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1 引言 近年來, 隨著壓電材料、電力電子技術的飛速發展,超聲在工業、農業、生物、醫藥衛生、環境保護等國民經濟的各個部門以及國防工業中已得到廣泛的應用。超聲技術的兩大核心要素包括換能器和超聲電源。目前，超聲技術向高頻率、高穩定性發展，因此對超聲電源的性能提出了更高的要求。在超聲系統工作過程中,由于變幅桿系統剛度、載荷、工作面積等因素的變化,導致換能器系統固有頻率發生漂移,要求超聲電源具有精確的頻率自動跟蹤功能,以滿足換能器穩定的超聲輸出。此外，目前對換能器多種工作頻率的需求日愈增加，急需具有多種頻率選擇的超聲電源與之配對。本文采用DDS與AVR，研制了一種新型超聲波電源,能夠提供500kHz、功率為3.2瓦范圍內的電信號輸出，且具備工作頻率下的跟蹤功能。實驗表明，開發的電源能夠精確和穩定工作。 2 系統構成 系統構成包括硬件電路與上位機軟件系統。硬件電路包括：AVR、DDS、頻率跟蹤及功放等模塊。采用AVR單片機Atmega64作為控制器 , 以DDS芯片AD9852作為頻率發生源，應用帶過流過壓保護的線性放大器作為功放，并通過 RS232串口或并口與 PC連接，實現上位機控制。鍵盤和液晶顯示作為簡易的用戶人機接口，鍵盤模塊實現功能選擇、參數設置等功能，液晶模塊主要用來顯示菜單和功能設置。采用 Visual Basic計算機語言開發上位機系統，上位機系統包括：頻率設置、功率調節、曲線顯示等部分。上位機和鍵盤設置的參數和控制命令，經單片機處理后，分解成頻率控制信號、幅值控制信號、時間控制信號以及顯示控制信號，其中頻率控制信號、幅值控制信號由單片機控制AD9852模塊輸出對應頻率及幅值的波形，時間控制信號用于控制波形發生的時間點以及波形發生的時間長短，以便實現變功率驅動，顯示控制信號實現電源的狀態顯示，系統整體框圖如圖1所示。 2.1波形發生模塊 AD9852芯片是波形發生模塊的核心。該芯片是美國 AD公司推出的高性能 DDS芯片, 其內部包含高速、高性能D/A轉換器及高速比較器, 外接精密時鐘源，可輸出頻率和相位都可編程控制且穩定性良好的模擬正弦波。該芯片內部主要由 DDS內核、2個48位的頻率寄存器、 2個14位的相位寄存器、各工作模式配置寄存器、 2路12位的高速 DAC、模擬比較器、I/O接口等電路組成。 AD9852構成的正弦信號發生電路需要提供接口電路與高精度外部時鐘。本超聲電源使用60MHz有源晶振為 AD9852提供一個高精度、低抖動的外部時鐘。對于計數容量為 2n的相位累加器，以及 M個相位取樣點的正弦波波形存儲器，若頻率控制字為 K，輸出信號頻率為 Fo，參考時鐘頻率為F，則信號頻率為： 在60MHz時鐘下，輸出頻率分辨率高達 2 ×10 ?7 Hz。AD9852內含12位幅值控制模塊，可達到12精度的調幅輸出。通過高速 SPI接口，對 AD9852寫入不同的控制字，可實現實時與精確地控制輸出波型的頻率和幅值。 2.2 頻率自動跟蹤的實現 頻率跟蹤功能是目前超聲電源最基本的功能之一。本超聲電源采用電鎖相式自動頻率跟蹤和電流最大值跟蹤方法，其中電鎖相式自動頻率跟蹤采用零相位跟蹤和定相位跟蹤方法。 