是本发明的系统控制结构框图；
图3是本发明的最低电压检测电路示意图；
图4是本发明方法的流程图；
附图标号说明：1-MCU控制模块；2-BUCK可调电源；3-DDS信号发生器；4-运放一级放大与二级放大电路；5-推挽放大电路；6-最低电压检测电路；7-电压电流幅值与相位检测电路。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明，一种高频电压幅值与频率自动调节系统，包括MCU控制模块1、BUCK可调电源2、DDS信号发生器3、运放一级放大与二级放大电路4、推挽放大电路5、最低电压检测电路6以及电压电流幅值与相位检测电路7；
如图1所示，MCU控制模块由功率控制模块、频率控制模块以及信号监测模块组成；功率控制模块包括：电压控制模块、偏置电压控制模块、幅值控制模块；电压控制模块为根据信号监测模块测量的VDS来调节BUCK可调电源输出的电压，使MOS管工作在饱和区；
偏置电压控制模块，根据信号输出功率要求提供固定的MOS管所需的直流偏置；
幅值控制模块为根据信号输出的电压幅值要求，提高DDS信号发生器输出交流信号的信号幅值。
频率控制模块，通过信号监测模块获得的谐振频率数据，控制在DDS信号发生器的输出信号频率；
信号监测模块，接收最低电压检测电路的信号与电压电流幅值与相位电路传过来的信号。
本实施例中，MCU控制模块具体控制过程如下：
信号监测模块实时监测VDS的最低电压，当VDS小于设定的最小电压，则电压控制模块控制BUCK可调电源，提升VCT的电压值；
信号监测模块实时监测输出电压的幅值与相位，当期望电压电流相位差与此时电压电流相位差不一致，则频率控制模块控制DDS信号发生器使其达到谐振频率要求。
当需要提高功率时，设定更高的偏置电压或调节幅值，使信号的幅值增大。
如图1所示，BUCK可调电源与MCU控制模块的电压控制模块相连，输出VCT为推挽放大电路的输入电压，根据MCU控制模块的要求输出相应的电压值。
如图1所示，DDS信号发生器与MCU控制模块的幅值控制与频率控制模块相连，根据MCU控制模块的要求进行初始输出信号的频率、幅值输出，输出与一级放大电路进行连接。
如图1所示，运放一级放大与二级放大电路的运放一级放大电路接收DDS信号发生器传来的交流信号进行一级放大，并产生另一个反向的交流信号，分别与两路二级放大电路进行相连。两路二级放大电路同时输出相反的信号组成了推挽电路所需要的两路信号。
如图1所示，推挽放大电路包括两路MOS管电路与一个变压器，MOS管的栅极输入为二级放大电路输出的交流信号与MCU控制模块提供的偏置电压的结合；两路MOS管电路分时导通，通过变压器后将信号放大。
本实施例控制结构框图如图2所示，MCU控制模块设定期望电压、电流与相位，并与反馈回来的MOS管VDS最低电压与电压、电流、电压与电流的相位差进行做差运算，算出误差。然后通过功率控制模块与频率控制模块对BUCK可调电源与DDS信号发生器进行控制，最后通过变压器进行放大，而输出信号将会继续反馈给MCU控制模块。
如图3所示，最低电压检测电路包括：分压电路、最小电压选择电路、电压跟随器、谷值检测电路。分压电路将MOS管两端的电压进行分压，使检测信号满足MCU控制模块的输入电压范围要求；最小电压选择电路，利用二极管特性对VDSA与VDSB进行选择，将两个电压中最小的电压进行选择并输出给电压跟随器；电压跟随器接收电压后，增大电压的驱动能力；谷值检测电路利用二极管的单项特性给电容充放电。只有输入电压Vin比原来的保持电压Vmin低，谷值检测电路内的二极管才能导通，此时电容放电，当Vmin降至Vin时，电容停止放电，Vmin＝Vin。当输入电压Vin大于原来的保持电压Vmin时，二极管截至，Vmin保持不变。
在另一个实施例中，如图4所示，提供了基于上述实施例系统的高频电压幅值与频率自动调节方法，具体包括以下步骤：
S1、实时监测超声手术系统MOS管的最低电压与谐振频率并对其进行控制，具体为：
S11、根据MCU控制模块，读取最低电压检测电路的输出电压与读取电压电流幅值与相位差，设定期望工作电压与频率；
S12、通过对比期望电压值、频率与实际电压值、相位差得出偏差，用于频率、功率控制模块的控制；
S13、MCU控制模块将频率、功率控制模块运算出来的结果传输给其余电路进行响应。
S2、DDS信号发生器接收MCU控制模块的幅值与频率控制模块并做出相应的响应，将更新后的信号传送给一级放大电路与二级放大电路；
S3、二级放大电路产生的两路信号分别与推挽放大电路的两路MOS管的栅极进行连接，从而对信号进行进一步放大；
S4、MCU控制模块输出偏置电压与两路MOS管的栅极进行连接，控制MOS管的输出特性，使MOS管工作在放大区。
S5、最低电压检测电路检测MOS管的VDS的最低电压，并将检测信号反馈回MCU控制模块，MCU控制模块根据期望最小电压得出偏差，并输出可调占空比的矩形波对BCUK可调电源的电压进行调节；
S6、若要停止工作，则MCU控制模块发送占空比为零的矩形波，使BCUK可调电源输出电压为零，并发送幅值与频率为零的控制信号，使DDS信号发生器的信号停止输出，超声手术系统停止工作。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种高频电压幅值与频率自动调节系统，用于超声手术系统，其特征在于，包括MCU控制模块、BUCK可调电源、DDS信号发生器、运放一级放大与二级放大电路、推挽放大电路、最低电压检测电路以及电压电流幅值与相位检测电路；
