基于DDS的頻率自動跟蹤超聲波發(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能器的諧振頻率進(jìn)行跟蹤，即稱為頻率自動跟蹤。本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)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(shí)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(yīng)、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(jì)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(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使反饋回來的信號變?yōu)橐粋€直流電壓信號，該電壓信號送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)時采集A/D口的直流電壓信號，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。

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(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)時采樣反饋回來的電壓信號進(jìn)行處理。本頻率自動跟蹤超聲波發(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采樣的時候不能直接采樣反饋電壓來實(shí)時找到對應(yīng)的波形峰值點(diǎn)，而是利用AD637把反饋回來的電壓信號轉(zhuǎn)變成為對應(yīng)的真有效值信號。該信號為直流信號，利于單片機(jī)的快速測量使發(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個赫茲的頻率帶上，工作中一旦檢測到諧振頻率點(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，在長時間工作的情況下?lián)Q能器的聲化效果都處在一個好的狀態(tài)。目前，該設(shè)備已經(jīng)投入到工業(yè)應(yīng)用中。