CN109365250B - 一种高频超声换能器锁频实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种针对高频率超声换能器频率锁定方法，其解决现有高频率超声成像换能器频率跟踪慢、精度不高、依赖高性能处理器处理的问题，所提出的高频率超声换能器锁频***包括处理器模块、DDS信号发生模块、可调功率放大模块、电压电流采样及I/V转换模块、乘法器模块、低通滤波器模块、ADC采样模块、显示模块和高频超声换能器。其根据采集换能器负载两端电压以及电流信号，通过乘法器混频，经过低通滤波器滤除高频分量，利用ADC并采用中位值平均滤波法对直流分量进行采样，直流分量大小反应相位差大小，最后利用大小步长搜索方法控制频率输出进行频率锁定。本发明能通过普通性能处理器控制DDS产生连续波来快速、精准地跟踪并锁定高频超声换能器的谐振频率。

Description

一种高频超声换能器锁频实现方法

技术领域

本发明涉及超声成像换能器，具体涉及到对高频超声换能器的频率跟踪和锁定方法。

背景技术

超声换能器是超声设备的重要组成部分，特别是高频率超声成像换能器在医疗超声成像***、检测超声成像***中扮演不可或缺的角色。超声成像换能器只有工作在谐振频率其机电转换效率才最高。但是，超声成像换能器在使用过程中因为外界环境因素的改变如温度的改变以及使用时间久后导致其自身参数的变化，其谐振频率点会随之发生改变，一旦超声成像换能器工作在非谐振频率点，其输出功率会大幅减小，这样使得换能器发出的超声信号很微弱，回波信号也微弱，很难满足高精度、高质量的成像要求。因此需要超声成像换能器的激励电路具有能对其频率进行跟踪和锁定的功能。

现有超声换能器频率跟踪方法多种多样，但是会存在频率跟踪慢、无法精确跟踪高频率超声成像换能器，或者跟踪高频率超声成像换能器需要高性能处理器的问题。

专利公开号CNIO1468347A，专利名称为超声换能器的自动频率跟踪方法及其***，该专利由直接数字合成器产生频率可调的正弦波信号，经功率放大器放大后,匹配网络驱动超声换能器，取样回路从超声换能器的功率输出端采集超声换能器的一组电压和电流反馈信号，该组信号分别经滤波整形电路送到相位比较电路、经幅度调整电路送到主控单片机，主控单片机根据换能器本身的工作频率范围控制DDS控制器的触发信号和频率字，并对DDS控制器发出连续频率扫描指令，使DDS控制器输出频率连续变化的正弦波；同时，主控单片机还实时监视换能器的取样电流反馈信号的幅值，当电流反馈信号的幅值大于换能器谐振时电流幅值的一半时，主控制器就会让DDS控制器停止扫频，对DDS控制器发出自动跟踪指令；相位比较电路对经滤波整形电路处理后的电压和电流反馈信号进行相位比较，然后把相差信号输入给相差累积电路以产生DDS芯片的频率字，DDS控制器会把该频率字按固定时序传给DDS芯片以自动改变其输出信号的频率，从而使得超声换能器始终工作在谐振点附近，实现自动频率跟踪。此种现有技术的超声波发生器自动锁频的方法具有以下缺陷：

跟踪速度慢，其所述主控单片机监测到电流反馈信号的幅值大于换能器谐振时的电流幅值的一半时,主控制器就会让DDS控制器停止扫频,发出自动跟踪指令，监测到电流反馈信号的幅值大于换能器谐振时的电流幅值的一半时，期间需要不断对频率进行扫描，同时不断对采样电流进行比较分析，期间还未真正进入锁频过程，其准备时间较长。

难以对高频率换能器进行精确跟踪，该发明对经滤波整形电路处理后的电压和电流反馈信号进行相位比较,并把相差信号输入给相差累积电路以产生DDS芯片的频率字,由于高频信号对整形电路要求很高，而且整形波形相位会发生偏移，导致跟踪到非谐振点，同时利用触发器对其上升沿信号的敏感特性给出I_ph和V_ph两个输入信号的上升沿信号到来的时间差来判断相位差，这需要依赖高性能处理器对其上升沿信号进行捕捉，换能器谐振频率越高，其需要的处理器性能就越高，另外，由于换能器自身存在渐变特性，在非谐振点频率电流输出并不为零，这对结果造成干扰。

专利公开号CNIO6140592A，专利名称为数字式超声波发生器及其自动锁频方法，该专利由驱动电路经过高频逆变电路驱动换能器，对电流电压信号采样送入乘法器，经由低通滤波滤除高频信号，再对直流信号进行反余弦处理，得出相位差信号，最后经过处理器控制频率跟踪到谐振点。该方法经由高频逆变电路后的高压信号会产生尖峰脉冲，经由滤波电路后仍然无法完全消除，另外采样电路需通过电压电流隔离电路，这样很难保持采样信号原有波形信息不变，这些会对后续采样造成干扰，这很难对高频率超声成像换能器谐振频率进行精确锁定。

