0 引言

目前國內(nèi)外的多數(shù)超聲治療儀(理療型)普遍都是以連續(xù)正弦波(1～3 MHz)或脈沖正弦波(低頻調(diào)制100 kHz左右)的方式進(jìn)行工作，其輸出聲強(qiáng)≤3．0 W／cm2,，所存在的問題是超聲波主要作用于皮膚,、肌肉和結(jié)締組織，發(fā)射波形峰值高,、穿透力差等,，對較深病灶點(diǎn)的治療效果不明顯。因此,，治療和促進(jìn)肌肉恢復(fù)和骨骼愈合需要很長的時(shí)間,。本設(shè)計(jì)的理療儀能產(chǎn)生波形峰值低、穿透力強(qiáng)的特定超聲波能量,，可以更加深層地作用于肌肉骨骼上,，起到加速愈合的作用。本設(shè)計(jì)使用電路模塊化的設(shè)計(jì)思路,，并結(jié)合實(shí)際電路設(shè)計(jì)了一種簡單適用的多參數(shù)超聲波治療儀,。目前，該設(shè)計(jì)在國內(nèi)外無類似的產(chǎn)品報(bào)道,，產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理涉及許多關(guān)于超聲波對骨傷治療的最前沿的研究成果和報(bào)道,。

1 系統(tǒng)構(gòu)成原理

該系統(tǒng)主要分為5個(gè)主要模塊。其中單片機(jī)控制模塊是系統(tǒng)核心,，它控制著超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)度,。其他(如MAX038則)主要是產(chǎn)生高頻波，NE555構(gòu)成多諧振蕩器,，混頻后產(chǎn)生的超聲波經(jīng)過放大輸出,，即可作用于人體的受傷部位，其基本的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示,。



本系統(tǒng)的基本工作原理是先由集成芯片MAX038輸出一個(gè)高頻信號,，同時(shí)由NE555構(gòu)成的多諧振蕩器通過7474組成的二分頻電路和MAX029以及外圍電路構(gòu)成的低通濾波器得到低頻信號，再用低頻信號調(diào)制高頻信號,，以得到適當(dāng)頻率的超聲波,。由于信號比較微弱，所以需要功率放大器來對信號進(jìn)行放大,。這里的功放電路采用三級放大電路,，最后再經(jīng)過換能器輸出，并由單片機(jī)控制超聲波的輸出強(qiáng)度,。

2 高頻信號的產(chǎn)生

產(chǎn)生高頻信號可選用美信公司的MAX038高頻波形發(fā)生器芯片,。該方法的各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示,。能夠產(chǎn)生多種波形的函數(shù)信號,。函數(shù)信號發(fā)生器也可以由晶體管、運(yùn)放IC等通用器件制作，而美信公司的函數(shù)信號發(fā)生器MAX038的頻率高,、精度好,，因此，它被稱為高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器IC,。該芯片組成的高頻信號產(chǎn)生電路如圖2所示,。



圖2中，第3腳和第4腳(即A0和A1腳)即是控制輸出的波形,，而輸出的波形頻率則由外接電容C1和第8腳和第10腳共同確定,。

3 低頻信號發(fā)生電路

低頻信號發(fā)生模塊電路可采用NE555構(gòu)成多諧振蕩器，當(dāng)該振蕩器輸出波形信號后,，再接以7474鎖存器為主要部件組成二分頻電路,，最后再用MAX298組成低通濾波器以進(jìn)行濾波，就能得到所需的低頻信號波,。MAXIM公司生產(chǎn)的MAX29X系列8階低通開關(guān)電容濾波器由于使用方便,、設(shè)計(jì)簡單、尺寸小(有8-pin DIP封裝),，因而在ADC的反混疊濾波,、噪聲分析、電源噪聲抑制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,。這里不采用MAX03 8來產(chǎn)生低頻波的原因主要是兩種波形參雜的直流電平不同時(shí),，其混頻以后效果不明顯。而用MAX298進(jìn)行濾波,，則可以在5 kHz～10 kHz頻率內(nèi)得到很好的濾波效果,，具體的低頻信號發(fā)生電路如圖3所示。其中振蕩周期由NE555中R1,，R2和C1確定,，具體公式為：





