[發明專利]一種高頻超聲換能器鎖頻實現方法

有效

• 申請號: 201811257569.0
• 申請日: 2018-10-26
• 公開（公告）號: CN109365250B
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發明（設計）人: 劉玉菲;唐帥;陳璐;孫長河
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: B06B1/02
• 分類號: B06B1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種針對高頻率超聲換能器頻率鎖定方法，其解決現有高頻率超聲成像換能器頻率跟蹤慢、精度不高、依賴高性能處理器處理的問題，所提出的高頻率超聲換能器鎖頻系統包括處理器模塊、DDS信號發生模塊、可調功率放大模塊、電壓電流采樣及I/V轉換模塊、乘法器模塊、低通濾波器模塊、ADC采樣模塊、顯示模塊和高頻超聲換能器。其根據采集換能器負載兩端電壓以及電流信號，通過乘法器混頻，經過低通濾波器濾除高頻分量，利用ADC并采用中位值平均濾波法對直流分量進行采樣，直流分量大小反應相位差大小，最后利用大小步長搜索方法控制頻率輸出進行頻率鎖定。本發明能通過普通性能處理器控制DDS產生連續波來快速、精準地跟蹤并鎖定高頻超聲換能器的諧振頻率。

技術領域

本發明涉及超聲成像換能器，具體涉及到對高頻超聲換能器的頻率跟蹤和鎖定方法。

背景技術

超聲換能器是超聲設備的重要組成部分，特別是高頻率超聲成像換能器在醫療超聲成像系統、檢測超聲成像系統中扮演不可或缺的角色。超聲成像換能器只有工作在諧振頻率其機電轉換效率才最高。但是，超聲成像換能器在使用過程中因為外界環境因素的改變如溫度的改變以及使用時間久后導致其自身參數的變化，其諧振頻率點會隨之發生改變，一旦超聲成像換能器工作在非諧振頻率點，其輸出功率會大幅減小，這樣使得換能器發出的超聲信號很微弱，回波信號也微弱，很難滿足高精度、高質量的成像要求。因此需要超聲成像換能器的激勵電路具有能對其頻率進行跟蹤和鎖定的功能。

現有超聲換能器頻率跟蹤方法多種多樣，但是會存在頻率跟蹤慢、無法精確跟蹤高頻率超聲成像換能器，或者跟蹤高頻率超聲成像換能器需要高性能處理器的問題。

專利公開號CNIO1468347A，專利名稱為超聲換能器的自動頻率跟蹤方法及其系統，該專利由直接數字合成器產生頻率可調的正弦波信號，經功率放大器放大后,匹配網絡驅動超聲換能器，取樣回路從超聲換能器的功率輸出端采集超聲換能器的一組電壓和電流反饋信號，該組信號分別經濾波整形電路送到相位比較電路、經幅度調整電路送到主控單片機，主控單片機根據換能器本身的工作頻率范圍控制DDS控制器的觸發信號和頻率字，并對DDS控制器發出連續頻率掃描指令，使DDS控制器輸出頻率連續變化的正弦波；同時，主控單片機還實時監視換能器的取樣電流反饋信號的幅值，當電流反饋信號的幅值大于換能器諧振時電流幅值的一半時，主控制器就會讓DDS控制器停止掃頻，對DDS控制器發出自動跟蹤指令；相位比較電路對經濾波整形電路處理后的電壓和電流反饋信號進行相位比較，然后把相差信號輸入給相差累積電路以產生DDS芯片的頻率字，DDS控制器會把該頻率字按固定時序傳給DDS芯片以自動改變其輸出信號的頻率，從而使得超聲換能器始終工作在諧振點附近，實現自動頻率跟蹤。此種現有技術的超聲波發生器自動鎖頻的方法具有以下缺陷：

跟蹤速度慢，其所述主控單片機監測到電流反饋信號的幅值大于換能器諧振時的電流幅值的一半時,主控制器就會讓DDS控制器停止掃頻,發出自動跟蹤指令，監測到電流反饋信號的幅值大于換能器諧振時的電流幅值的一半時，期間需要不斷對頻率進行掃描，同時不斷對采樣電流進行比較分析，期間還未真正進入鎖頻過程，其準備時間較長。

難以對高頻率換能器進行精確跟蹤，該發明對經濾波整形電路處理后的電壓和電流反饋信號進行相位比較,并把相差信號輸入給相差累積電路以產生DDS芯片的頻率字,由于高頻信號對整形電路要求很高，而且整形波形相位會發生偏移，導致跟蹤到非諧振點，同時利用觸發器對其上升沿信號的敏感特性給出I_ph和V_ph兩個輸入信號的上升沿信號到來的時間差來判斷相位差，這需要依賴高性能處理器對其上升沿信號進行捕捉，換能器諧振頻率越高，其需要的處理器性能就越高，另外，由于換能器自身存在漸變特性，在非諧振點頻率電流輸出并不為零，這對結果造成干擾。