CN220457394U - 超声换能器激励控制电路和超声治疗设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种超声换能器激励控制电路和超声治疗设备，该超声换能器激励控制电路中，主控电路与压控振荡器的输入端电连接，压控振荡器的输出端与功率放大电路的输入端电连接，功率放大电路的输出端与超声换能器电路的输入点电连接。电压采样模块的输入端和电流采样模块的输入端均与功率放大电路电连接，电压采样模块的输出端与鉴相器电路的第一输入端电连接，电流采样模块的输出端与鉴相器电路的第二输入端电连接，鉴相器电路的第一输出端与运算放大器的第一输入端电连接，鉴相器电路的第二输出端与运算放大器的第二输入端电连接，运算放大器的输出端与主控电路电连接。本实用新型便于识别电流和电压的相位超前或滞后关系，减少端口占用。

Description

超声换能器激励控制电路和超声治疗设备

技术领域

本实用新型涉及超声治疗设备技术领域，具体的，涉及一种超声换能器激励控制电路，还涉及应用该超声换能器激励控制电路的超声治疗设备。

背景技术

超声治疗设备是一种利用超声换能器的振动，将声波的机械能通过刚性耦合，传导至器械的应用部分，使应用部分与人体组织之间产生热效应、空化效应和理化效应，进而达到消炎、止血、粘合、溶脂、杀菌、透药等临床治疗应用。

在实际临床中，由于超声换能器通过刚性耦合直接接触人体组织，而在此过程中，由于作用部位组织的不同、压力不同、作用深度等不同，使得超声换能器所耦合的实际声阻抗参数是不一致的，而声阻抗参数不一致，将导致换能器的谐振频率发生改变，由于超声手术设备的换能器Q值都很高，因此，激励频率的些许差异，将导致声输出功率的大幅衰减，严重影响实际的临床效果。

因此，在实际使用过程中，必须时刻校正换能器驱动信号的频率，而且必须有非常高的校正速度，不然无法跟上操作者的实际操作速度，操作者在操作过程中会时刻改变作用部位、持械力度、作用深度，如果校正速度不快的话，将使得超声换能器无法及时输出标称的超声能量。

目前市场上广泛采用了直接频率合成器(DDS)或者FPGA+MCU的电流/电压相位检测电路架构，通过检测电流/电压相位差来判断当前是否处于谐振状态，因为当超声换能器处于谐振状态时，电流/电压的相位差为零，当MCU通过相位－电压转换电路，读取电压信号来计算两者相位差，然后不断给DDS器件或者FPGA芯片写控制字，调整其输出频率，进而改变换能器的激励信号频率，使相位差不断缩小，不断递归，直至相位差最小，使换能器达到谐振状态。

而DDS或者FPGA均是基于一个高频基准频率的分频实现，那么其所输出的频率就是基频的整数倍分频，相邻两个频率之间存在分频间隔，虽然DDS也有小数分频器，但是容易产生频率抖动，而且也存在分频间隔，对于Q值较高的超声换能器，可能其谐振点正好落于两个相邻频率之间，使得超声换能器输出不理想。

同时，常规的相位检测电路，一般采用异或门或者与门来处理电压和电流的波形，得到一路合成信号，通过计数或者积分电路来计算出电流电压相位差，虽然能够识别两者的相位关系，但是却无法判断电流和电压波形的相位超前或滞后关系，对于频率的调节方向无帮助。因此，需要有一个双向检测信号，能够判断出电流电压的相位超前或滞后关系，便于快速确定频率的调节方向。

实用新型内容

本实用新型的第一目的是提供一种便于识别电流和电压波形的相位超前或滞后关系，减少端口占用的超声换能器激励控制电路。

本实用新型的第二目的是提供一种便于识别电流和电压波形的相位超前或滞后关系，减少端口占用的超声治疗设备。

为了实现上述第一目的，本实用新型提供的超声换能器激励控制电路包括主控电路、压控振荡器、功率放大电路和超声换能器电路，主控电路与压控振荡器的输入端电连接，压控振荡器的输出端与功率放大电路的输入端电连接，功率放大电路的输出端与超声换能器电路的输入点电连接；超声换能器激励控制电路还包括电压采样模块、电流采样模块、鉴相器电路和运算放大器，电压采样模块的输入端和电流采样模块的输入端均与功率放大电路的输出端电连接，电压采样模块的输出端与鉴相器电路的第一输入端电连接，电流采样模块的输出端与鉴相器电路的第二输入端电连接，鉴相器电路的第一输出端与运算放大器的第一输入端电连接，鉴相器电路的第二输出端与运算放大器的第二输入端电连接，运算放大器的输出端与主控电路电连接。

