基于DDS的頻率自動跟蹤超聲波發(fā)生器的研制

1、基于DDS的頻率自動跟蹤超聲波發(fā)生器的研制時間：2009-05-22 15:21:25 來源：儀器儀表學報 作者：1 引言超聲波清洗主要利用超聲空化作用。在聲場作用下，存在于液體中的微氣泡會產(chǎn)生高頻振動,當聲壓達到一定值時，氣泡迅速增長然后突然閉合,液體間相互碰撞產(chǎn)生強大的沖擊波，雖然位移、速度都非常小，但加速度卻非常大，局部壓力可達幾千個大氣壓，使被清洗物表面的污垢膜的破壞、剝落、分離及乳化，從而達到一種迅速且高效的清洗效果。目前，超聲波清洗被國際公認為當前效率最高、效果最好的清洗方式，其清洗效率達到了98以上，清洗潔凈度也達到了最高級別。 超聲波清洗設(shè)備由超聲波發(fā)生器和超聲波換能器組成。其

2、中超聲波發(fā)生器是超聲波清洗設(shè)備的重要組成部分，負責在工作過程中向超聲換能器提供能量。為了使換能器達到很高的工作效率，除了提供足夠的功率外，還需要發(fā)生器的頻率與換能器的諧振頻率一致。但是換能器的諧振頻率在工作過程中通常會由于發(fā)熱、老化等原因發(fā)生改變，而市場上的超聲波發(fā)生器通常都是通過手動調(diào)節(jié)輸出信號頻率來跟蹤超聲波換能器的諧振頻率，為了解決這個問題，本文研制了一種基于DDS(直接數(shù)字式頻率合成器)頻率自動跟蹤的超聲波發(fā)生器，使發(fā)生器的輸出信號頻率能夠自動跟蹤換能器的諧振頻率，使換能器在工作過程中始終保持在高效率狀態(tài)。2 系統(tǒng)設(shè)計原理在設(shè)計中為了使超聲波發(fā)生器的輸出頻率能實時跟蹤換能器的諧振頻率，

3、設(shè)計了一個基于DDS的頻率自動跟蹤電路。系統(tǒng)總框圖如圖1所示。本系統(tǒng)由DDS信號產(chǎn)生電路、功率放大電路、匹配電路、電流反饋電路、單片機控制及一些外圍電路組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)框圖整個系統(tǒng)的工作原理為：單片機控制DDS芯片AD9832產(chǎn)生一個一定頻率的正弦波信號，這個正弦波信號經(jīng)過整形和初級功放后加到一個隔離變壓器初級線圈的兩端，隔離變壓器副邊感生出的兩個相位相反的方波信號進一步驅(qū)動由兩個N溝道MOS管組成的半橋推挽互補功率放大電路，后通過輸出變壓器和可調(diào)電感組成的匹配電路驅(qū)動壓電換能器。在換能器工作期間及時通過電流傳感器把換能器的工作電流反饋回去，單片機根據(jù)相對應的反饋信息來控制

4、DDS芯片輸出相對應的頻率信號，使換能器始終工作在諧振點上，有效提高其工作效率。3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 3.1 信號產(chǎn)生電路頻率信號的產(chǎn)生由DDS芯片來完成。DDS的工作原理是以數(shù)控振蕩器的方式產(chǎn)生頻率、相位可控制的正弦波。內(nèi)部電路一般包括基準時鐘、頻率累加器、相位累加器、幅度/相位轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器（LPF）。本設(shè)計采用AD9832這款DDS芯片，AD9832是一款相位累加數(shù)控振蕩器，內(nèi)置正弦查表和10位D/A轉(zhuǎn)換器的CMOS芯片。可接最大時鐘25MHz，頻率最大輸出10MHz。信號產(chǎn)生電路如圖2所示。 圖2 信號產(chǎn)生電路設(shè)計中采用ATMEGA16單片機作為主控器。AT

5、MEGA16根據(jù)時序圖來控制AD9832的SCLK、XDATA和FXYNC這三個引腳，使AD9832輸出一個頻率的正弦電流信號，該電流信號通過一個電阻接地后成為一個對應頻率的正弦電壓信號。為了后續(xù)電路的需要，該信號通過LM393過零比較后產(chǎn)生一個正負12伏的方波信號。3.2 功率放大電路由信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的方波信號為小功率方波信號，不能直接驅(qū)動換能器，必須經(jīng)過功率放大電路。實現(xiàn)功率放大方法有兩種途徑:一種方法是采用低壓大電流電路;另一種方法是采用高電壓小電流電路。本設(shè)計采用高電壓小電流電路來實現(xiàn)功率放大。設(shè)計中采用兩級功率放大電路來完成驅(qū)動，可分為低壓驅(qū)動電路和高壓驅(qū)動電路。低壓驅(qū)動電路如圖3