4 混頻電路的設(shè)計(jì)

混頻可以用乘法電路來實(shí)現(xiàn)，并可以用下面的關(guān)系式來設(shè)計(jì)電路：



因?yàn)槭褂贸朔ㄟ\(yùn)算電路可以很方便地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬信號的相乘,，而且,，以乘法運(yùn)算電路為基本單元，也可以很容易地組成除法,、乘方和開方等運(yùn)算電路,。因此，在無線電通訊領(lǐng)域,，利用乘法運(yùn)算電路還可以組成調(diào)制,，解調(diào)電路。目前市場上已有可實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的集成電路,，稱為模擬乘法器,。

模擬乘法器的表達(dá)式是：



式中,，k為比例系數(shù)，一般各電路的比例系數(shù)都不大相同,。

在本電路的設(shè)計(jì)當(dāng)中,，乘法器主要用于實(shí)現(xiàn)兩種信號的相乘，以將低頻信號變到中頻,。本設(shè)計(jì)需要兩種頻率的信號,，一種是載波(即高頻信號)，另一個(gè)是調(diào)制波(即低頻信號),。為了實(shí)現(xiàn)AM調(diào)制,，需要使用合理的乘法器電路。本設(shè)計(jì)選定由Motorola公司的MC1496集成雙平衡模擬乘法器,。MC1496是Motorola公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的模擬乘法器,，可用作寬帶、抑制載波雙邊帶平衡調(diào)制器,，它不需要耦合變壓器或調(diào)諧電路,，還可作為高性能的SSB乘法檢波器、AM解調(diào)／解調(diào)器,、FM解調(diào)器,、混頻器、倍頻器,、鑒相器等,。

MC1496可以采用單電源，也可以采用雙電源供電,，兩者效果相同,。單電源供電時(shí)，其直流偏置由外接元件來實(shí)現(xiàn),。本設(shè)計(jì)選用單電源,，單電源供電輸出是對地信號。而在雙電源中,，輸出為雙輸出的差分信號,。其具體電路如圖4所示。
 

5 功率放大器設(shè)計(jì)

超聲發(fā)生器的功率放大電路除了要具有一般放大器中的整流,、振蕩,、放大和保護(hù)等通用電路外，還應(yīng)有一些特殊的電路,，如頻率自動跟蹤,、匹配、功率自動控制,、振動系統(tǒng)振幅控制等電路,。這些電路是發(fā)生器負(fù)載(即換能器)的特殊性質(zhì)所要求的,。通常發(fā)生器有一個(gè)最佳負(fù)載值(有時(shí)亦稱為輸出阻抗)，只有當(dāng)實(shí)際負(fù)載等于此值時(shí),，發(fā)生器才能工作于設(shè)計(jì)狀態(tài),，并向負(fù)載提供額定的輸出,。否則就需要通過輸出變壓器作阻抗變換,。除此之外，還必須進(jìn)行調(diào)諧,，因?yàn)閾Q能器為一有抗負(fù)載,，因此，直接聯(lián)接到發(fā)生器上會產(chǎn)生相當(dāng)大的無功損耗,，這不僅會使效率降低,，而且會影響到發(fā)生器的安全使用。因而需要有一個(gè)電抗相反的元件來“抵消”換能器中電抗分量的影響,，這就是所謂的調(diào)諧,。在此功放中，比較重要的就是匹配,，由于壓電換能器有靜電容,，而且磁致伸縮換能器有靜電感，因此,，在換能器諧振狀態(tài)時(shí),，換能器上的電壓與電流間存在著一相位角φ，其輸出功率P=cosφ,。由于φ的存在,，輸出功率達(dá)不到最大值。只有當(dāng)φ=0時(shí),，輸出功率才可達(dá)最大值,。因此，為了使換能器上電壓VRL與電流同相(φ=0),，就必須在換能器上并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)相抵消的阻抗,。對于壓電換能器而言，即并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)電感即可,，而磁致伸縮換能器則應(yīng)并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)電容,。

