本發(fā)明屬于超聲波發(fā)生器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高頻率高精度的應(yīng)用于人體理療的高頻率高精度超聲理療發(fā)生器。

背景技術(shù)：

超聲理療是利用強(qiáng)度相對(duì)較低的超聲波發(fā)射與聚焦束對(duì)人體病變部位進(jìn)行加熱和刺激，以達(dá)到治療人體某些疾病的過(guò)程。溫?zé)嵝?yīng)、機(jī)械效應(yīng)、觸變效應(yīng)和彌散效應(yīng)是超聲理療領(lǐng)域所主要利用的超聲效應(yīng)。由于超聲波具有很強(qiáng)的穿透能力，利用其溫?zé)嵝?yīng)和理療效應(yīng)，可有效地促進(jìn)淤血的吸收，特別是對(duì)陳舊性損傷有明顯的療效，所以超聲理療常常被用來(lái)輔助外科手術(shù)后的康復(fù)治療，例如關(guān)節(jié)炎、過(guò)度使用腱損傷、頸椎疼痛、肌肉拉傷和腰椎間盤突出等。此外，超聲理療目前已被大量的患有職業(yè)病的人群所接受，例如久坐的司機(jī)用來(lái)治療腰肌勞損、網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員用來(lái)治療網(wǎng)球肘、田徑運(yùn)動(dòng)員用來(lái)緩解大量運(yùn)動(dòng)后引起的肌肉酸痛。

高頻超聲驅(qū)動(dòng)電源和換能器探頭是超聲理療儀主要組成部分。高頻超聲驅(qū)動(dòng)器提供高頻電壓信號(hào)，加在換能器探頭的兩端，通過(guò)共振激發(fā)換能器中的壓電陶瓷，產(chǎn)生與電壓信號(hào)頻率相同的超聲波，并向外輻射。超聲波經(jīng)過(guò)耦合劑后穿過(guò)皮膚層快速且有效地輻射進(jìn)組織，并在需治療的部位產(chǎn)生超聲效應(yīng)，此效應(yīng)會(huì)引起病變組織產(chǎn)生有利的變化并向好的方向發(fā)展，這就是超聲理療的過(guò)程。

當(dāng)前的超聲理療器驅(qū)動(dòng)電路在功耗、數(shù)字化、與探頭的匹配以及控制等方面仍有不足。目前行業(yè)內(nèi)雖然可以達(dá)到一定的頻率信號(hào)輸出，但驅(qū)動(dòng)電壓與電流波形畸變，功率損失大。由于電路系統(tǒng)與探頭匹配不合理，導(dǎo)致?lián)Q能器負(fù)載振動(dòng)量不夠，且容易發(fā)熱。在控制方面，尤其缺乏反饋電路，無(wú)法實(shí)現(xiàn)換能器探頭的自動(dòng)頻率跟蹤控制，使得探頭無(wú)法工作在最佳頻率點(diǎn)。此外，當(dāng)前用于人體理療的超聲驅(qū)動(dòng)電路安全性保護(hù)電路不夠完善，在工作過(guò)程存在很多安全隱患。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述的不足，本發(fā)明目的在于，提供一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙、合理，提高能量轉(zhuǎn)換效率，具有工作過(guò)程超聲能量穩(wěn)定輸出的高頻率高精度超聲理療發(fā)生器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案是：一種高頻率高精度超聲理療發(fā)生器，其包括單片機(jī)模塊、dds（directdigitalsynthesizer）信號(hào)生成模塊、功率放大模塊、阻抗匹配模塊、信號(hào)采集與控制模塊和電路保護(hù)模塊；所述dds信號(hào)生成模塊、功率放大模塊、阻抗匹配模塊和超聲換能器依次相連接，該超聲換能器與信號(hào)采集與控制模塊相連接，所述單片機(jī)模塊分別與dds信號(hào)生成模塊和信號(hào)采集與控制模塊相連接。

所述dds信號(hào)生成模塊是利用dds頻率合成技術(shù)，產(chǎn)生一定頻率范圍的方波信號(hào)，具有輸出頻率頻譜范圍寬、頻率變換速度快、頻率分辨精度高和輸出波形任意、失真小、相位噪聲低、相位可快速切換且連續(xù)調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。