发明内容

本发明目的在于提供一种能利用普通性能处理器快速、精准地跟踪并锁定高频超声换能器的谐振频率的方法，解决现有超声成像换能器频率跟踪慢、精度不高、依赖高性能处理器处理的，难以跟踪高频率换能器的问题。

本发明提出一种高频超声换能器锁频实现方法，实现步骤为：

(1)利用处理器模块驱动DDS信号发生模块产生频率可变的高频连续正弦波信号。

(2)利用可调功率放大模块对高频正弦波信号进行可调功率放大。

(3)经过功率放大的高频连续正弦波信号驱动高频超声换能器以连续波模式工作。

(4)利用电压电流采样及I/V转换模块对换能器负载输出电压电流信号进行采集，电压信号进行分压采集处理，电流信号经过I/V转换成电压信号进行采集。

(5)将采集到的电压电流信号送入乘法器模块进行混频处理。

(6)将输出得到混频信号送入低通滤波器模块，将高频分量信号滤除，剩下低频直流分量。

(7)将低频直流分量送入ADC采样模块进行AD转换，ADC采样数据处理采用中位值平均滤波法，输出反应相位差大小的数字化低频直流分量的值。

(8)将AD转换后的值送入处理器模块进行判断处理，通过判断ADC采样直流分量，根据采样值大小确定相位差大小，利用大小步长搜索方法对频率进行跟踪和锁定，最后输出锁定后的谐振频率。

(9)最后将锁定的谐振频率结果输出显示到LCD液晶屏上。

作为上述方法的改进，在所述DDS信号发生模块后添加LC低通无源滤波网络，使DDS信号发生模块产生的正弦波信号经过低通滤波网络后有效将噪声滤除，提高信号的信噪比。

作为上述方法的又一改进，所述I/V转换模块反馈电阻R_f采用精密可调变阻器，范围为0～5KΩ，R_f影响到跨阻式运算放大电路的增益，换能器输出电流随着频率变化而改变，在谐振频率点输出电流最大，为了使电压电流幅值更好地匹配，保证锁频精度，采用精密可调变阻器便于调节跨阻式运算放大电路的增益，同时能适应更换不同频率换能器的增益调节。

作为上述方法的再一改进，所述低通滤波器模块截止频率调整为10KHz，由于ADC采样信号为直流分量，而采样时间同信号频率有关，信号频率越高，采样完整信号的周期就越短，所需的时间越短，为了能快速对信号进行采样和计算，适当将滤波器截止频率提高有利于在保证采样精度的同时缩短采样时间。

和现有技术相比，本发明所涉及的一种高频超声换能器锁频实现方法优点在于：

(1)采用DDS产生高频连续正弦波经过功率放大后激励换能器工作在连续波模式，并对其进行频率跟踪和锁定，不需要经过高频逆变电路驱动换能器，不会产生尖峰脉冲，同时不需要隔离电路，最大限度保证输出波形的完整性和不失真，为后续频率锁定提供精度保障。

(2)对高频超声换能器有效电流电压采样后经过高带宽乘法器混频，经过五阶低通滤波器滤除高频分量，低频分量再经过高精度ADC采样，ADC采样结果大小直接反映出相位差，这一系列过程不依赖于高性能处理器即可完成，最后仅需要普通性能处理器即可对ADC采样结果进行处理，这样可以很容易实现对高频率超声成像换能器的频率锁定。

(3)ADC采样利用中位值平均滤波法，能有效滤除电路不稳定因素产生的极大极小值，进一步保证ADC采样的精度，而频率锁定算法采用大小步长的方法相对于常规的频率扫描锁频方法，能极大减少锁频频率扫描范围，在保证精度的前提能进行频率快速锁定。

经验证，该方法能快速、精确地对高频超声换能器谐振频率进行锁定。

附图说明

图1是本发明的整体模块框图。

图2是本发明的DDS信号发生模块电路原理图。

图3是本发明的I/V转换模块电路原理图。

图4是本发明五阶低通滤波器模块电路原理图。

图5是本发明中位值平均滤波方法程序流程图。

图6是本发明大小步长搜索方法程序流程图。

图7是本发明大小步长搜索方法过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所涉及的一种高频超声换能器锁频实现方法由处理器模块1、DDS信号发生模块2、可调功率放大模块3、电流采样及I/V转换模块4、电压采样模块5、乘法器模块6、低通滤波器模块7、ADC采样模块8、显示模块9和高频超声换能器10组成。

所述处理器模块1同所述DDS信号发生模块2、所述ADC采样模块8、所述显示模块9连接，所述DDS信号发生模块2同所述可调功率放大模块3连接，所述可调功率放大模块3同所述高频超声换能器10连接，所述高频超声换能器10同所述电压采样模块5和所述电流采样及I/V转换模块4连接、所述电压采样模块5和所述电流采样及I/V转换模块4同所述乘法器模块6连接，所述乘法器模块6同所述低通滤波器模块7连接，所述低通滤波器模块7同所述所述ADC采样模块连接8。

具体实施方法详细步骤为：

(1)如图2所示，利用处理器模块1驱动DDS信号发生模块2产生频率可变的高频连续正弦波信号，在W_CLK信号上升沿到来时将一位数据信息通过D7引脚输入到芯片中去，当40位控制信息传送完毕，通过FQ_UD引脚产生一个脉冲对输出频率和相位进行更新，产生频率可调正弦波信号通过LC无源低通滤波网络进行滤波后输出。

