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(guò)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(guò)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(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)頻率來(lái)跟蹤超聲波換能器的諧振頻率，為了解決這個(gè)問(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)LM393過(guò)零比較后產(chǎn)生一個(gè)正負(fù)12伏的方波信號(hào)。