所述阻抗匹配模塊是利用一系列的電感與電容組成的lcc網(wǎng)絡(luò)電路，滿足驅(qū)動(dòng)電壓與電流達(dá)到同相位，使得輸出功率達(dá)到最大，所述信號(hào)采集與控制模塊用來(lái)采集電路系統(tǒng)中的電壓、電流與溫度信號(hào)，與設(shè)置值相比較并做出相關(guān)報(bào)警，以上模塊相互銜接，相輔相成，組成具有性能穩(wěn)定的具有高精度高頻率的高頻率高精度超聲理療發(fā)生器。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述單片機(jī)模塊為采用32位以上的數(shù)字單片機(jī)。如采用cortex-m3架構(gòu)的arm微處理器。該cortex-m3架構(gòu)內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)軟件程序設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換模式，數(shù)據(jù)傳輸速度快，硬件成本低。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述功率放大模塊為采用mos晶體管組成的半波電路。具體的，所述功率放大模塊為由兩個(gè)irf510pbf大功率晶體管構(gòu)成的半波式諧振電路，具有比較高的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述阻抗匹配模塊包括電容c1、電容c2、電感l(wèi)1和電感l(wèi)2，電容c1、電感l(wèi)1和電感l(wèi)2依次串聯(lián)，電容c2的一端分別與電感l(wèi)1和電感l(wèi)2相連接，另一端分別與功率放大模塊和電壓電流信號(hào)采集模塊相連接。具體的，所述電感l(wèi)1和電感l(wèi)2的電感值均為2.3μh，電容c1的電容值為470nf，電容c2的電容值為8.25nf?？蓾M足與超聲換能器的匹配要求。

所述信號(hào)采集與控制模塊對(duì)電壓、電流以及相位的采集，作為反饋信號(hào)控制單片機(jī)模塊產(chǎn)生信號(hào)的頻率，滿足有功功率的最大輸出。信號(hào)控制是通過(guò)采用采集探頭的電壓與電流信號(hào)之后，通過(guò)變步長(zhǎng)模糊控制算法，使得驅(qū)動(dòng)電壓與電流快速同相位，滿足換能器的振幅最大。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述的保護(hù)電路模塊，包括：保險(xiǎn)絲過(guò)流保護(hù)、防雷擊保護(hù)，防電流浪涌電阻，防止傳導(dǎo)干擾和抑制共模干擾的電感、電容等模塊，以及溫度傳感器采集整個(gè)系統(tǒng)的溫度，并提出報(bào)警等。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明的電路架構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙、合理，根據(jù)人體理療的特點(diǎn)，采用高頻率的超聲波振動(dòng)信號(hào)，使得人體某些疼痛位置得到快速康復(fù)。根據(jù)人體理療的安全性等要求，合理構(gòu)建了大于1mhz高頻率信號(hào)生成的驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)，包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊、dds信號(hào)生成模塊、功率放大模塊、阻抗匹配模塊、信號(hào)采集與控制模塊和電路保護(hù)模塊。通過(guò)采集電路系統(tǒng)的電壓、電流、相位等反饋信號(hào)，建立反饋信號(hào)與負(fù)載變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)反饋信號(hào)的變化值，加上單片機(jī)模塊的頻率控制，使得電路驅(qū)動(dòng)器與超聲換能器能量轉(zhuǎn)換效率最高，超聲波振幅的輸出最大，而且整體的發(fā)熱量最小，有效地提高了超聲發(fā)生器的可靠性與穩(wěn)定性。單片機(jī)模塊可以采用32位arm或dsp微處理器，可生成驅(qū)動(dòng)器的電壓信號(hào)，并可采集電路系統(tǒng)的電壓、電流、相位、頻率等反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤、電壓可調(diào)、電流可調(diào)、功率可調(diào)的數(shù)字式控制，便于用戶的操作與自定義，以及人機(jī)交互。dds信號(hào)生成模塊采用的直接數(shù)字頻率合成dds技術(shù)，具有輸出頻率頻譜范圍寬、頻率變換速度快、頻率分辨精度高和輸出波形任意、失真小、相位噪聲低、相位可快速切換且連續(xù)調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。功率放大模塊是采用igbt晶體管形成的半波電路架構(gòu)，可將驅(qū)動(dòng)器的功率、電壓、電流提升到一定值（如10瓦），滿足換能器的能量輸出。保護(hù)電路模塊是對(duì)系統(tǒng)的保險(xiǎn)絲、防雷擊，防電流浪涌，防止傳導(dǎo)干擾和抑制共模干擾的電感、電容等進(jìn)行保護(hù)，以及溫度傳感器采集整個(gè)系統(tǒng)的溫度，并提出報(bào)警等，有效地提高了系統(tǒng)的安全性、工作穩(wěn)定性高，使用壽命長(zhǎng)，易于廣泛推廣使用。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的電路模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的功率放大與阻抗匹配示意圖。