對于超聲波的功率放大部分，本文做了一些測量和計(jì)算,，實(shí)際電路的設(shè)計(jì)為三級放大,。圖5所示是其前級電路，其中采用場效應(yīng)管作為第一級前端放大,，其后使用射集放大電流,。每個(gè)放大在輸出端都加入了射集輸出電路以此來降低輸出阻抗,，從而達(dá)到放大電流的效果。中間級三極管放大電路如圖6所示,，其輸入和輸出都有電容濾波,，并在輸出端加入射集跟隨器，以降低輸出阻抗,。末級三極管放大電路采用東芝公司的2SC3281功率三極管,，其電路如圖7所示。







6 單片機(jī)控制

本設(shè)計(jì)采用ATMEL公司的AT89C2051單片機(jī)來組成控制系統(tǒng),。由于系統(tǒng)的要求不很嚴(yán)格,，即不要求高運(yùn)算速度，也不要求大內(nèi)存,，而只要求有一定的抗震性,，且價(jià)格便宜，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的目的即可,。因此,，筆者選用AT89C2051型CPU。這種CPU的使用溫度范圍為-40℃～125℃,，有20個(gè)管腳,，是8051型CPU的簡易版，完全能滿足本系統(tǒng)的使用要求,。由于主程序主要完成模塊初始化以及自身程序的調(diào)用,，因而其結(jié)構(gòu)清晰簡單，圖8所示是它的控制軟件流程圖,。



其次就是初始化模塊,，其作用是讓定時(shí)器、中斷等回復(fù)到最原始的狀態(tài),。比如使定時(shí)器工作在工作方式1,，定時(shí)器1的中斷優(yōu)先級最高等等。它的初始化流程圖如圖9所示,。

第三就是功率輸出調(diào)節(jié),，本理療儀輸出功率共分三檔(低、中,、高),，設(shè)計(jì)時(shí)采用單片機(jī)輸出控制后續(xù)BJT電路的靜態(tài)偏置電壓，從而改變BJT靜態(tài)工作點(diǎn),，使壓電晶體兩端的輸出電壓幅度發(fā)生變化,，以調(diào)節(jié)輸出功率。設(shè)計(jì)時(shí)可通過外部按鍵中斷來調(diào)用中斷服務(wù)程序,，從而實(shí)現(xiàn)這一功能,。其原理是通過按鍵的次數(shù)來判斷進(jìn)入哪一個(gè)中斷,，并且調(diào)用相應(yīng)的子程序。由于這里的功率分為三檔,，因此,，可用按鍵次數(shù)除以4所得的余數(shù)來判斷，即：

如果按鍵次數(shù)為4N(N=0,，1,，2，3………),，那么不輸出功率,；

如果按鍵次數(shù)為4N+1(N=0,，1,，2，3………),，則調(diào)用低功率輸出子程序,；

以此類推，便可以實(shí)現(xiàn)三種不同功率的輸出,。

以下是其部分代碼：



7 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)主要給出了超聲波從產(chǎn)生到控制的一個(gè)較詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方案,。相對于其他方法，此方案較為簡單,，并且成本較低,，用的器件都是比較常見的。高頻和低頻信號獨(dú)立產(chǎn)生,，便于對兩種信號進(jìn)行調(diào)整,，而且用單片機(jī)作為控制芯片，其靈活性較高,，同時(shí)還可以根據(jù)不同的要求進(jìn)行修改,，從而滿足各種實(shí)際需求。