基于DDS的频率自动跟踪超声波发生器的研制

1 引言

　　超声波清洗主要利用超声空化作用。在声场作用下，存在于液体中的微气泡会产生高频振动,当声压达到一定值时，气泡迅速增长然后突然闭合,液体间相互碰撞产生强大的冲击波，虽然位移、速度都非常小，但加速度却非常大，局部压力可达几千个大气压，使被清洗物表面的污垢膜的破坏、剥落、分离及乳化，从而达到一种迅速且高效的清洗效果。目前，超声波清洗被国际公认为当前效率最高、效果最好的清洗方式，其清洗效率达到了98％以上，清洗洁净度也达到了最高级别。

　　超声波清洗设备由超声波发生器和超声波换能器组成。其中超声波发生器是超声波清洗设备的重要组成部分，负责在工作过程中向超声换能器提供能量。为了使换能器达到很高的工作效率，除了提供足够的功率外，还需要发生器的频率与换能器的谐振频率一致。但是换能器的谐振频率在工作过程中通常会由于发热、老化等原因发生改变，而市场上的超声波发生器通常都是通过手动调节输出信号频率来跟踪超声波换能器的谐振频率，为了解决这个问题，本文研制了一种基于DDS(直接数字式频率合成器)频率自动跟踪的超声波发生器，使发生器的输出信号频率能够自动跟踪换能器的谐振频率，使换能器在工作过程中始终保持在高效率状态。

2 系统设计原理

　　在设计中为了使超声波发生器的输出频率能实时跟踪换能器的谐振频率，设计了一个基于DDS的频率自动跟踪电路。系统总框图如图1所示。本系统由DDS信号产生电路、功率放大电路、匹配电路、电流反馈电路、单片机控制及一些外围电路组成。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

　　整个系统的工作原理为：单片机控制DDS芯片AD9832产生一个一定频率的正弦波信号，这个正弦波信号经过整形和初级功放后加到一个隔离变压器初级线圈的两端，隔离变压器副边感生出的两个相位相反的方波信号进一步驱动由两个N沟道MOS管组成的半桥推挽互补功率放大电路，后通过输出变压器和可调电感组成的匹配电路驱动压电换能器。在换能器工作期间及时通过电流传感器把换能器的工作电流反馈回去，单片机根据相对应的反馈信息来控制DDS芯片输出相对应的频率信号，使换能器始终工作在谐振点上，有效提高其工作效率。

3 系统的硬件构成

3.1 信号产生电路

　　频率信号的产生由DDS芯片来完成。DDS的工作原理是以数控振荡器的方式产生频率、相位可控制的正弦波。内部电路一般包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度/相位转换电路、D/A转换器和低通滤波器（LPF）。本设计采用AD9832这款DDS芯片，AD9832是一款相位累加数控振荡器，内置正弦查表和10位D/A转换器的CMOS芯片。可接最大时钟25MHz，频率最大输出10MHz。信号产生电路如图2所示。

图2 信号产生电路

　　设计中采用ATMEGA16单片机作为主控器。ATMEGA16根据时序图来控制AD9832的SCLK、XDATA和FXYNC这三个引脚，使AD9832输出一个频率的正弦电流信号，该电流信号通过一个电阻接地后成为一个对应频率的正弦电压信号。为了后续电路的需要，该信号通过LM393过零比较后产生一个正负12伏的方波信号。

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。

图5 高压驱动电路

　　图5中电路的工作电压是220VAC电源直接经过整流滤波后得到。因两级功率放大电路的工作电压相差很大而且取电方式不同，所以需要在低压驱动电路和高压驱动电路之间加入隔离变压器。设计中半桥推挽互补功率放大电路选用IRFP460功率管，该功率管可耐压500V，允许通过最大电流为20A。设计中为了增大发生器的驱动功率，采用4路并行的半桥推挽互补功率放大电路结构，图5中为了电路图的简洁，只画了一条支路的半桥推挽互补功率放大电路。

3.3 匹配电路设计

　　在功率超声设备中，发生器与换能器的匹配设计非常重要。 在很大程度上决定了超声设备能否正常、高效地工作。超声波发生器与换能器的匹配包括两个方面：阻抗匹配和调谐匹配。阻抗匹配就是使换能器的阻抗变换为最佳负载，即起阻抗变换作用。调谐匹配则是使换能器两端输入的电压和电流同相位，从而使效率最高。

　　在设计中半桥推挽互补功率放大电路的输出经变压器耦合后通过可调电感连接到换能器上形成匹配电路，该电路如图5中线框标注所示。通过匹配电路使超声波发生器的负载呈现为纯阻性状态，并且通过耦合变压器的阻抗变换作用使换能器的阻抗变换为最佳负载。

3.4 电流反馈电路设计

　　为了解决换能器频率漂移问题，获得最佳的电声效率，要求超声波发生器输出的电信号能对在工作中变化的超声波换能器的谐振频率进行跟踪，即称为频率自动跟踪。本设计根据实时反馈回来的电流信号来调节超声波发生器的输出频率，使发生器的输出频率实时跟踪变化中的换能器的谐振频率。

　　本模块包括电流传感器电路和有效值转换电路两部分。模块中采用的电流传感器型号为CLSM-25，本电流传感器是基于霍尔效应、利用磁平衡方法，使输出电流与被测电流成正比关系。适用于DC、AC或其他任意波形，可作为一种测量或反馈取样元件。设计中该电流传感器输出的电流信号通过一个合适阻值的电阻到地后变成一个电压信号,该信号经过放大后送入到AD637进行处理。AD637为真有效值转换芯片,其最高精度优于0.1%。通过AD637使反馈回来的信号变为一个直流电压信号，该电压信号送ATMEGA16单片机的A/D引脚进行处理。ATMEGA16单片机内置10位精度的A/D，最高分辨率时的采样率高达15 kSPS，完全符合设计要求。

　　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。