圖3是本發(fā)明的電壓電流模糊控制示意圖。

圖4是本發(fā)明的基于模糊控制的頻率控制示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：參見圖1至圖4，本實(shí)施例提供了一種高頻率高精度超聲理療發(fā)生器，其包括單片機(jī)模塊、dds信號(hào)生成模塊、功率放大模塊、阻抗匹配模塊、信號(hào)采集與控制模塊和電路保護(hù)模塊；所述dds信號(hào)生成模塊、功率放大模塊、阻抗匹配模塊和超聲換能器依次相連接，該超聲換能器與信號(hào)采集與控制模塊相連接，所述單片機(jī)模塊分別與dds信號(hào)生成模塊和信號(hào)采集與控制模塊相連接。所述單片機(jī)模塊一方面是作為整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)源，即通過(guò)arm單片機(jī)控制dds信號(hào)生成模塊生成1mhz左右的方波信號(hào)，其信號(hào)頻率是可調(diào)的，另一方面，所述單片機(jī)模塊又可采集驅(qū)動(dòng)器的反饋信號(hào)，如超聲換能器的電壓、電流、相位、頻率等信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的頻率與電壓進(jìn)行數(shù)字控制。所述dds信號(hào)生成模塊通過(guò)單片機(jī)模塊的控制，可生成所需頻率范圍的方波信號(hào)。然而，由dds信號(hào)生成模塊產(chǎn)生的方波信號(hào)幅值比較小，不足夠驅(qū)動(dòng)超聲換能器。因此，所述功率放大模塊是將所述dds信號(hào)生成模塊的電壓值（或功率值）提高到足夠的范圍，如10瓦，以滿足超聲換能器足夠的振幅輸出。所述信號(hào)采集與控制模塊通過(guò)一個(gè)取樣電阻（如10歐姆），采集流過(guò)超聲換能器的電壓、電流、相位、頻率信號(hào)，作為負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的控制參數(shù)，傳送到所述單片機(jī)模塊。所述阻抗匹配模塊是通過(guò)電感、電容的串并聯(lián)，使得探頭與電路之前的匹配，滿足波形正常輸出。所述保護(hù)電路模塊是對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的安全性進(jìn)行保護(hù)，即對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的過(guò)壓、過(guò)流、溫度過(guò)高等可靠性進(jìn)行保護(hù)。

本實(shí)施例中，dds信號(hào)生成模塊的主要功能是產(chǎn)生對(duì)超聲人體理療換能器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以快速、準(zhǔn)確地根據(jù)單片機(jī)模塊輸出的控制信號(hào)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率、相位、幅值，以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相以及調(diào)幅的目的。本發(fā)明采用的是采用直接數(shù)字頻率合成dds技術(shù)，dds是一種新的頻率合成技術(shù)和數(shù)字信號(hào)生成方法，具有輸出頻率頻譜范圍寬、頻率變換速度快、頻率分辨精度高和輸出波形任意、失真小、相位噪聲低、相位可快速切換且連續(xù)調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。

本實(shí)施例中，功率放大模塊為由兩個(gè)irf510pbf大功率晶體管構(gòu)成的半波式諧振網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)mosfet驅(qū)動(dòng)，控制兩個(gè)mosfet高速地輪流導(dǎo)通，輸出的交流方波電壓通過(guò)lcc串并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)后逆變?yōu)槌晸Q能器所需的正弦波信號(hào)。與多級(jí)放大電路相比，其整體電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低，其輸出電壓穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也比較快，具有比較高的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。

