張 鋒

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系, 江蘇 江陰 214405)

單片機(jī)在超聲電源頻率跟蹤電路中的應(yīng)用

張 鋒

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系, 江蘇 江陰 214405)

根據(jù)超聲波壓電換能器在諧振狀態(tài)下電壓與電流相位差為零的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)由單片機(jī)和輸入輸出電路組成的共振頻率單閉環(huán)跟蹤系統(tǒng). 在所設(shè)計(jì)的軟件支持下，通過單片機(jī)改變分頻比，從而保證超聲換能器工作在最佳諧振狀態(tài). 設(shè)計(jì)方案應(yīng)用在超聲清洗機(jī)裝置上時(shí)，實(shí)測誤差較低.

單片機(jī)；換能器；諧振

壓電陶瓷超聲波換能器在交變電場作用下能產(chǎn)生振動(dòng)，共振時(shí)能產(chǎn)生很強(qiáng)的超聲波. 超聲電源目的是向超聲波換能器提供超聲能量[1]. 但是，在不同應(yīng)用環(huán)境下?lián)Q能器的聲負(fù)載阻抗是不同的. 如果超聲電源的頻率不隨之改變, 換能器將處于失諧狀態(tài)，使換能器輸出功率的效率降低. 嚴(yán)重時(shí)，導(dǎo)致?lián)Q能器不能正常工作. 本文介紹單片機(jī)頻率跟蹤控制技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超聲電源的頻率跟蹤換能器的諧振頻率, 使換能器始終在最佳諧振狀態(tài)下工作.

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 換能器及調(diào)諧匹配

在超聲諧振頻率附近，利用集總參數(shù)法將壓電換能器等效為如圖1所示的電路. 其中，C0為換能器的靜態(tài)電容，主要指換能器因夾持而產(chǎn)生的電容；R0為壓電陶瓷片的內(nèi)介質(zhì)電損耗，通?？梢院雎云溆绊?一般認(rèn)為R0為無窮大)；Lm為動(dòng)態(tài)電感，由換能器質(zhì)量引起；Cm為換能器引起的動(dòng)態(tài)電容；Rm為負(fù)載反映的動(dòng)態(tài)電阻. 一般，由R0、C0組成的電路稱為電學(xué)臂，由Lm、Cm、Rm組成的電路稱為機(jī)械臂[2].根據(jù)電路理論，壓電換能器的阻抗為：

圖1 壓電換能器等效電路圖

電抗分量

由等效電路可以推斷出壓電陶瓷型換能器為容性負(fù)載. 因此在壓電陶瓷超聲波換能器饋電電路中，常采用電感與壓電陶瓷配合構(gòu)成LC 諧振電路，對(duì)這類LC 諧振饋電電路，諧振頻率由壓電陶瓷的等效電容值、電感值、晶體管的放大倍數(shù)、放大電路的工作點(diǎn)、反饋系數(shù)、工作溫度等參數(shù)決定[3]. 系統(tǒng)通過檢測超聲波換能器兩端的電壓和流過超聲波換能器的電流，通過比較此電壓和電流的相位差來判斷超聲波電源的輸出電信號(hào)的頻率是否諧振在超聲波換能器的工作頻率上，并通過調(diào)節(jié)壓控振蕩器的調(diào)節(jié)電壓，來調(diào)節(jié)壓控振蕩器輸出方波信號(hào)的頻率. 應(yīng)用這一特點(diǎn)，采用相位差反饋技術(shù)，完成超聲電源的工作頻率跟蹤壓電換能器的諧振頻率的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì).

1.2 硬件設(shè)計(jì)

超聲電源采用振蕩放大型，以脈寬調(diào)制電路芯片TL494為核心，產(chǎn)生超聲頻方波信號(hào)，通過變壓器倒相后驅(qū)動(dòng)2個(gè)VMOS管構(gòu)成的D類放大器. D類放大器輸出的功率電信號(hào)經(jīng)過匹配電路匹配的超聲波換能器被轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)[4-5]. 電源的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示.

圖2 超聲電源的設(shè)計(jì)框圖

頻率跟蹤控制方案框圖如圖3所示，主要包括信號(hào)源和運(yùn)算控制兩部分. 整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率是由超聲波換能器的工作諧振頻率決定的. 對(duì)于標(biāo)稱共振頻率為28kHz 的壓電陶瓷換能器具有較大離散性，其共振頻率一般在28kHz～29kHz范圍. 這樣就需要一個(gè)頻率可編程控制鋸齒波來滿足TL494的需要. 這個(gè)鋸齒波就是由4M晶體振蕩器、分頻電路、鎖相環(huán)以及編程計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，其中可編程計(jì)數(shù)器的分頻比由單片機(jī)控制以產(chǎn)生不同頻率的鋸齒波. 4M晶體振蕩器產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過分頻，在f1端產(chǎn)生一個(gè)500Hz的基準(zhǔn)脈沖信號(hào). 由鎖相環(huán)電路和可改變分頻比的可編程計(jì)數(shù)器組成的電路在單片機(jī)控制下產(chǎn)生頻率高于28k-29kHz的脈沖信號(hào)， f2=N?f1，式中，N為可編程計(jì)數(shù)器的分頻比，其由單片機(jī)來控制改變. 頻率f2再經(jīng)過一個(gè)分頻器以得到頻率的方波信號(hào). 各點(diǎn)頻率輸出之間關(guān)系為這個(gè)方波信號(hào)變換成鋸齒波后送入TL494[6-7].

