基于DDS的頻率自動(dòng)跟蹤超聲波發(fā)生器的研制

1 引言

　　超聲波清洗主要利用超聲空化作用。在聲場(chǎng)作用下，存在于液體中的微氣泡會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng),當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增長(zhǎng)然后突然閉合,液體間相互碰撞產(chǎn)生強(qiáng)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(dá)幾千個(gè)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(dá)到一種迅速且高效的清洗效果。目前，超聲波清洗被國(guó)際公認(rèn)為當(dāng)前效率最高、效果最好的清洗方式，其清洗效率達(dá)到了98％以上，清洗潔凈度也達(dá)到了最高級(jí)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(fù)責(zé)在工作過程中向超聲換能器提供能量。為了使換能器達(dá)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(huì)由于發(fā)熱、老化等原因發(fā)生改變，而市場(chǎng)上的超聲波發(fā)生器通常都是通過手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)頻率來跟蹤超聲波換能器的諧振頻率，為了解決這個(gè)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(dòng)跟蹤的超聲波發(fā)生器，使發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率能夠自動(dòng)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(jì)原理

　　在設(shè)計(jì)中為了使超聲波發(fā)生器的輸出頻率能實(shí)時(shí)跟蹤換能器的諧振頻率，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于DDS的頻率自動(dòng)跟蹤電路。系統(tǒng)總框圖如圖1所示。本系統(tǒng)由DDS信號(hào)產(chǎn)生電路、功率放大電路、匹配電路、電流反饋電路、單片機(jī)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(gè)系統(tǒng)的工作原理為：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制DDS芯片AD9832產(chǎn)生一個(gè)一定頻率的正弦波信號(hào)，這個(gè)正弦波信號(hào)經(jīng)過整形和初級(jí)功放后加到一個(gè)隔離變壓器初級(jí)線圈的兩端，隔離變壓器副邊感生出的兩個(gè)相位相反的方波信號(hào)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)由兩個(gè)N溝道MOS管組成的半橋推挽互補(bǔ)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(dòng)壓電換能器。在換能器工作期間及時(shí)通過電流傳感器把換能器的工作電流反饋回去，單片機(jī)根據(jù)相對(duì)應(yīng)的反饋信息來控制DDS芯片輸出相對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)，使換能器始終工作在諧振點(diǎn)上，有效提高其工作效率。

3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

3.1 信號(hào)產(chǎn)生電路

　　頻率信號(hào)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(zhǔn)時(shí)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(jì)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(shí)鐘25MHz，頻率最大輸出10MHz。信號(hào)產(chǎn)生電路如圖2所示。

圖2 信號(hào)產(chǎn)生電路

　　設(shè)計(jì)中采用ATMEGA16單片機(jī)作為主控器。ATMEGA16根據(jù)時(shí)序圖來控制AD9832的SCLK、XDATA和FXYNC這三個(gè)引腳，使AD9832輸出一個(gè)頻率的正弦電流信號(hào)，該電流信號(hào)通過一個(gè)電阻接地后成為一個(gè)對(duì)應(yīng)頻率的正弦電壓信號(hào)。為了后續(xù)電路的需要，該信號(hào)通過LM393過零比較后產(chǎn)生一個(gè)正負(fù)12伏的方波信號(hào)。

3.2 功率放大電路

　　由信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生的方波信號(hào)為小功率方波信號(hào)，不能直接驅(qū)動(dòng)換能器，必須經(jīng)過功率放大電路。實(shí)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(jì)采用高電壓小電流電路來實(shí)現(xiàn)功率放大。設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)功率放大電路來完成驅(qū)動(dòng)，可分為低壓驅(qū)動(dòng)電路和高壓驅(qū)動(dòng)電路。低壓驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 低壓驅(qū)動(dòng)電路

　　在低壓驅(qū)動(dòng)電路中選用的功率管型號(hào)為IRF540，因信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生的方波信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)不了功率管IRF540，所以加了一級(jí)NPN三極管的射隨驅(qū)動(dòng)電路。從圖3可以看出，正負(fù)12伏的方波信號(hào)經(jīng)過一個(gè)NPN管轉(zhuǎn)換為一個(gè)帶有一定驅(qū)動(dòng)能力的方波信號(hào)，該方波信號(hào)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)MOS管IRF540，使連接在MOS管源極和VCC之間隔離變壓器的2個(gè)副邊線圈能感生出兩個(gè)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(jì)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(gè)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(gè)N溝道MOS管組成的半橋推挽互補(bǔ)功率放大電路為整個(gè)系統(tǒng)的高壓驅(qū)動(dòng)電路模塊。電路圖如圖5所示。

