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變頻式超聲波發(fā)生器的高速鎖相研究

2008-07-23
作者:嚴(yán)勇文,隆志力,何將三,楊岳峰

??? 摘 要: 構(gòu)建了一種變頻式超聲波發(fā)生器" title="超聲波發(fā)生器">超聲波發(fā)生器,并對其中的高速鎖相" title="鎖相">鎖相進(jìn)行分析。通過換能器" title="換能器">換能器的電流反饋,采用基于嵌入式的數(shù)字式真有效值" title="真有效值">真有效值試探算法,超聲波發(fā)生器鎖相速度比傳統(tǒng)速度提高數(shù)十倍,達(dá)到高速鎖相的要求,滿足了換能系統(tǒng)工作時的高速諧振需求。
??? 關(guān)鍵詞: 高速鎖相;真有效值;平方根;超聲鍵合

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??? 超聲波發(fā)生器是超聲鍵合設(shè)備的核心裝備之一,用于驅(qū)動換能器,保證鍵合過程換能系統(tǒng)處于諧振工作狀態(tài),滿足芯片I/O端口的鍵合。
??? 超聲波發(fā)生器的核心及關(guān)鍵是自動鎖相與鎖相速度,其是否高速地跟頻在換能器的工作諧振狀態(tài),決定了超聲鍵合系統(tǒng)能否高效率、高性能、低能耗地工作,它對提高鍵合強(qiáng)度、鍵合效率及封裝器件的可靠性起了非常重要的作用。因此,研究如何縮短超聲波發(fā)生器的鎖相時間,實現(xiàn)高速跟頻有著非常重要的意義。
1 變頻式超聲波發(fā)生器" title="變頻式超聲波發(fā)生器">變頻式超聲波發(fā)生器的構(gòu)建
??? 變頻式超聲波發(fā)生器是指在一定范圍內(nèi),可自行計算換能器的固有諧振頻率,并智能調(diào)整輸出頻率實現(xiàn)頻率跟蹤的超聲波發(fā)生器。本設(shè)計中,超聲波發(fā)生器的變頻范圍為20kHz~200kHz。
??? 超聲波發(fā)生器的激勵方式有自激和它激兩種模式。自激模式只能跟蹤一個固定的頻率,無法實現(xiàn)變頻效果,所以變頻式超聲波發(fā)生器采用第三方掃頻模式的它激方式,具有良好的變頻效果,原理圖如圖1。

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2 PLL頻率反饋模塊方案分析
??? 超聲波發(fā)生器系統(tǒng)中,影響高速鎖相的環(huán)節(jié)主要有嵌入式系統(tǒng)、頻率生成及PLL(Phase Locked Loop)頻率反饋。隨著高性能ARM(Advanced RISC Machines)作為嵌入式系統(tǒng)的不斷推廣及具有高速生成頻率功能的DDS(Direct Digital Synthesizer)的廣泛使用,頻率生成速度已經(jīng)得到很大提高,超聲波發(fā)生器的技術(shù)瓶頸集中在PLL頻率反饋模塊。因此,提高超聲波發(fā)生器的反饋速度對高速鎖相具有主要的作用。
2.1 PLL頻率反饋原理
??? 在實際鍵合過程中,由于鍵界面處于一個動態(tài)變化的過程,換能器諧振頻率為一時變過程,因此,超聲波發(fā)生器必須根據(jù)換能器狀態(tài)動態(tài)調(diào)整輸出頻率以實現(xiàn)鎖相功能。
??? 超聲鍵合系統(tǒng)中,換能器可等效為圖2所示電路。

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??? 由圖2可得:

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其中,超聲波發(fā)生器輸出電壓U及換能器電阻R不變。
??? 當(dāng)系統(tǒng)處于非諧振狀態(tài)時,電流電壓相位角θ不為零,隨著超聲波發(fā)生器輸出頻率遠(yuǎn)離換能器的諧振頻率,相位角θ隨之增大,電流I變??;當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時,電抗X為零,此時換能器上的相位角θ為0,阻抗Z有最小值,因此流經(jīng)換能器的電流I最大。
??? 綜上所述,在PLL頻率跟蹤模塊的控制中,負(fù)載端反饋電流和電流電壓相位差這兩個參數(shù)的引入,使得根據(jù)負(fù)載綜合特性阻抗實時控制頻率成為可能,也即實現(xiàn)了閉環(huán)控制[1]
2.2 常見鎖相反饋的比較與分析
2.2.1 相位差反饋方案

??? 根據(jù)相位差反饋實現(xiàn)鎖相是一種比較簡單的方法,但實際應(yīng)用中常出現(xiàn)不穩(wěn)定、無法鎖相等情況[2],其原因為:(1)當(dāng)換能器處于非諧振狀態(tài)時,相位差在全局頻段并非遵循離諧振點(diǎn)越遠(yuǎn)相位差越大的特點(diǎn)。(2)當(dāng)換能器處于諧振狀態(tài)時,相位差電壓接近于零,由于芯片的偏置或外干擾,易出現(xiàn)失鎖或鎖相不完全的現(xiàn)象。(3)由相位差形成的PWM波形經(jīng)過低通濾波后,由于紋波和穩(wěn)定時間之間存在矛盾,無法同時滿足高速與高精度響應(yīng)的要求。
2.2.2 電流反饋方案
??? 根據(jù)電流反饋實現(xiàn)高速鎖相是一種有效的辦法。由實驗可知,換能器反饋電流中含有諧波,波形變形嚴(yán)重,無法通過對電流峰峰值的檢測判斷大小,且各次諧波的能量在輸出信號中的比例也會有很大的差別。通過帶通濾波器濾除多余諧波,只留下基頻再進(jìn)行判斷的方法并不嚴(yán)謹(jǐn)和準(zhǔn)確。
??? AD536A芯片被廣泛用于真有效值轉(zhuǎn)換,采用AD536A芯片實現(xiàn)電流反饋是一個有效的方案。但是,在其他領(lǐng)域能實現(xiàn)的技術(shù),不一定滿足芯片鍵合封裝領(lǐng)域的需求?,F(xiàn)對AD536A芯片進(jìn)行誤差分析和穩(wěn)定時間的計算。因為高速鎖相對時間和精度有較高的要求,因此采用后置二階巴特沃思濾波器電路方案。真有效值芯片的平均誤差等于直流誤差加上紋波誤差,當(dāng)后置二階巴特沃思濾波器后,紋波誤差只占平均誤差的5%,為計算方便,這里僅考慮直流誤差。直流誤差公式如下[3]