圖3 微機(jī)控制頻率跟蹤方案框圖

頻率f1的產(chǎn)生是使用了4M晶振和兩片12位的串行計(jì)數(shù)器/分頻器和振蕩器集成電路CD4040. 兩片CD4040串聯(lián)，對(duì)4M頻率進(jìn)行8000分頻，可得頻率為500Hz. 鎖相環(huán)與可編程計(jì)數(shù)器組成的升頻電路，其升頻倍數(shù)N選曲在8400到8700之間. 在頻率f1經(jīng)過鎖相環(huán)以及可編程計(jì)數(shù)器組成的電路升頻，既可得頻率f2為4200kHz到4350kHz之間. 此頻率再經(jīng)過M分頻以后(M選取160)，得到頻率f3范為恰好以超聲波換能器的工作諧振頻率為中點(diǎn). 可編程計(jì)數(shù)器的分頻系數(shù)N每增加或減少1，輸出的頻率f3變化約為3Hz，可以很好的滿足本換能器諧振頻率跟蹤的需要. 脈沖方波產(chǎn)生電路見圖4.

鎖相環(huán)74HC4046的一個(gè)比較輸入端與基準(zhǔn)頻率500Hz相連接，其相位比較器2的輸出端的誤差方波脈沖信號(hào)經(jīng)過N分頻后，連接到它的另一個(gè)比較輸入端. 通過這種設(shè)計(jì)，可以在74HC4046的引腳4(壓控振蕩器輸出端)得到一個(gè)穩(wěn)定的方波輸出[8].

圖4 波形產(chǎn)生電路

運(yùn)算控制電路的任務(wù)是檢測換能器工作中兩端的電壓和流過的電流之間的相位，并把檢測結(jié)果送入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)這個(gè)結(jié)果來控制可編程計(jì)數(shù)器以合理控制調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率. 首先采樣得到換能器兩端電壓和流過它的電流，這兩個(gè)波形都是正弦波. 將這兩個(gè)正弦波放大到合適電壓. 因?yàn)樾枰容^的是電壓信號(hào)和電流信號(hào)的相位，所以放大前與放大后的兩個(gè)信號(hào)的相位不能發(fā)生相移. 為防止發(fā)生相移給后面的相位比較造成誤差，加入了移相電路. 然后進(jìn)行過零比較，再經(jīng)過異或門電路. 這時(shí)，當(dāng)電路采樣波形之間存在相位差時(shí)，異或電路輸出會(huì)有脈沖出現(xiàn). 當(dāng)采樣波形之間相位差為零時(shí)，異或電路輸出會(huì)是低電平. 異或門輸出的脈沖經(jīng)過光耦隔離后經(jīng)過低通濾波變換成直流電壓，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī).單片機(jī)判斷這個(gè)電壓值的大小，并通過改變可編程計(jì)數(shù)器的分頻比N，來控制整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率.

模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路核心采用美國模擬器件公司的10位逐次逼近式單片集成A/D轉(zhuǎn)換芯片AD571，它與單片機(jī)接口電路見圖5.

圖5 A/D轉(zhuǎn)換與單片機(jī)接口電路

圖6為鋸齒波產(chǎn)生電路. 電路主體為單片集成函數(shù)發(fā)生器XR-2206，它的引腳9為FSK(頻移鍵控)控制信號(hào)輸入端，將f3方波脈沖信號(hào)加到這個(gè)端，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)鋸齒波的頻率. 腳2輸出鋸齒波，與TL494的引腳5相連，從而改變超聲電源的工作頻率[9].

圖6 鋸齒波電路

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

89C51單片機(jī)的 P0口與 P2.0、P2.1口與AD571的數(shù)字量輸出相連接，以接受AD571轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，然后通過P1和P3口來改變可編程計(jì)數(shù)器的分頻比N. 其軟件流程圖見圖7.

單片機(jī)內(nèi)保存有超聲波電源的初始工作頻率分頻比Ni，電源工作時(shí)，就是鎖定在這個(gè)工作頻率(大約 28.5kHz)上. 單片機(jī)不斷并保存檢測 AD571輸出的數(shù)字量，當(dāng)檢測到AD571輸出的數(shù)字量不為零時(shí)，表明流過換能器的電流和換能器兩端電壓存在相位差，系統(tǒng)沒有諧振[10].