6、所示。圖3 低壓驅(qū)動電路在低壓驅(qū)動電路中選用的功率管型號為IRF540，因信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的方波信號直接驅(qū)動不了功率管IRF540，所以加了一級NPN三極管的射隨驅(qū)動電路。從圖3可以看出，正負12伏的方波信號經(jīng)過一個NPN管轉(zhuǎn)換為一個帶有一定驅(qū)動能力的方波信號，該方波信號進一步驅(qū)動MOS管IRF540，使連接在MOS管源極和VCC之間隔離變壓器的2個副邊線圈能感生出兩個相位相反、幅度相同的方波出來，波形如圖4所 示。VCC的大小可以調(diào)節(jié)，在設(shè)計中通過調(diào)節(jié)其大小來改變隔離變壓器的副邊線圈感生出方波的幅度大小，從而改變整個超聲波發(fā)生器的輸出功率大小。 圖4 隔離變壓器輸出波形由兩個N溝道

7、MOS管組成的半橋推挽互補功率放大電路為整個系統(tǒng)的高壓驅(qū)動電路模塊。電路圖如圖5所示。 圖5 高壓驅(qū)動電路圖5中電路的工作電壓是220VAC電源直接經(jīng)過整流濾波后得到。因兩級功率放大電路的工作電壓相差很大而且取電方式不同，所以需要在低壓驅(qū)動電路和高壓驅(qū)動電路之間加入隔離變壓器。設(shè)計中半橋推挽互補功率放大電路選用IRFP460功率管，該功率管可耐壓500V，允許通過最大電流為20A。設(shè)計中為了增大發(fā)生器的驅(qū)動功率，采用4路并行的半橋推挽互補功率放大電路結(jié)構(gòu)，圖5中為了電路圖的簡潔，只畫了一條支路的半橋推挽互補功率放大電路。3.3 匹配電路設(shè)計在功率超聲設(shè)備中，發(fā)生器與換能器的匹配設(shè)計非

8、常重要。 在很大程度上決定了超聲設(shè)備能否正常、高效地工作。超聲波發(fā)生器與換能器的匹配包括兩個方面：阻抗匹配和調(diào)諧匹配。阻抗匹配就是使換能器的阻抗變換為最佳負載，即起阻抗變換作用。調(diào)諧匹配則是使換能器兩端輸入的電壓和電流同相位，從而使效率最高。在設(shè)計中半橋推挽互補功率放大電路的輸出經(jīng)變壓器耦合后通過可調(diào)電感連接到換能器上形成匹配電路，該電路如圖5中線框標注所示。通過匹配電路使超聲波發(fā)生器的負載呈現(xiàn)為純阻性狀態(tài)，并且通過耦合變壓器的阻抗變換作用使換能器的阻抗變換為最佳負載。3.4 電流反饋電路設(shè)計為了解決換能器頻率漂移問題，獲得最佳的電聲效率，要求超聲波發(fā)生器輸出的電信號能對在工作中變化的超聲波換

9、能器的諧振頻率進行跟蹤，即稱為頻率自動跟蹤。本設(shè)計根據(jù)實時反饋回來的電流信號來調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的輸出頻率，使發(fā)生器的輸出頻率實時跟蹤變化中的換能器的諧振頻率。本模塊包括電流傳感器電路和有效值轉(zhuǎn)換電路兩部分。模塊中采用的電流傳感器型號為CLSM-25，本電流傳感器是基于霍爾效應、利用磁平衡方法，使輸出電流與被測電流成正比關(guān)系。適用于DC、AC或其他任意波形，可作為一種測量或反饋取樣元件。設(shè)計中該電流傳感器輸出的電流信號通過一個合適阻值的電阻到地后變成一個電壓信號,該信號經(jīng)過放大后送入到AD637進行處理。AD637為真有效值轉(zhuǎn)換芯片,其最高精度優(yōu)于0.1%。通過AD637使反饋回來的信號變?yōu)橐粋€

10、直流電壓信號，該電壓信號送ATMEGA16單片機的A/D引腳進行處理。ATMEGA16單片機內(nèi)置10位精度的A/D，最高分辨率時的采樣率高達15 kSPS，完全符合設(shè)計要求。當換能器工作在諧振頻率點的時候，反饋回來的直流電壓幅度最高。設(shè)計中單片機實時采集A/D口的直流電壓信號，使換能器始終工作在諧振點上。圖6為換能器工作在諧振點的電壓信號。 圖6 換能器工作電壓波形圖6顯示的是換能器正常工作時的電壓，從負載波形上分析，波形正弦特性很好，即阻抗匹配和調(diào)諧匹配完好。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計本設(shè)計中采用ATMEGA16單片機作為主控芯片。利用ATMEGA16內(nèi)部集成的A/D實時采樣反饋回來的電壓信號進行處理。本頻率自動跟蹤超聲波發(fā)生器的軟件設(shè)計流程圖如圖7所示。 圖7 軟件設(shè)計流程圖設(shè)計中因超聲波發(fā)生器的工作頻率比較高，所以在A/D采樣的時候不能直接采樣反饋電壓來實時找到對應的波形峰值點，而是利用AD637把反饋回來的電壓信號轉(zhuǎn)變成為對應的真有效值信號。該信號為直流信號，利于單片機的快速測量使發(fā)生器快速做出頻率的調(diào)整。設(shè)計中發(fā)生器始終工作在諧振頻率點左右30個赫茲的頻率帶上，工作中一旦檢測到諧振頻率點的改變后即刻更新