蔣 碩，徐志洲，田 佳，付 麗，張 克

（山東省醫(yī)療器械產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心醫(yī)用電器室，濟(jì)南 250101）

0 引言

干擾電治療設(shè)備是指同時(shí)將2 路以上（包含2路）不同頻率的中頻（頻率為1 000～100 000 Hz）交流電流交叉作用于人體，在組織內(nèi)形成低頻調(diào)制電流來(lái)進(jìn)行治療的一種設(shè)備[1]，其通常由信號(hào)產(chǎn)生及控制裝置、電極、導(dǎo)線及其他附屬部件組成[2]，并基于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)和肌肉的興奮對(duì)于該頻段脈沖的敏感反應(yīng)產(chǎn)生治療作用。而當(dāng)2 路或2 路以上不同頻率的電流同時(shí)作用于人體，則將在電流交叉處形成干擾電磁場(chǎng)，形成一種新的電流。研究表明，該電流強(qiáng)度要比任一組電流更大，有效彌補(bǔ)了電流在人體深處減弱的不足[3-4]。干擾電治療設(shè)備自問(wèn)世以來(lái)逐漸在臨床上廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的研究肯定了其對(duì)于消炎、鎮(zhèn)痛、骨骼愈合、失眠、尿潴留等癥狀的緩解作用[5-8]。干擾電治療設(shè)備的性能指標(biāo)需要嚴(yán)格控制，因此對(duì)其中最核心的指標(biāo)之一——頻率的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)有著重要意義。本文將對(duì)干擾電治療設(shè)備頻率測(cè)試的方法進(jìn)行深入研究，為相關(guān)測(cè)試人員提出有效的測(cè)試方法建議。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)解讀

根據(jù)YY 0951—2015《干擾電治療設(shè)備》的規(guī)定，在干擾電治療設(shè)備中，載波是指在調(diào)制波中被調(diào)制的中頻交流電流；調(diào)制是指用一個(gè)調(diào)制波去改變載波的某種特征（如振幅、頻率或相位）的過(guò)程；差頻是指2路載波的頻率之差。載波通常分為2 種，一種是固定頻率，另一種則是掃頻波，不同型號(hào)、不同治療模式下的掃頻幅度通常從幾赫茲到幾百赫茲不等。YY 0951—2015 中對(duì)于頻率的要求主要有工作頻率、調(diào)制頻率、差頻頻率和差頻變化周期。測(cè)試方法規(guī)定如下：

（1）工作頻率：將負(fù)載阻抗分別接入設(shè)備的每一輸出端，并在負(fù)載阻抗上接入頻率計(jì)或示波器，測(cè)量載波頻率。

（2）調(diào)制頻率：將負(fù)載阻抗分別接入設(shè)備的每一路輸出端，并在負(fù)載阻抗上接入示波器，觀察每一路的輸出波形，測(cè)量調(diào)制波頻率。

（3）差頻頻率范圍：將負(fù)載阻抗分別接入設(shè)備的每一路輸出端，并在負(fù)載阻抗上接入示波器，分別測(cè)量各輸出的頻率。

（4）差頻變化周期：將負(fù)載阻抗分別接入設(shè)備的每一路輸出端，并將2 路輸出接入雙蹤示波器，觀察輸出干擾波形變化，以示波器或電子秒表測(cè)量動(dòng)態(tài)干擾波形的變化周期。

對(duì)于上述各參數(shù)，YY 0951—2015 大都規(guī)定允許誤差為±10%。實(shí)際測(cè)試中，在測(cè)量一些固定頻率的參數(shù)時(shí)，比如調(diào)制頻率，因?yàn)樵跇?biāo)稱值的基礎(chǔ)上允許有±10%的相對(duì)誤差，這樣的要求還是較為容易達(dá)到的，沒(méi)有太大的難度和爭(zhēng)議，通常使用示波器觀察波形進(jìn)行測(cè)試。而在測(cè)量工作頻率時(shí)，涉及到觀察掃頻幅度范圍，且這個(gè)范圍通常比較小，常在幾赫茲到幾百赫茲不等。測(cè)量差頻頻率和差頻變化周期時(shí)，涉及到的差頻值多在0～200 Hz。允許誤差按±10%計(jì)算，得到的絕對(duì)誤差可小至±1 Hz 以下。工作頻率要求測(cè)試載波頻率，YY 0951—2015 中規(guī)定的試驗(yàn)方法為使用頻率計(jì)或示波器進(jìn)行測(cè)試，差頻頻率和差頻變化周期則規(guī)定使用示波器進(jìn)行測(cè)試。綜上所述，頻率主要采用示波器進(jìn)行測(cè)試，但是在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，因?yàn)楦蓴_電治療設(shè)備獨(dú)特的掃頻、差頻特性，對(duì)于掃頻幅度較小的載波，用示波器測(cè)試時(shí)頻率測(cè)試結(jié)果顯示值的波動(dòng)常常已經(jīng)超過(guò)掃頻幅度或頻率允許誤差，故效果并不理想。當(dāng)然，除了采用示波器進(jìn)行測(cè)試，YY 0951—2015 中亦提到了采用頻率計(jì)進(jìn)行測(cè)試。下面將對(duì)幾種頻率測(cè)試方法進(jìn)行探討。