由上述方案可知，本实用新型的超声换能器激励控制电路通过设置鉴相器电路获取功率放大电路的输出端的电流和电压信号进行相位鉴别，同时通过运算放大器将鉴相器电路输出的两路信号进行进一步的比较，即可得知电流和电压相位信号的超前或滞后关系，从而使得主控电路可快速改变输出频率，而且，通过运算放大器将鉴相器电路输出的两路信号进行比较后向主控制器输出一路信号，可减少了主控电路的端口占用。

进一步的方案中，鉴相器电路包括鉴相器芯片、第一积分电路和第二积分电路，鉴相器芯片的第一输入端与电压采样模块的输出端电连接，鉴相器芯片的第二输入端与电流采样模块的输出端电连接，鉴相器芯片的第一输出端与第一积分电路的输入端电连接，鉴相器芯片的第二输出端与第二积分电路的输入端电连接，第一积分电路的输出端与运算放大器的第一输入端电连接，第二积分电路的输出端与运算放大器的第二输入端电连接。

由此可知，由于鉴相器芯片输出的均为脉冲信号，超声信号属于高频信号，其频率达到MHz级别，因此，不能直接给主控电路进行采样，通过设置第一积分电路和第二积分电路对鉴相器芯片的输出的脉冲信号进行积分，转换为直流电压信号，以便后续主控电路进行采样。

进一步的方案中，电压采样模块包括电压采样电路、第一低通滤波电路和第一过零比较器电路，电压采样电路的输入端与功率放大电路的输出端电连接，电压采样电路的输出端与第一低通滤波电路的输入端电连接，第一低通滤波电路的输出端与第一过零比较器电路的输入端电连接，第一过零比较器电路的输出端与鉴相器芯片的第一输入端电连接。

由此可知，通过电压采样电路获取功率放大电路的输出端的电压信号，采样所得信号会耦合一些高频电源噪声信号，因此电流电压信号均需要进行滤波处理，通过第一低通滤波电路滤除高频噪声，再通过第一过零比较器电路将低通滤波后的平滑后信号转换成方波信号，以便后续检测。

进一步的方案中，电流采样模块包括电流采样电路、第二低通滤波电路和第二过零比较器电路，电流采样电路的输入端与功率放大电路的输出端电连接，电流采样电路的输出端与第二低通滤波电路的输入端电连接，第二低通滤波电路的输出端与第二过零比较器电路的输入端电连接，第二过零比较器电路的输出端与鉴相器芯片的第二输入端电连接。

由此可见，通过电流采样电路获得功率放大电路的输出端的电流信号，并通过第二低通滤波电路滤除高频噪声，再通过第二过零比较器电路将低通滤波后的平滑后信号转换成方波信号，以便后续检测。

进一步的方案中，第一过零比较器电路和第二过零比较器电路通过一个双通道的比较器芯片形成。

由此可见，第一过零比较器电路和第二过零比较器电路通过一个双通道的比较器芯片形成，可减少空间占用，有利于电路板的简化。

进一步的方案中，功率放大电路包括第一驱动电路、第一NMOS管、第二NMOS管、第二驱动电路、第三NMOS管和第四NMOS管；第一NMOS管的栅极与第一驱动电路的第一输出端电连接，第一NMOS管的漏极与第一驱动电源端电连接，第一NMOS管的源极与第二NMOS管的漏极电连接，第二NMOS管的栅极与第一驱动电路的第二输出端电连接，第二NMOS管的源极接地，第一NMOS管的源极和第二NMOS管的漏极均与超声换能器电路的第一输入端电连接；第三NMOS管的栅极与第二驱动电路的第一输出端电连接，第三NMOS管的漏极与第二驱动电源端电连接，第三NMOS管的源极与第四NMOS管的漏极电连接，第四NMOS管的栅极与第二驱动电路的第二输出端电连接，第四NMOS管的源极接地，第三NMOS管的源极和第四NMOS管的漏极均与超声换能器电路的第二输入端电连接。

由此可见，通过设置第一驱动电路驱动第一NMOS管和第二NMOS管，设置第二驱动电路驱动第三NMOS管和第四NMOS管，可便于对驱动型号进行信号放大处理，以便控制超声换能器电路工作。