(2)利用可调功率放大模块3对高频正弦波信号进行可调功率放大。经过功率放大的高频连续正弦波信号驱动高频超声换能器以连续波模式工作。

(3)利用电压采样模块5和电流采样及I/V转换模块4对换能器负载输出电压电流信号进行采集，电压信号进行分压采集处理，电流信号经过I/V转换成电压信号进行采集，I/V转换模块如图3所示。

(4)将采集到的电压电流信号送入乘法器模块6进行混频处理。

(5)将输出得到混频信号送入低通滤波器模块7，如图4所示，滤波器模块将高频分量信号滤除，剩下低频直流分量。

(6)将低频直流分量送入ADC采样模块8进行AD转换，ADC采样数据处理采用中位值平均滤波法，如图5所示，即将采集到的N个数据去掉m1个最小值和m2个最大值，最后将中间N-m1-m2个值作平均，输出反应相位差大小的数字化低频直流分量的值。

(7)将AD转换后的值送入处理器模块1进行判断处理，将AD转换后的值送入处理器模块1进行判断处理，因为超声换能器输出功率满足

利用积化和差转换为

其中

是高频分量，而

是低频分量，其

为电压电流相位差，通过判断ADC采样直流分量，根据采样值大小确定相位差大小，利用大小步长搜索方法对频率进行跟踪和锁定，如图6以及图7所示，大小步长搜索方法为先按照大步长(m₁-m₂)/N₁在设定的频率范围m₁-m₂内进行频率扫描，同时将ADC输出结果反馈到处理器中做判断，缩小范围到s₁-s₂内进行频率扫描，步长变为(s₁-s₂)/N₂，以此类推，直到判断对应ADC数值最大的频率点是否满足精度要求，此时搜索步长为(k₁-k₂)/N_n，满足精度要求的频率f落在n₁-n₂范围内，最后输出锁定后的谐振频率f。

(8)最后将锁定的谐振频率结果输出显示到显示模块9上。

以上实施和说明描述的是本发明的具体实现，本发明还可以做多种变化和改进，这些变化和改进变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种高频超声换能器锁频实现方法，其特征在于：包括处理器模块、DDS信号发生模块、可调功率放大模块、电压电流采样及I/V转换模块、乘法器模块、低通滤波器模块、ADC采样模块、显示模块和高频超声换能器，

利用处理器模块驱动DDS信号发生模块产生频率可变的高频连续正弦波信号；利用可调功率放大模块对高频正弦波信号进行可调功率放大；经过功率放大的高频连续正弦波信号驱动高频超声换能器以连续波模式工作；利用电压电流采样及I/V转换模块对换能器负载输出电压电流信号进行采集，电压信号进行分压采集处理，电流信号经过I/V转换成电压信号进行采集；将采集到的电压电流信号送入乘法器模块进行混频处理；将输出得到混频信号送入低通滤波器模块，将高频分量信号滤除，剩下低频直流分量；将低频直流分量送入ADC采样模块进行AD转换，ADC采样数据处理采用中位值平均滤波法，输出反应相位差大小的数字化低频直流分量的值；将AD转换后的值送入处理器模块进行判断处理，通过判断ADC采样直流分量，根据采样值大小确定相位差大小，利用大小步长搜索方法对频率进行跟踪和锁定，最后输出锁定后的谐振频率；最后将锁定的谐振频率结果输出显示到显示模块上；

所述低通滤波器模块阶数为五阶，截止频率为10Hz。

2.根据权利要求1所述的一种高频超声换能器锁频实现方法，其特征在于：所述处理器作为主控中心，控制所述DDS信号发生模块产生高频率可变的正弦波，同时处理所述ADC采样模块的采样数据以及驱动所述显示模块，进行后续编程处理和结果显示。

3.根据权利要求1或2所述的一种高频超声换能器锁频实现方法，其特征在于：所述处理器控制所述DDS信号发生模块输出连续的高频率正弦波，在时钟信号上升沿到来时将一位数据信息通过位控制引脚输入到芯片中去，当位控制信息传送完毕，通过频率控制引脚产生一个脉冲对输出频率和相位进行更新。

4.根据权利要求1所述的一种高频超声换能器锁频实现方法，其特征在于：所述可调功率放大模块实现对所述DDS信号发生模块产生的连续正弦波信号进行可调节式功率放大。

5.根据权利要求1所述的一种高频超声换能器锁频实现方法，其特征在于：所述电压电流采样及I/V转换模块中的I/V转换模块采用跨阻式运算放大电路，其输入偏置电流为2pA，输入失调电压为±250μV。

6.根据权利要求1所述的一种高频超声换能器锁频实现方法，其特征在于：所述乘法器模块带宽为250MHz，满足高频超声信号所需带宽要求。

7.根据权利要求1所述一种高频超声换能器锁频实现方法，其特征在于：所述ADC采样模块采用芯片为24位高精度，电压分辨率为10μV。

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