圖5 高壓驅(qū)動(dòng)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(jí)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(dòng)電路和高壓驅(qū)動(dòng)電路之間加入隔離變壓器。設(shè)計(jì)中半橋推挽互補(bǔ)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(jì)中為了增大發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)功率，采用4路并行的半橋推挽互補(bǔ)功率放大電路結(jié)構(gòu)，圖5中為了電路圖的簡(jiǎn)潔，只畫了一條支路的半橋推挽互補(bǔ)功率放大電路。

3.3 匹配電路設(shè)計(jì)

　　在功率超聲設(shè)備中，發(fā)生器與換能器的匹配設(shè)計(jì)非常重要。 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(gè)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(fù)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(jì)中半橋推挽互補(bǔ)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(biāo)注所示。通過匹配電路使超聲波發(fā)生器的負(fù)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(fù)載。

3.4 電流反饋電路設(shè)計(jì)

　　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(hào)能對(duì)在工作中變化的超聲波換能器的諧振頻率進(jìn)行跟蹤，即稱為頻率自動(dòng)跟蹤。本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)時(shí)反饋回來的電流信號(hào)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(shí)時(shí)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(hào)為CLSM-25，本電流傳感器是基于霍爾效應(yīng)、利用磁平衡方法，使輸出電流與被測(cè)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(cè)量或反饋取樣元件。設(shè)計(jì)中該電流傳感器輸出的電流信號(hào)通過一個(gè)合適阻值的電阻到地后變成一個(gè)電壓信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過放大后送入到AD637進(jìn)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(hào)變?yōu)橐粋€(gè)直流電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)送ATMEGA16單片機(jī)的A/D引腳進(jìn)行處理。ATMEGA16單片機(jī)內(nèi)置10位精度的A/D，最高分辨率時(shí)的采樣率高達(dá)15 kSPS，完全符合設(shè)計(jì)要求。

　　當(dāng)換能器工作在諧振頻率點(diǎn)的時(shí)候，反饋回來的直流電壓幅度最高。設(shè)計(jì)中單片機(jī)實(shí)時(shí)采集A/D口的直流電壓信號(hào)，使換能器始終工作在諧振點(diǎn)上。圖6為換能器工作在諧振點(diǎn)的電壓信號(hào)。

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(shí)的電壓，從負(fù)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(jì)

　　本設(shè)計(jì)中采用ATMEGA16單片機(jī)作為主控芯片。利用ATMEGA16內(nèi)部集成的A/D實(shí)時(shí)采樣反饋回來的電壓信號(hào)進(jìn)行處理。本頻率自動(dòng)跟蹤超聲波發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

　　設(shè)計(jì)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(shí)候不能直接采樣反饋電壓來實(shí)時(shí)找到對(duì)應(yīng)的波形峰值點(diǎn)，而是利用AD637把反饋回來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成為對(duì)應(yīng)的真有效值信號(hào)。該信號(hào)為直流信號(hào)，利于單片機(jī)的快速測(cè)量使發(fā)生器快速做出頻率的調(diào)整。

　　設(shè)計(jì)中發(fā)生器始終工作在諧振頻率點(diǎn)左右30個(gè)赫茲的頻率帶上，工作中一旦檢測(cè)到諧振頻率點(diǎn)的改變后即刻更新諧振頻率帶的中心頻率。該方法使超聲波發(fā)生器始終自動(dòng)工作在諧振頻率點(diǎn)附近，有效提高其工作效率。

5 結(jié)論

　　本文基于DDS的頻率自動(dòng)跟蹤超聲波發(fā)生器的研制，能很好地跟蹤換能器的諧振頻率。產(chǎn)品功率放大電路可靠性比較高，發(fā)熱少，匹配效果好，匹配電感無高溫現(xiàn)象，在長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下?lián)Q能器的聲化效果都處在一個(gè)好的狀態(tài)。目前，該設(shè)備已經(jīng)投入到工業(yè)應(yīng)用中。