进一步的方案中，超声换能器电路包括第一电感、第二电感、阻抗匹配电容组和换能器，第一电感的第一端与超声换能器电路的第一输入端电连接，第一电感的第二端与换能器的第一端电连接，第二电感的第一端与超声换能器电路的第二输入端电连接，第二电感的第二端与换能器的第二端电连接，阻抗匹配电容组中的电容并联在换能器的第一端和第二端之间。

由此可见，超声换能器电路通过设置第一电感、第二电感和阻抗匹配电容组，可对换能器进行阻抗匹配。

为了实现本实用新型的第二目的，本实用新型提供的超声治疗设备设置有超声换能器激励控制电路，超声换能器激励控制电路采用上述的超声换能器激励控制电路。

附图说明

图1是本实用新型超声换能器激励控制电路实施例的电路原理框图。

图2是本实用新型超声换能器激励控制电路实施例中第一驱动电路、第一NMOS管和第二NMOS管连接的电路原理图。

图3是本实用新型超声换能器激励控制电路实施例中第二驱动电路、第三NMOS管和第四NMOS管连接的电路原理图。

图4是本实用新型超声换能器激励控制电路实施例中超声换能器电路的电路原理图。

图5是本实用新型超声换能器激励控制电路实施例中电压采样模块、电流采样模块的电路原理图。

图6是本实用新型超声换能器激励控制电路实施例中鉴相器电路的电路原理图。

图7是本实用新型超声换能器激励控制电路实施例中运算放大器的电路原理图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

超声换能器激励控制电路实施例：

本实施例中，如图1所示，超声换能器激励控制电路包括主控电路1、压控振荡器2、功率放大电路3、超声换能器电路4、电压采样模块5、电流采样模块6、鉴相器电路7和运算放大器8，主控电路1与压控振荡器2的输入端电连接，压控振荡器2的输出端与功率放大电路3的输入端电连接，功率放大电路3的输出端与超声换能器电路4的输入点电连接。电压采样模块5的输入端和电流采样模块6的输入端均与功率放大电路3的输出端电连接，电压采样模块5的输出端与鉴相器电路7的第一输入端电连接，电流采样模块6的输出端与鉴相器电路7的第二输入端电连接，鉴相器电路7的第一输出端与运算放大器8的第一输入端电连接，鉴相器电路7的第二输出端与运算放大器8的第二输入端电连接，运算放大器8的输出端与主控电路1电连接。本实施例中，压控振荡器2采用MC1648型号的压控振荡器。

本实施例中，参见图2、图3和图4，功率放大电路3包括第一驱动电路U1、第一NMOS管U2、第二NMOS管U3、第二驱动电路U4、第三NMOS管U5和第四NMOS管U6。第一NMOS管U2的栅极与第一驱动电路U1的第一输出端PA1电连接，第一NMOS管U2的漏极与第一驱动电源端VCC1电连接，第一NMOS管U2的源极与第二NMOS管U3的漏极电连接，第二NMOS管U3的栅极与第一驱动电路U1的第二输出端PA2电连接，第二NMOS管U3的源极接地，第一NMOS管U2的源极和第二NMOS管U3的漏极均与超声换能器电路4的第一输入端DRIVE＿P电连接。第三NMOS管U5的栅极与第二驱动电路U4的第一输出端PB1电连接，第三NMOS管U5的漏极与第二驱动电源端VCC2电连接，第三NMOS管U5的源极与第四NMOS管U6的漏极电连接，第四NMOS管U6的栅极与第二驱动电路U4的第二输出端电连接，第四NMOS管U6的源极接地，第三NMOS管U5的源极和第四NMOS管U6的漏极均与超声换能器电路4的第二输入端DRIVE＿N电连接。其中，第一驱动电路U1和第二驱动电路U4均采用LT4442EMS8E－1型号的芯片。

由图4可知，超声换能器电路4包括第一电感L1、第二电感L2、阻抗匹配电容组41和换能器42，第一电感L1的第一端与超声换能器电路4的第一输入端DRIVE＿P电连接，第一电感L1的第二端与换能器42的第一端电连接，第二电感L2的第一端与超声换能器电路4的第二输入端DRIVE＿N电连接，第二电感L2的第二端与换能器42的第二端电连接，阻抗匹配电容组41中的电容并联在换能器42的第一端和第二端之间。阻抗匹配电容组41中的电容数量可根据需要设置，本实施例中，阻抗匹配电容组41中的电容数量为四个。