這時(shí)，單片機(jī)首先增加可編程計(jì)數(shù)器的分頻比，使系統(tǒng)工作頻率增加一個(gè)步距，也就是使系統(tǒng)工作頻率增加3Hz. 單片機(jī)再一次讀取AD571輸出的數(shù)字量，保存后和上一次保存的數(shù)值相比較. 如果大于上一次的數(shù)值，則表明系統(tǒng)工作頻率應(yīng)該減小一個(gè)步距，這時(shí)，單片機(jī)減小可編程控制器的分頻比，使系統(tǒng)工作頻率減小一個(gè)步距. 如果小于上一次的數(shù)值，則表明應(yīng)該繼續(xù)增加步距. 單片機(jī)重復(fù)以上動(dòng)作，直至相位差為零.

超聲波電源工作過程中，單片機(jī)不斷改變可編程計(jì)數(shù)器的分頻比來掃描換能器共振點(diǎn)，當(dāng)掃描到共振點(diǎn)后即鎖定，此時(shí)換能器處于最佳工作狀態(tài). 工作一段時(shí)間后，換能器的工作狀態(tài)發(fā)生變化.由于單片機(jī)隨時(shí)監(jiān)視著換能器的工作狀態(tài)，一旦換能器工作頻率失諧，單片機(jī)就重新開始掃描，尋找新的最佳共振點(diǎn)，又鎖定. 如此不斷循環(huán)，實(shí)頻率跟蹤.

圖7 單片機(jī)程序框圖

由單片機(jī)組成的單閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)，在軟件的支持下，選擇諧振時(shí)對(duì)應(yīng)的分頻比輸出，有效地跟蹤了超聲壓電換能器的諧振頻率. 根據(jù)該方案，采用固定諧振頻率為28kHz 的HNC-4SH-5028型壓電換能器設(shè)計(jì)的超聲波清洗機(jī)裝置，頻率跟蹤閉環(huán)反饋電路具有結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)時(shí)頻率跟蹤穩(wěn)定，頻率連續(xù)跟蹤的測量值如表 1所示.

3 結(jié)語

表1 頻率連續(xù)跟蹤測量值

表1中所列變化值是指換能器因負(fù)載變化或外界擾動(dòng)導(dǎo)致偏離諧振頻率，測量的頻率值和誤差電壓值.跟蹤值是指經(jīng)鎖相跟蹤后所對(duì)應(yīng)的頻率值和誤差電壓值. 從表1可得出結(jié)論，跟蹤值與換能器固有頻率的誤差低，滿足實(shí)際應(yīng)用要求.

[1]王應(yīng)彪, 劉傳紹, 趙 波. 功率超聲技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用, 2006, 19(4): 41-44.

[2]孫 波, 季 遠(yuǎn), 李光軍, 等. 功率超聲換能器導(dǎo)納特性檢測及電端匹配研究[J]. 振動(dòng)、測試與診斷, 2002(4): 287-290.

[3]楊 哲, 鞠曉東. 壓電換能器阻抗匹配研究[J]. 高電壓技術(shù), 2007, 33(1): 70-74.

[4]陳 堅(jiān). 電力電子學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002.

[5]陳振偉. 超聲波發(fā)生器的研究[D]. 浙江: 浙江大學(xué), 2007.

[6]翁潔知, 惠 晶. 動(dòng)態(tài)匹配超聲波換能器諧振電感的方法與實(shí)現(xiàn)[J]. 電力電子技術(shù), 2007, 41(12): 96-100.

[7]鮑善惠, 王敏慧. 超聲波發(fā)生器的頻率跟蹤電路[J]. 洗凈技術(shù), 2003 (10): 36.

[8]張厥勝, 鄭繼禹. 鎖相技術(shù)[M]. 陜西: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2000.

[9]沈錦飛. 電源變換應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[10]謝運(yùn)祥, 歐陽森. 電力電子單片機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

Application of Single Chip to Ultrasonic Power Frequency- tracking Circuit

ZHANG Feng
(Department of Electric Information Engineering, Jiangyin Polytechnic College, Jiangyin 214405, China)

With the ultrasonic transducer in the resonant state, the phase difference of voltage and current is zero, a single closed - loop system for tracking the resonance frequency has been designed, which was composed of single- chip and relating input/output circuit. With the support of the software, change the frequency ratio by single-chip to ensure the best resonance state of ultrasonic transducers. It shows that when this method was applied to ultrasonic cleaning device, the measurement error has been lowered down.

Single-chip; Transducer; Resonance

TP214.7

A

1009-2854(2010)05-0064-05

2010-04-01；

2010-04-22

張 鋒(1980— ), 男, 江蘇高郵人，江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系助教.

饒 超)