2 頻率測(cè)試方法介紹

實(shí)驗(yàn)室常用的頻率測(cè)試儀器主要有示波器、功率分析儀、頻率計(jì)和頻譜儀。電子測(cè)量發(fā)展的歷程中，最常用的頻率測(cè)試方法有直接測(cè)頻法、周期法、李薩如圖形法、信號(hào)疊加法和傅里葉變換法等[9-10]。李薩如圖形法和信號(hào)疊加法因?yàn)椴僮鬏^為復(fù)雜，很少被測(cè)試實(shí)驗(yàn)室采用。實(shí)際的應(yīng)用現(xiàn)狀歸結(jié)起來(lái)可以分為以功率分析儀為代表的直接測(cè)頻法以及以示波器為代表的周期法和傅里葉變換法。

（1）直接測(cè)頻法。

直接測(cè)頻法[9，11-12]是由時(shí)基振蕩器產(chǎn)生的經(jīng)分頻后的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作為閘門(mén)觸發(fā)器的標(biāo)準(zhǔn)參考，將信號(hào)經(jīng)過(guò)整形電路之后變?yōu)橥l的晶體管-晶體管邏輯電平（transistor transistor logic，TTL）矩形波進(jìn)入閘門(mén)，依靠閘門(mén)觸發(fā)器，通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。直接測(cè)頻法的實(shí)質(zhì)就是記錄在確定閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間T 內(nèi)待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)整流后的脈沖個(gè)數(shù)N，通過(guò)這2 項(xiàng)數(shù)據(jù)可計(jì)算待測(cè)頻率f，計(jì)算公式如下：

（2）周期法。

周期法是先測(cè)量出信號(hào)周期，再計(jì)算出頻率的一種方法，示波器就是一種采用周期法測(cè)試頻率的典型應(yīng)用。示波器是利用電子束的電偏轉(zhuǎn)來(lái)觀察電壓波形的一種常見(jiàn)電子儀器，主要用來(lái)觀察電信號(hào)隨時(shí)間變化的波形，進(jìn)而定量測(cè)量波形的幅度、周期、頻率和相位等參數(shù)。其中頻率測(cè)量多采用一種間接測(cè)量的方法，即通過(guò)對(duì)記錄的波形進(jìn)行分析，計(jì)算出信號(hào)的周期t，再根據(jù)公式（2）計(jì)算出頻率f[13]：

關(guān)于周期的計(jì)算，不同的示波器有著不同的計(jì)算方法。比較常用的方法是取信號(hào)中相鄰2 個(gè)上升沿上為最大幅值50%處2 點(diǎn)的時(shí)間間隔為信號(hào)周期。而這里涉及到的幅值在不同的示波器中定義也不盡相同，故據(jù)此計(jì)算出周期進(jìn)而計(jì)算出頻率的過(guò)程必然會(huì)引入較大的不確定度。

（3）傅里葉變換法。

傅里葉變換法是先獲取被測(cè)信號(hào)的時(shí)域信息，再通過(guò)傅里葉變換將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域。近年來(lái)，示波器作為應(yīng)用最廣泛的電子測(cè)量?jī)x器，其運(yùn)算能力和分析能力不斷提升，尤其是現(xiàn)如今已應(yīng)廣大使用者的需求通過(guò)傅里葉變換實(shí)現(xiàn)了從單一的時(shí)域分析到時(shí)域、頻域并重的轉(zhuǎn)變。只要通過(guò)示波器運(yùn)算功能中的傅里葉變換，即可輕松呈現(xiàn)信號(hào)的頻域信息。但其較真正的頻譜儀而言，還是有許多局限性，如不具備時(shí)間和頻率的定位功能，無(wú)法分析時(shí)變信號(hào)的頻率變化特征，以及時(shí)間分辨力和頻率分辨力無(wú)法同時(shí)滿足人們的需求等[14]。

3 不同頻率測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)對(duì)比

將某干擾電治療儀一個(gè)通道的輸出作為被測(cè)信號(hào)。被測(cè)信號(hào)為一個(gè)3 990～4 010 Hz 的單路掃頻波，包絡(luò)周期為7～8 s。在同一環(huán)境中使用直接測(cè)頻法、周期法、傅里葉變換法分別測(cè)試被測(cè)信號(hào)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

（1）直接測(cè)頻法。

使用寬頻帶功率分析儀的電壓測(cè)量端連接被測(cè)信號(hào)，然后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試部分截圖如圖1 所示。統(tǒng)計(jì)圖1 中各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，由寬頻帶功率分析儀測(cè)試的該信號(hào)的掃頻范圍為3 990～4 010 Hz，契合了該信號(hào)的標(biāo)稱實(shí)際值。

（2）周期法。

使用示波器對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。先將滿屏?xí)r間范圍設(shè)置為20 s 進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2 所示。