2.2.1 鎖相式自動頻率跟蹤方法 鎖相式自動跟蹤系統為一種相位控制系統，即通過電壓與電流的相位關系來判斷負載是否處于諧振狀態。本電源采用 D觸發器實現相位頻率跟蹤。換能器驅的反饋電流信號和反饋電壓信號分別經過過零比較器，得到兩個方波信號，送到D觸發器，電壓方波輸入到D觸發器的的D 端，電流輸入到D觸發器的CP端。若電壓超前電流，則D觸發器的輸出輸端為邏輯電平“0”，若電流超前電壓，則D觸發器的輸出輸端為邏輯電平“1”，如圖 2所示。 D觸發器的輸出電壓送至單片機，作為控制時增加或減小頻率的理論參考值，以此值作為頻率跟蹤。 本超聲波電源采用了兩種鎖相式頻率跟蹤方式，即零相位跟蹤和定相位跟蹤。定相位跟蹤由零相位跟蹤通過對電壓反饋串接移相電路實現。 2.2.2 最大電流法跟蹤方法 串聯諧振時，換能器電流具有最大值；并聯諧振時，其電流具有最小值，因此根據電流反饋實現頻率跟蹤是一種有效的辦法。最大電流跟蹤的原理是，在一定區間上，通過改變頻率，找到工作電流的最大值或最小值，即可跟蹤到換能器的串聯或并聯諧振頻率。本系統通過采樣電阻從換能器兩端采集的電流信號，經過真有效值檢測電路送至單片機，單片機通過改變頻率來搜索電流的最大值或最小值實現頻率跟蹤。 2.3 振幅控制 超聲系統實際工作過程中，機械負載是經常變化的，造成換能器的諧振頻率產生變化，從而使輸出振幅與功率不穩定。此外，當變幅桿從有載變為空載 (或空載變為有載 ) 時，機械阻抗急劇變小(或大)，這種往復變化導致超聲波電源和換能器極易受損，且嚴重影響工作界面超聲振幅的穩定性。本超聲電源采用三種方案控制換能器的振幅輸出，即恒壓控制，恒流控制，恒功率控制。實現方法是：將電壓、電流信號反饋并經過真有效值電路，再輸入單片機后進行采集，根據二者的有效值改變輸出電壓，從而實現恒定電壓、電流與功率的輸出。 2.4 上位機軟件系統 采用 Visual Basic編寫上位機軟件，包括通信控制和功能實現兩個模塊。通信控制模塊實現與超聲板的通信，功能實現模塊實現對超聲的各參數和功能的控制。功能實現模塊通過對超聲板的底層驅動函數的調用實現了波形發生、頻率跟蹤、焊接控制、換能器老化等功能。波形發生功能實現了對換能器的可控掃頻，并顯示掃描曲線。頻率跟蹤功能可以設置頻率跟蹤的各參數，如跟蹤精度、跟蹤方式。焊接控制用于設置超聲焊接中的一、二、三、四焊焊接的各參數頻率跟蹤方式。換能器老化用于實現對換能器可控老化，包括恒壓老化、恒流老化、恒功率老化及變功率老化等。界面如圖 4所示。 3 實驗 采用開發的超聲電源驅動 64K、138K等芯片封裝領域的換能器，圖 5為 64kHz驅動信號的波型圖。測試條件為：采用零相位跟蹤，CH1為電壓波形，CH2為電流波形。可見，本電源的波形無明顯雜波，跟蹤穩定，并能通過上位機對超聲電源進行任意控制。 4 結語 采用AVR與DDS技術開發一種新型的超聲波電源。具有500kHz范圍頻率任意輸出，且工作頻率下自動跟蹤功能。此外，具有多種波型輸出、上位機控制、LCD顯示、鍵盤輸入、自動掃頻等多種功能。實驗表明，該電源輸出波型穩定，頻率跟蹤精確，可應用于半導體芯片引線鍵合、醫療超聲、超聲金屬加工等領域。 本文作者創新點：該電源具有多種功能，有多種頻率跟蹤方式，頻率跟精度高，能通過上位機編程或手動按鍵控制。 |