参见图5，本实施例中，电压采样模块5包括电压采样电路51、第一低通滤波电路52和第一过零比较器电路53，电压采样电路51的输入端与功率放大电路3的输出端电连接，电压采样电路51的输出端与第一低通滤波电路52的输入端电连接，第一低通滤波电路52的输出端与第一过零比较器电路53的输入端电连接，第一过零比较器电路53的输出端与鉴相器电路7的第一输入端电连接。电流采样模块6包括电流采样电路61、第二低通滤波电路62和第二过零比较器电路63，电流采样电路61的输入端与功率放大电路3的输出端电连接，电流采样电路61的输出端与第二低通滤波电路62的输入端电连接，第二低通滤波电路62的输出端与第二过零比较器电路63的输入端电连接，第二过零比较器电路63的输出端与鉴相器电路7的第二输入端电连接。本实施例中，电压采样电路51采用采样电阻R1，采样电阻R1的第一端与超声换能器电路4的第一输入端DRIVE＿P电连接，采样电阻R1的第二端与第一低通滤波电路52的输入端电连接。电流采样电路61采用AD8418型号的芯片U7，芯片U7通过采样电阻R0两端的电压，从而获得电流信号。为了简化电路布局，本实施例中，第一低通滤波电路52和第二低通滤波电路62采用SGM8542双通道运算放大器芯片U8组成，第一低通滤波电路52和第二低通滤波电路62分别使用一个通道。第一过零比较器电路53和第二过零比较器电路63通过一个双通道的比较器芯片U9形成，比较器芯片U9采用SGM8705型号的芯片，第一过零比较器电路53和第二过零比较器电路63分别使用一个通道。

参见图6和图7，鉴相器电路7包括鉴相器芯片71、第一积分电路72和第二积分电路73，鉴相器芯片71的第一输入端与电压采样模块5的输出端电连接，鉴相器芯片71的第二输入端与电流采样模块6的输出端电连接，鉴相器芯片71的第一输出端与第一积分电路72的输入端电连接，鉴相器芯片71的第二输出端与第二积分电路73的输入端电连接，第一积分电路72的输出端与运算放大器8的第一输入端电连接，第二积分电路73的输出端与运算放大器8的第二输入端电连接。运算放大器8的输出端通过端子CVOUT与主控电路1电连接。本实施例中，第一积分电路72和第二积分电路73采用SGM8542双通道运算放大器芯片U10组成，第一积分电路72和第二积分电路73分别使用一个通道。鉴相器芯片71采用MC100EP140型号的芯片。

本实施例中，超声换能器激励控制电路在工作时，通过电压采样模块5、电流采样模块6采集功率放大电路3的输出电压信号和输出电流信号，采样信号进入鉴相器芯片71，鉴相器芯片71能够实现U信号和D信号两路鉴相信号输出，当电流信号超前于电压信号时，D信号产生相位差脉冲，U信号无输出，而当电压信号超前于电流信号时，U信号产生相位差脉冲，D信号无输出。运算放大器8用于将U信号和D信号两路鉴相信号进行合成，使之成为单端信号供主控电路1进行采样，本实施例中，将U信号连接运算放大器8的正脚，D信号连接运算放大器8的负脚，同时增加一个直流分量，其幅度为主控电路1的供电电压的一半，若主控电路1供电电压为VCC，则直流分量为VCC/2。主控电路1通过采运算放大器8输出的电压波形，如果采样电压大于VCC/2，则说明电压相位超前于电流相位，如果采样电压小于VCC/2，则说明电流相位超前于电压相位，主控电路1则根据其采样幅度，调节模拟电压输出值，进而改变压控振荡器2的输出频率，最终改变功率放大电路3的输出端的电流和电压相位差，使主控电路1的采样电压尽量靠近VCC/2。

由上述可知，本实用新型的超声换能器激励控制电路通过设置鉴相器电路7获取功率放大电路3的输出端的电流和电压信号进行相位鉴别，同时通过运算放大器8将鉴相器电路7输出的两路信号进行进一步的比较，即可得知电流和电压相位信号的超前或滞后关系，从而使得主控电路1可快速改变输出频率，而且，通过运算放大器8将鉴相器电路7输出的两路信号进行比较后向主控制器输出一路信号，可减少了主控电路1的端口占用。

超声治疗设备实施例：

本实用新型提供的超声治疗设备设置有超声换能器激励控制电路，超声换能器激励控制电路采用上述的超声换能器激励控制电路。

需要说明的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，但实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型做出的非实质性修改，也均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声换能器激励控制电路，包括主控电路、压控振荡器、功率放大电路和超声换能器电路，所述主控电路与所述压控振荡器的输入端电连接，所述压控振荡器的输出端与所述功率放大电路的输入端电连接，所述功率放大电路的输出端与超声换能器电路的输入点电连接；其特征在于：