圖1 寬頻帶功率分析儀測(cè)試的頻率

圖2 20 s 滿屏?xí)r間范圍下示波器測(cè)試的頻率

由圖2 可知，利用自帶的測(cè)量功能進(jìn)行頻率的讀數(shù)，結(jié)果分別為1.4 Hz 和905.8 mHz 2個(gè)截然不同的結(jié)果，而且與被測(cè)信號(hào)的頻率皆相去甚遠(yuǎn)，可見(jiàn)在此時(shí)間軸設(shè)置下無(wú)法獲取正確的載波頻率信息。

將以20 s 滿屏?xí)r間設(shè)置下采集到的信號(hào)分開(kāi)至滿屏?xí)r間分別為2 s 和20 ms 再進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 2 s 和20 ms 滿屏?xí)r間范圍下示波器測(cè)試的頻率

由圖3 可知，2 s 滿屏?xí)r間設(shè)置下的頻率測(cè)試結(jié)果為4.5 Hz，而20 ms 滿屏?xí)r間設(shè)置下的頻率測(cè)試結(jié)果為3 986.7 Hz。故前者的滿屏?xí)r間設(shè)置仍不可取，而后者的測(cè)試結(jié)果比較接近實(shí)際值。

隨后將滿屏?xí)r間的設(shè)置固定在20 ms，再進(jìn)行連續(xù)采集，結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知，除圖4（f）為2 000.4 Hz 的異常值外，其他測(cè)試結(jié)果在3 982.0～4 030.9 Hz，遠(yuǎn)超出了3 990～4 010 Hz 的范圍。

（3）傅里葉變換法。

利用示波器的傅里葉變換功能進(jìn)行時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)化，測(cè)試被測(cè)信號(hào)，結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，峰值頻率確實(shí)出現(xiàn)在4 000 Hz 附近，但是峰值位置比較模糊，峰值讀數(shù)系統(tǒng)對(duì)于峰值頻率的讀數(shù)僅精確到3.98 kHz，并未測(cè)得更準(zhǔn)確的頻率值。

4 討論

圖4 示波器周期法測(cè)試的頻率

圖5 示波器傅里葉變換法測(cè)試的頻率

本研究通過(guò)選用寬頻帶功率分析儀和示波器測(cè)試同一個(gè)中頻掃頻信號(hào)對(duì)比驗(yàn)證了直接測(cè)頻法、周期法和傅立葉變換法測(cè)試頻率的效果。其中，使用寬頻帶功率分析儀進(jìn)行測(cè)試，頻率示值穩(wěn)定，數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)性佳，測(cè)試結(jié)果良好。使用示波器直接測(cè)試頻率的示值波動(dòng)大，復(fù)現(xiàn)性欠佳，而且不同滿屏?xí)r間設(shè)置下的測(cè)試結(jié)果存在差異。而使用示波器運(yùn)算功能中的傅里葉變換進(jìn)行頻率測(cè)試，測(cè)試精度僅能精確到10 Hz，不能滿足測(cè)試需要，而且先在時(shí)域上采樣再轉(zhuǎn)化成頻域的過(guò)程會(huì)引入新的測(cè)量不確定度，故也不宜被選作干擾電治療設(shè)備頻率測(cè)試的方法。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用寬頻帶功率分析儀的直接測(cè)頻法為各測(cè)試方案中的最佳方法，效果要優(yōu)于采用示波器測(cè)試的方法，尤其對(duì)于掃頻幅度較窄的掃頻信號(hào)。究其原因，這與各種儀器不同的測(cè)量機(jī)理和軟、硬件特性有關(guān)。寬頻帶功率分析儀是用于測(cè)試電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、頻率等參數(shù)的儀器，故須對(duì)每一時(shí)刻的輸入信號(hào)都進(jìn)行采集和計(jì)算。而示波器適用于分析波形，其采樣率很高，但是存在死區(qū)時(shí)間。即示波器雖然采樣率很高，但是需要采集完數(shù)據(jù)后再進(jìn)行處理，處理數(shù)據(jù)的采樣芯片會(huì)停止采集數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)間業(yè)界稱為死區(qū)時(shí)間[15]，這也是示波器測(cè)試準(zhǔn)確性受限的重要因素，因此大大影響了被測(cè)信號(hào)頻率測(cè)試的精度。

本研究中的試驗(yàn)是對(duì)載波信號(hào)的測(cè)試，而差頻頻率、頻率變化周期常常需要測(cè)試2 個(gè)掃頻信號(hào)之間的差異，對(duì)于測(cè)試準(zhǔn)確度要求更高，故可采用寬頻帶功率分析儀的多個(gè)通道進(jìn)行測(cè)試。

綜上所述，在測(cè)量干擾電治療設(shè)備的頻率，尤其是掃頻信號(hào)相關(guān)的頻率測(cè)試時(shí)，建議采用直接測(cè)頻法，該方法有利于提高測(cè)試準(zhǔn)確度。但是干擾電治療設(shè)備種類繁多、調(diào)制方式多變，本文選取的示例難以代表所有情況，實(shí)際檢測(cè)中還是要根據(jù)具體產(chǎn)品特征綜合考慮，選取最適合的測(cè)試手段，以提高檢測(cè)質(zhì)量。