[发明专利]一种高频超声换能器锁频实现方法

说明书

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系统包括处理器模块、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。

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系统、检测超声成像系统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系统，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。