MCU控制模块，用于通过接收最低电压信号与电压电流幅值与相位信号，从而控制输出频率与输出电压；
BUCK可调电源，用于根据接收MCU信号来调节MOS管的工作电压VCT；
DDS信号发生器，用于接收MCU的幅值控制信号与频率控制信号来调节信号的幅值与频率；
运放一级放大电路与二级放大电路，用于将DDS信号进行分流与放大；
推挽放大电路，用于将信号进行放大；
最低电压检测电路，用于检测MOS管VDS的最小电压,并将检测信号反馈回MCU控制模块；
电压电流幅值与相位检测电路，用于检测输出信号V的电压、电流幅值与相位。
2.根据权利要求1所述的一种高频电压幅值与频率自动调节系统，其特征在于，MCU控制模块包括功率控制模块、频率控制模块以及信号监测模块；
频率控制模块，通过信号监测模块获得的谐振频率数据，控制在DDS信号发生器的输出信号频率；
信号监测模块，接收最低电压检测电路的信号与电压电流幅值与相位电路传过来的信号。
3.根据权利要求2所述的一种高频电压幅值与频率自动调节系统，其特征在于，功率控制模块包括电压控制模块、偏置电压控制模块以及幅值控制模块；
电压控制模块为根据信号监测模块接收到的Vmin信号来调节BUCK可调电源输出的电压，使MOS管工作在饱和区；
偏置电压控制模块，用于根据信号输出功率要求提供固定的MOS管栅极所需的直流偏置；
幅值控制模块，用于根据信号输出的电压幅值要求，发送幅值控制信号给DDS，提高DDS信号发生器输出交流信号的信号幅值。
4.根据权利要求3所述的一种高频电压幅值与频率自动调节系统，其特征在于，BUCK可调电源与MCU控制模块的电压控制模块相连，输出VCT为推挽放大电路的输入直流电压，MCU根据信号监测到的最低电压Vmin，根据需求输出不同占空比的矩形波控制BUCK可调电源，使BUCK输出相应的电压值。
5.根据权利要求3所述的一种高频电压幅值与频率自动调节系统，其特征在于，DDS信号发生器与MCU控制模块的幅值控制模块和频率控制模块相连，DDS信号发生器根据MCU控制模块的要求进行初始输出信号的频率、幅值输出，输出端与运放一级放大电路进行连接。
6.根据权利要求1所述的一种高频电压幅值与频率自动调节系统，其特征在于，运放一级放大电路接收DDS信号发生器传来的交流信号进行一级放大，并产生另一个反向的交流信号，分别与两路二级放大电路进行相连，两路二级放大电路同时输出相反的信号组成了推挽电路所需要的两路信号。
7.根据权利要求1所述的一种高频电压幅值与频率自动调节系统，其特征在于，推挽放大电路包括两路MOS管电路以及变压器；
MOS管的栅极输入为二级放大电路输出的交流信号与MCU控制模块提供的偏置电压的结合，两路MOS管电路分时导通，通过变压器后将信号放大。
8.根据权利要求2所述的一种高频电压幅值与频率自动调节系统，其特征在于，MCU控制模块的信号监测模块与最低电压检测电路以及电压电流幅值与相位检测电路相连，用于检测MOS管的VDS电压与检测输出电压V的电压电流幅值与相位。
9.根据权利要求3所述的一种高频电压幅值与频率自动调节系统，其特征在于，MCU控制模块的具体控制过程为：
信号监测模块通过最低电压检测电路实时监测MOS管VDS的最低电压，当VDS小于设定的最小电压，则电压控制模块控制BUCK可调电源，提升VCT的电压值；
信号监测模块通过电压电流幅值与相位检测电路实时监测输出电压V的电压电流幅值与相位，当电压电流幅值与相位与要求的相位不一致，则频率控制模块控制DDS信号发生器使其达到相位要求；
当需要提高功率时，设定更高的偏置电压或调节幅值，使信号的幅值增大。
10.基于权利要求1-9任一项所述系统的高频电压幅值与频率自动调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、实时监测系统工作的MOS管最低电压与输出电压V的电压、电流幅值与相位，并对其进行控制，具体为：
S11、根据监测输出电压V的电压、电流幅值与相位差、MOS管VDS的最低电压设定期望电压幅值与频率；
S12、通过对比期望电压值、相位差与实际电压值、频率得出偏差，用于频率、功率控制模块的控制；
S13、MCU控制模块将频率、功率控制模块运算出来的结果传输给其余电路进行响应；
S2、DDS信号发生器接收MCU控制模块的幅值控制模块与频率控制模块并做出相应的响应，将更新后的信号传送给运放一级放大电路与二级放大电路；
S3、二级放大电路产生的两路信号分别与推挽放大电路的两路MOS管的栅极进行连接，从而对信号进行进一步放大；
S4、MCU控制模块输出偏置电压与两路MOS管的栅极进行连接，控制MOS管的输出特性，使MOS管工作在放大区；
S5、最低电压检测电路检测MOS管的VDS的最低电压并输出Vmin，将检测到的信号Vmin反馈回MCU控制模块，MCU控制模块根据期望最小电压得出偏差，并输出可调占空比的矩形波对BCUK可调电源的电压进行调节；
S6、若要停止工作，则MCU控制模块发送占空比为零的矩形波，使BCUK可调电源输出电压为零，并发送幅值与频率为零的控制信号，使DDS信号发生器的信号停止输出，超声手术系统停止工作。
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