基于DDS的頻率自動(dòng)跟蹤超聲波發(fā)生器的研制

3.4 電流反饋電路設(shè)計(jì)

　　為了解決換能器頻率漂移問(wèn)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(lái)的電流信號(hào)來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)AD637使反饋回來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(wú)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。