??? 由公式(2)可以看出,頻率f越低,直流誤差DCerror越大。當(dāng)輸入頻率f取最小值(20kHz)時,直流誤差DCerror最大,取平均電容CAV=1nF,直流誤差DCerror為0.59%;當(dāng)輸入頻率f=30kHz時,直流誤差DCerror為0.2%,由于8位精度的誤差為0.39%,因此從精度角度而言尚可以滿足8位精度要求。
??? AD536A芯片的1%穩(wěn)定時間ts的公式為:

??? 當(dāng)CAV=1nF時,由公式(4)可得穩(wěn)定時間ts=0.375ms,此時間無法滿足高速諧振的要求。盡管平均電容CAV進(jìn)一步縮小可以縮短穩(wěn)定時間ts,但因此將造成直流誤差DCerror加大,無法滿足高速芯片封裝的特殊要求。
??? 由于AD536A芯片采用模擬電路得到模擬有效值信號,這種模擬表測量精度低且響應(yīng)時間慢,因此為了實現(xiàn)高速鎖相,必須尋找更優(yōu)的方法。
3 基于數(shù)字真有效值測量的頻率反饋電路分析與設(shè)計
??? 數(shù)字式電路通過對信號多次采樣后,由公式計算并得出有效值,精度可以達(dá)到很高。常見的方法是先測出交流信號的周期,再依據(jù)整周期采樣條件和Nyquist采樣定理算出合適的采樣周期,然后按此計算出的采樣周期對交流信號進(jìn)行采樣。否則該方法求得的值就不符合真有效值的定義,這將使整個工作過程變得復(fù)雜,同時加大時間滯后和測量誤差[4]。由于變頻式超聲波發(fā)生器為掃頻模式,交流信號不可能一直為模數(shù)芯片采樣周期的整數(shù)倍或有理分?jǐn)?shù)倍,所以傳統(tǒng)的計算方法無法滿足可變頻及高速鎖相的需要。本文采用以下有效值計算公式[5]

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其中:

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??? 式中:Nm為交流信號內(nèi)第m個周波的采樣次數(shù);xm(k)為第m個周波的第k次采樣值。
??? 圖3為第m個周波的采樣數(shù)據(jù)示意圖。

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??? 公式(7)通過一個周期的第一個采樣和最后一個采樣實現(xiàn)有效值的補(bǔ)償,使真有效值計算不受“整周期采樣”條件的限制,能對被測信號的每個周波的有效值都進(jìn)行測量,工作方式較為簡單,響應(yīng)快速。
??? 同時,由公式(7)可知,嵌入式控制芯片須進(jìn)行平方根運(yùn)算,C語言中求平方根指令POW(x,0.5)采用數(shù)學(xué)上常用的Newton-Raphson迭代法。由編譯結(jié)果可知,本方案采用的高性能AT91SAM9260嵌入式芯片運(yùn)行POW(x,0.5)指令,需要100μs左右??紤]ARM二進(jìn)制的計算特點(diǎn),本設(shè)計采用高效的試探法求平方根,算法流程見圖4。AT91SAM9260處理器在180MHz時具有200MIPS處理能力[6],即單周期指令執(zhí)行時間為5ns。在處理8位精度數(shù)字時,其平方根運(yùn)算只需0.135μs,因此采用此算法能大大加快超聲波發(fā)生器的鎖相速度。

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??? 由文獻(xiàn)[5]可知,當(dāng)單周期采樣次數(shù)Nm=16時,有效值誤差xRMS小于0.12%,滿足8位精度(0.39%)的要求。因為超聲波發(fā)生器的最高輸出頻率為200kHz,所以采樣頻率應(yīng)為:
??? 200kHz×16=3.2MHz
??? 現(xiàn)選用3Ms/s采樣速度的AD7278芯片,根據(jù)Nyquist采樣定理,其可以采樣的最高諧波次數(shù)為:

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即采樣最高諧波次數(shù)可達(dá)7次。由于換能器諧振時,4次諧波以后的諧波能量已經(jīng)十分微弱,所以此方案可滿足實際應(yīng)用的要求。
??? 同時,AT91SAM9260處理器在AD7278模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的每個采樣周期內(nèi)可完成:條指令,足以完成公式(7)中每個采樣周期內(nèi)相應(yīng)的計算要求。
??? 由上可見,AT91SAM9260處理器可實時計算當(dāng)前周波的電流真有效值,并能滿足高速鎖相要求。
??? 通過克服超聲波發(fā)生器各個環(huán)節(jié)的速度瓶頸,尤其是PLL頻率反饋速度的改進(jìn),使得高速鎖相的超聲波發(fā)生器鎖相速度比傳統(tǒng)鎖相時間提高數(shù)十倍,這為當(dāng)今及未來芯片封裝的高速、高效、高性能、高可靠的發(fā)展要求奠定了重要的理論基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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