基于DDS的频率自动跟踪超声波发生器的研制

文章摘要：当换能器工作在谐振频率点的时候，反馈回来的直流电压幅度最高。设计中单片机实时采集A/D口的直流电压信号，使换能器始终工作在谐振点上。图6为换能器工作在谐振点的电压信号。 图6 换能器工作电压波形图6显示的是换能器正常工作时的电压，从负载波形上分析，波形正弦特性很好，即阻抗匹配和调谐匹配完好。4 系统软件设计本设计中采用ATMEGA16单片机作为主控芯片。利用ATMEGA16内部集成的A/D实时采样反馈回来的电压信号进行处理。本频率自动跟踪超声波发生器的软件设计流程图如图7所示。 图7 软件设计流程图设计中因超声波发生器的工作频率比较高，所以在A/D采样的时候不能直接采样反馈电压来实时找到对应的

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　　当换能器工作在谐振频率点的时候，反馈回来的直流电压幅度最高。设计中单片机实时采集A/D口的直流电压信号，使换能器始终工作在谐振点上。图6为换能器工作在谐振点的电压信号。

 

图6 换能器工作电压波形

　　图6显示的是换能器正常工作时的电压，从负载波形上分析，波形正弦特性很好，即阻抗匹配和调谐匹配完好。

4 系统软件设计

　　本设计中采用ATMEGA16单片机作为主控芯片。利用ATMEGA16内部集成的A/D实时采样反馈回来的电压信号进行处理。本频率自动跟踪超声波发生器的软件设计流程图如图7所示。

 

图7 软件设计流程图

　　设计中因超声波发生器的工作频率比较高，所以在A/D采样的时候不能直接采样反馈电压来实时找到对应的波形峰值点，而是利用AD637把反馈回来的电压信号转变成为对应的真有效值信号。该信号为直流信号，利于单片机的快速测量使发生器快速做出频率的调整。

　　设计中发生器始终工作在谐振频率点左右30个赫兹的频率带上，工作中一旦检测到谐振频率点的改变后即刻更新谐振频率带的中心频率。该方法使超声波发生器始终自动工作在谐振频率点附近，有效提高其工作效率。

5 结论

　　本文基于DDS的频率自动跟踪超声波发生器的研制，能很好地跟踪换能器的谐振频率。产品功率放大电路可靠性比较高，发热少，匹配效果好，匹配电感无高温现象，在长时间工作的情况下换能器的声化效果都处在一个好的状态。目前，该设备已经投入到工业应用中。

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3.2 功率放大电路

　　由信号产生电路产生的方波信号为小功率方波信号，不能直接驱动换能器，必须经过功率放大电路。实现功率放大方法有两种途径:一种方法是采用低压大电流电路;另一种方法是采用高电压小电流电路。本设计采用高电压小电流电路来实现功率放大。设计中采用两级功率放大电路来完成驱动，可分为低压驱动电路和高压驱动电路。低压驱动电路如图3所示。

图3 低压驱动电路

　　在低压驱动电路中选用的功率管型号为IRF540，因信号产生电路产生的方波信号直接驱动不了功率管IRF540，所以加了一级NPN三极管的射随驱动电路。从图3可以看出，正负12伏的方波信号经过一个NPN管转换为一个带有一定驱动能力的方波信号，该方波信号进一步驱动MOS管IRF540，使连接在MOS管源极和VCC之间隔离变压器的2个副边线圈能感生出两个相位相反、幅度相同的方波出来，波形如图4所 示。VCC的大小可以调节，在设计中通过调节其大小来改变隔离变压器的副边线圈感生出方波的幅度大小，从而改变整个超声波发生器的输出功率大小。

 

图4 隔离变压器输出波形

　　由两个N沟道MOS管组成的半桥推挽互补功率放大电路为整个系统的高压驱动电路模块。电路图如图5所示。

 

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