本實(shí)施例中，所述阻抗匹配模塊包括電容c1、電容c2、電感l(wèi)1和電感l(wèi)2，電容c1、電感l(wèi)1和電感l(wèi)2依次串聯(lián)，電容c2的一端分別與電感l(wèi)1和電感l(wèi)2相連接，另一端分別與功率放大模塊和電壓電流信號(hào)采集模塊相連接。具體的，所述電感l(wèi)1和電感l(wèi)2的電感值均為2.3μh，電容c1的電容值為470nf，電容c2的電容值為8.25nf?？蓾M足與超聲換能器的匹配要求。

本實(shí)施例中，信號(hào)采集與控制模塊采用電阻采樣方案，采樣電路如圖2所示。在此模塊中，重點(diǎn)對(duì)采樣電阻選型，電路中采樣電阻選定為rng-8型低阻金屬箔精密采樣電阻，其功率為2w，阻值偏差為0.1ω，溫度系數(shù)±5，耐壓值為1000v，采用無(wú)感設(shè)計(jì)，線性度好，穩(wěn)定性高。信號(hào)采集與處理電路采用高階有源帶通濾波放大電路，對(duì)反饋采集到的電壓、電流信號(hào)完成濾波放大以及限幅保護(hù)等功能。理想濾波電路的頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。采用巴特沃思響應(yīng)的二階帶通濾波器，其脈沖響應(yīng)優(yōu)于切比雪夫響應(yīng)，衰減速率優(yōu)于貝塞爾濾波。由于系統(tǒng)要求處理的信號(hào)帶寬范圍很寬，因此采用一級(jí)二階高通濾波器與一級(jí)二階低通濾波器相級(jí)聯(lián)的方法，巴特沃思響應(yīng)的低通濾波器是具有單位增益的正反饋型低通濾波器，亦稱sallen-key電路。

本實(shí)施例中，因超聲理療儀的換能器探頭在實(shí)際工作因外部環(huán)境的變化、負(fù)載的變化及換能器探頭自身的發(fā)熱等等，會(huì)使得壓電陶瓷工作在非諧振的狀態(tài)，也就是諧振頻率點(diǎn)產(chǎn)生了一定的漂移。因此，需要對(duì)探頭的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。本發(fā)明采用模糊控制算法來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器的輸出頻率。頻率控制模塊由單片機(jī)模塊、dds信號(hào)生成模塊、功率放大模塊、阻抗匹配模塊、信號(hào)采集與控制模塊和電路保護(hù)模塊組成。

在超聲換能器的兩端加入采樣電阻，即可對(duì)超聲換能器兩端的電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行采樣。取樣信號(hào)經(jīng)數(shù)字鑒相電路處理后得到相位差由頻率控制算法處理后再反饋到dds芯片，調(diào)整其輸出的pwm波信號(hào)頻率，從而改變開關(guān)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)的頻率，使超聲換能器重新處于諧振狀態(tài)。

本發(fā)明提出了一種基于模糊變步長(zhǎng)的頻率跟蹤方案，根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋的電流有效值進(jìn)行模糊推理，給出一個(gè)合適的頻率步長(zhǎng)，在與目前的超聲換能器的驅(qū)動(dòng)頻率相加，即可得超聲換能器目前的諧振頻率，將此頻率寫入dds芯片中，輸出與超聲換能器諧振頻率一致的pwm波。頻率跟蹤的快速性和準(zhǔn)確度都會(huì)有所提高。圖4即為基于模糊控制器的頻率控制框圖。模糊控制器的輸入量選擇為最大電流值和反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)反饋的電流有效值之差和差值電流相對(duì)頻率的變化率，頻率的變化量作為輸出量。模糊控制器的結(jié)構(gòu)主要有模糊化、模糊判決、模糊推理、隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則組成的知識(shí)庫(kù)構(gòu)成。

通過(guò)單片機(jī)程序控制便可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤功能，恒定電壓、恒定電流、恒定功率等功能，能滿足在人體理療動(dòng)態(tài)過(guò)程中的不同工況的工作需求，靈活性高，適用范圍廣。

根據(jù)上述說(shuō)明書的揭示和教導(dǎo)，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行變更和修改。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的一些修改和變更也應(yīng)當(dāng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。此外，盡管本說(shuō)明書中使用了一些特定的術(shù)語(yǔ)，但這些術(shù)語(yǔ)只是為了方便說(shuō)明，并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制，采用與其相同或相似的其它發(fā)生器，均在本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)。