随着现代科学技术的发展，超声技术在医学治疗中得到广泛应用：超声粉碎、超声理疗仪、超声手术刀等，这些设备的超声系统主要是由超声波发生器和超声换能器组成，只有在确保发生器的频率和换能器的谐振频率同步，超声设备才能工作正常。但由于换能器的自身及外在原因(如：负载变化、磨损、发热等)，其会发生一定的失真，故需要建立一个自动控制系统，可以快速、准确地寻找新的谐振，实现频率自动跟踪。本文根据分析频率跟踪中锁相环技术，设计了一套相位检测电路。

1 资料与方法 1.1 锁相环技术分析

根据超声波发生器能量转换方式，需要保证超声设备的谐振，必须要求超声波发生器所产生的信号频率与换能器的谐振频率一致。如果超声波发生器的信号频率我们以f表示，换能器得谐振频率以f₀表示，那么当f= f₀时，换能器的特性显示为纯阻性，此时换能器上的电压相位和流过的电流相位相同，一旦换能器的谐振发生改变，此电压与电流之间产生相位差，所以根据这两者的相位误差控制系统，确保达到跟踪频率稳定、持续状态。目前跟踪方案：一是获取换能器的谐振频率后，直接反馈到前置的震荡电路。但由于需要负载机械连接，工序比较繁琐。二是利用元器件的连接控制，锁相环即是其中最具代表性的频率跟踪技术。它的原理就是通过同步锁定换能器的电压与电流信号，按照周期对比两个信号的相位，准确控制其频率的性质。它的主要特点：①减小误差，电路产生的脉冲带宽窄，可以过滤嘈杂信号。②稳定性较好，不会随着负载的变化而变化。锁相环的原理图如图 1所示，其控制系统由三个基本部件组成：鉴相器(PD)、环路滤波器(LPE)和压控振荡器(VCO)。通过图示，可以看出电压信号和电流信号通过PC鉴相器，对两个信号的波形进行比较、计算，如果换能器处于失谐，两个信号相位必定不同，产生误差ΔΦ，同时混有嘈杂干扰信号，通过LF将高频成分滤掉，此时的电压为控制电压V₀，控制电压用于改变压控振荡器产生的震荡频率，使压控振荡器的频率与谐振频率相同，如果不同，需要控制电压调节，达到相位相同。

1.2 锁相环相位检测电路设计 1.2.1 采样电路

根据上述分析，我们需要通过采样电路取得电压和电流信号。在电压采样中，由于是针对信号相位的比较，必须确保采取的电压信号相位不发生变化。利用变压器的性质，可以作为采样电压设备。同时电流采样通过电流互感器，将被检测信号通过磁芯感应到传感器上，输出所需的信号。电路如图 2所示。

1.2.2 相位检测电路设计

利用两个过零比较器和D触发器组成相位检测电路，如图 3所示。采样的电压、电流信号分别接入LM319的4端与9端，当两个过零比较器的同相端(即V_I和V_u)，分别比相对应的反相端的电压高时，则12端和7端的输出电压为高电平；反之，则为低电平。将12端和7端所得的信号分别输入到D触发器的D端和CLK端，可以得到他们相位信号超前或滞后的关系：若电压超前电流，则D触发器的输出端电平为低电平；若电流超前电压，则D触发器的输出端电平为高电平。D触发器的输出端连接处理器；同时所得到的两个方波信号经过与门，得到脉冲信号B，此信号就是ΔΦ，根据其占空比的大小，微处理器可以根据其变化控制输出频率的增加或减小，达到相位跟踪检测的目的。

2 结果

在实际操作中，工作头作用在人体上。由于人体本身具有阻抗性，也就是说我们在实验中只要工作头上附加与人体相等数值的阻抗即可。利用水的导电和阻抗性，把工作头作用在水中，通过示波器测试采样信号，测试结果如图 4所示，实验表明，电流电压信号相位相同，实现频率自动跟踪功能。

3 讨论

该设计的检测电路具有:①输出功率比较稳定；②跟踪系统的控制信号与采样电压和采样电流的波形好坏影响不大；③设计简单、操控性好等特点。可以使新型发生器工作稳定。随着超声技术的快速发展，锁相环技术势必得到更广泛的发展，对设备的稳定性起到至关重要的作用，故对它的研究一直在探讨中。