農(nóng)用超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)
自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初,在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后,人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法,從此迅速揭開了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。超聲波發(fā)生器的發(fā)展與工農(nóng)業(yè)的發(fā)展相伴相生,應(yīng)用十分廣泛,本設(shè)計(jì)的超聲波發(fā)生器是利用單片機(jī)生成初始信號(hào),然后經(jīng)過(guò)一系列處理電路的作用后生成用來(lái)殺滅水蚤的超聲波,成本低、效果好,可以在農(nóng)業(yè)上加以采用。在此對(duì)3個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì):
(1)信號(hào)發(fā)生模塊。12 MHz的8051單片機(jī)硬件連接及其程序設(shè)計(jì)。
(2)信號(hào)處理模塊。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)(CD4069非門集成芯片);倍頻電路設(shè)計(jì)(S9014或ECGl08三極管、104普通電容、11 257.9 nH自制電感、1 kΩ電阻);整波電路設(shè)計(jì)(CD4069非門集成芯片);和頻電路設(shè)計(jì)(CD4081與門集成芯片);選頻電路設(shè)計(jì)(S9014或ECGl08三極管、104普通電容、112.58 nH自制電感、1 kΩ電阻)。
(3)信號(hào)檢測(cè)模塊、數(shù)字示波器的連接。
在上述研究基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一臺(tái)超聲波發(fā)生器樣機(jī),其技術(shù)指標(biāo)如下:輸入電壓:220 VAC(50 Hz);開關(guān)頻率:1.5~1.8 MHz;最大的輸出功率:500 W;功率范圍:50~500 W。
1 信號(hào)發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)
選取一個(gè)8051單片機(jī)芯片,將晶振電路、復(fù)位電路、電源電路連接到單片機(jī)相應(yīng)的引腳上組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。利用單片機(jī)的中斷資源和I/O口資源進(jìn)行相應(yīng)連接并進(jìn)行程序編輯:用P3.2口控制初始信號(hào)的發(fā)射與否,用P0.O口、P0.1口發(fā)射初始信號(hào),如圖1所示。
2 信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)
2.1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
如果將兩列波(0.03 MHz)直接從單片機(jī)的輸出口PO.O和P0.1輸出接入后面的5倍頻電路,可能會(huì)由于電流小而不能驅(qū)動(dòng)倍頻電路。從這點(diǎn)來(lái)考慮就需要在單片機(jī)與倍頻電路之間接入一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路,如圖2所示。在單片機(jī)的一個(gè)輸出口接一個(gè)非門,而后接入由4個(gè)非門并聯(lián)的電路,由于非門是有源器件,這樣就使得輸入倍頻電路的信號(hào)能量大大提高,起到驅(qū)動(dòng)電路的功能(若用方波發(fā)生器來(lái)代替單片機(jī)就可省略驅(qū)動(dòng)電路)。
2.2 倍頻電路的設(shè)計(jì)
根據(jù)電容電感元件的基本特性,以及電路的相關(guān)知識(shí)可以由已知條件得出:
如圖3所示,當(dāng)在LC并聯(lián)電路中發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí),由電路的特性可知:
并聯(lián)諧振具有下列特征:
(1)諧振時(shí)電路的阻抗摸為|Zo|=1/(RC/L)=L/RC。其值最大,即比非諧振情況下的阻抗摸要大。因此在電源電壓U一定的情況下,電路中的電流I將在諧振時(shí)達(dá)到最小值,即I=IO=U/(L/RC)=U/|Zo|。
(2)由于電源電壓與電路中電流同相(∮=0),因此電路對(duì)電源呈現(xiàn)電阻性。諧振時(shí)電路的阻抗摸|Zo|相當(dāng)于一個(gè)電阻。
(3)諧振時(shí)各并聯(lián)支路的電流為:IL=U/2πfoL;Ic=U/(1/2πfoC),可見IL=Ic>Io,品質(zhì)因數(shù)Q=IL/Io。
(4)當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí),電路阻抗摸最大,電流通過(guò)時(shí)在電路兩端產(chǎn)生的電壓也是最大。當(dāng)電源為其他頻率時(shí)電路不發(fā)生諧振,阻抗摸較小,電路兩端的電壓也較小。這樣就起到了選頻的作用。電路的品質(zhì)因數(shù)Q值越大,選擇性越強(qiáng)。
通常把晶體管的輸出特性曲線分為3個(gè)工作區(qū):
(1)放大區(qū)。輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū),Ic=βIb。放大區(qū)也稱為線性區(qū),因?yàn)镮c和Ib成正比的關(guān)系。當(dāng)晶體管工作于放大區(qū)時(shí),發(fā)射結(jié)處于正向偏置,集電結(jié)處于反向偏置,即對(duì)NPN型管來(lái)說(shuō),應(yīng)使Ube>O,UbcO。
(2)截止區(qū)。Ib=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。Ib=0時(shí),Ic=Iceo。對(duì)NPN型硅管而言,當(dāng)UbeO.5 V時(shí),即已經(jīng)開始截止,但是為了截止可靠,常使UbeO。截止時(shí)集店結(jié)也處于反向偏置。
(3)飽和區(qū)。當(dāng)UceUbe時(shí),集電結(jié)處于正向偏置,晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū),Ib的變化對(duì)Ic的影響較小,兩者不成正比,放大區(qū)的β不能適用于飽和區(qū)。飽和時(shí),發(fā)射結(jié)也處于正向偏置。本實(shí)驗(yàn)是利用三極管的放大作用,進(jìn)行5倍頻放大并選頻,因此是第1種情況。
LC選頻電路接在集電極電路中,通過(guò)的交流電流為Ic,其兩端交流電壓為Uce(即為輸出電壓),它是并聯(lián)交流電路。當(dāng)發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí),諧振頻率可求得,當(dāng)將振蕩電路與電源接通時(shí),在擾動(dòng)信號(hào)中只有頻率為f0的分量才發(fā)生并聯(lián)諧振。在并聯(lián)諧振時(shí),LC并聯(lián)電路的阻抗最大,并且是電阻性的(相當(dāng)于集電極負(fù)載電阻Rc)。因此,對(duì)f0這個(gè)頻率來(lái)說(shuō),電壓放大倍數(shù)最高,當(dāng)滿足自激振蕩的條件時(shí),就產(chǎn)生自激振蕩。對(duì)于其他頻率的分量,不能產(chǎn)生并聯(lián)諧振,這就達(dá)到了選頻的目的。在輸出端得到的只是頻率為f0的信號(hào)。當(dāng)改變LC電路的參數(shù)L或C時(shí),輸出信號(hào)的振蕩頻率也就改變,于是就可以進(jìn)行倍頻,本實(shí)驗(yàn)用的是五倍頻,如圖4所示。
評(píng)論