所述超声换能器激励控制电路还包括电压采样模块、电流采样模块、鉴相器电路和运算放大器，所述电压采样模块的输入端和所述电流采样模块的输入端均与所述功率放大电路的输出端电连接，所述电压采样模块的输出端与所述鉴相器电路的第一输入端电连接，所述电流采样模块的输出端与所述鉴相器电路的第二输入端电连接，所述鉴相器电路的第一输出端与所述运算放大器的第一输入端电连接，所述鉴相器电路的第二输出端与所述运算放大器的第二输入端电连接，所述运算放大器的输出端与所述主控电路电连接。

2.根据权利要求1所述的超声换能器激励控制电路，其特征在于：

所述鉴相器电路包括鉴相器芯片、第一积分电路和第二积分电路，所述鉴相器芯片的第一输入端与所述电压采样模块的输出端电连接，所述鉴相器芯片的第二输入端与所述电流采样模块的输出端电连接，所述鉴相器芯片的第一输出端与所述第一积分电路的输入端电连接，所述鉴相器芯片的第二输出端与所述第二积分电路的输入端电连接，所述第一积分电路的输出端与所述运算放大器的第一输入端电连接，所述第二积分电路的输出端与所述运算放大器的第二输入端电连接。

3.根据权利要求2所述的超声换能器激励控制电路，其特征在于：

所述电压采样模块包括电压采样电路、第一低通滤波电路和第一过零比较器电路，所述电压采样电路的输入端与所述功率放大电路的输出端电连接，所述电压采样电路的输出端与所述第一低通滤波电路的输入端电连接，所述第一低通滤波电路的输出端与所述第一过零比较器电路的输入端电连接，所述第一过零比较器电路的输出端与所述鉴相器芯片的第一输入端电连接。

4.根据权利要求3所述的超声换能器激励控制电路，其特征在于：

所述电流采样模块包括电流采样电路、第二低通滤波电路和第二过零比较器电路，所述电流采样电路的输入端与所述功率放大电路的输出端电连接，所述电流采样电路的输出端与所述第二低通滤波电路的输入端电连接，所述第二低通滤波电路的输出端与所述第二过零比较器电路的输入端电连接，所述第二过零比较器电路的输出端与所述鉴相器芯片的第二输入端电连接。

5.根据权利要求4所述的超声换能器激励控制电路，其特征在于：

所述第一过零比较器电路和所述第二过零比较器电路通过一个双通道的比较器芯片形成。

6.根据权利要求1或2所述的超声换能器激励控制电路，其特征在于：

所述功率放大电路包括第一驱动电路、第一NMOS管、第二NMOS管、第二驱动电路、第三NMOS管和第四NMOS管；

所述第一NMOS管的栅极与所述第一驱动电路的第一输出端电连接，所述第一NMOS管的漏极与第一驱动电源端电连接，所述第一NMOS管的源极与所述第二NMOS管的漏极电连接，所述第二NMOS管的栅极与所述第一驱动电路的第二输出端电连接，所述第二NMOS管的源极接地，所述第一NMOS管的源极和所述第二NMOS管的漏极均与所述超声换能器电路的第一输入端电连接；

所述第三NMOS管的栅极与所述第二驱动电路的第一输出端电连接，所述第三NMOS管的漏极与第二驱动电源端电连接，所述第三NMOS管的源极与所述第四NMOS管的漏极电连接，所述第四NMOS管的栅极与所述第二驱动电路的第二输出端电连接，所述第四NMOS管的源极接地，所述第三NMOS管的源极和所述第四NMOS管的漏极均与所述超声换能器电路的第二输入端电连接。

7.根据权利要求6所述的超声换能器激励控制电路，其特征在于：

所述超声换能器电路包括第一电感、第二电感、阻抗匹配电容组和换能器，所述第一电感的第一端与所述超声换能器电路的第一输入端电连接，所述第一电感的第二端与所述换能器的第一端电连接，所述第二电感的第一端与所述超声换能器电路的第二输入端电连接，所述第二电感的第二端与所述换能器的第二端电连接，所述阻抗匹配电容组中的电容并联在所述换能器的第一端和第二端之间。

8.一种超声治疗设备，设置有超声换能器激励控制电路；其特征在于：

所述超声换能器激励控制电路采用权利要求1至7任一项所述的超声换能器激励控制电路。