近年來, 隨著壓電材料、電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,超聲在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護等國民經(jīng)濟的各個部門以及國防工業(yè)中已得到廣泛的應(yīng)用 [1]。超聲技術(shù)的兩大核心要素包括換能器和超聲電源[2]。目前，超聲技術(shù)向高頻率、高穩(wěn)定性發(fā)展，因此對超聲電源的性能提出了更高的要求。在超聲系統(tǒng)工作過程中,由于變幅桿系統(tǒng)剛度、載荷、工作面積等因素的變化,導(dǎo)致?lián)Q能器系統(tǒng)固有頻率發(fā)生漂移 [3],要求超聲電源具有精確的頻率自動跟蹤功能[4],以滿足換能器穩(wěn)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 [5]。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(nèi)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(fā)的電源能夠精確和穩(wěn)定工作。
2系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)構(gòu)成包括硬件電路與上位機軟件系統(tǒng)。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(fā)生源，應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)功能選擇、參數(shù)設(shè)置等功能，液晶模塊主要用來顯示菜單和功能設(shè)置。采用Visual Basic計算機語言開發(fā)上位機系統(tǒng)，上位機系統(tǒng)包括：頻率設(shè)置、功率調(diào)節(jié)、曲線顯示等部分。上位機和鍵盤設(shè)置的參數(shù)和控制命令，經(jīng)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(yīng)頻率及幅值的波形，時間控制信號用于控制波形發(fā)生的時間點以及波形發(fā)生的時間長短，以便實現(xiàn)變功率驅(qū)動，顯示控制信號實現(xiàn)電源的狀態(tài)顯示，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。
2.1波形發(fā)生模塊
AD9852芯片是波形發(fā)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(nèi)部包含高速、高性能D/A轉(zhuǎn)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(wěn)定性良好的模擬正弦波。該芯片內(nèi)部主要由 DDS內(nèi)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[6]。
AD9852構(gòu)成的正弦信號發(fā)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(shù)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(nèi)含12位幅值控制模塊，可達到12精度的調(diào)幅輸出。通過高速 SPI接口，對 AD9852寫入不同的控制字，可實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)為一種相位控制系統(tǒng)[6]，即通過電壓與電流的相位關(guān)系來判斷負(fù)載是否處于諧振狀態(tài)。本電源采用 D觸發(fā)器實現(xiàn)相位頻率跟蹤。換能器驅(qū)的反饋電流信號和反饋電壓信號分別經(jīng)過過零比較器，得到兩個方波信號，送到D觸發(fā)器，電壓方波輸入到D觸發(fā)器的的D端，電流輸入到D觸發(fā)器的CP端。若電壓超前電流，則D觸發(fā)器的輸出輸端為邏輯電平“0”，若電流超前電壓，則D觸發(fā)器的輸出輸端為邏輯電平“1”，如圖 2所示。 D觸發(fā)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(xiàn)。
2.2.2 最大電流法跟蹤方法
串聯(lián)諧振時，換能器電流具有最大值；并聯(lián)諧振時，其電流具有最小值 [7]，因此根據(jù)電流反饋實現(xiàn)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(qū)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(lián)或并聯(lián)諧振頻率。本系統(tǒng)通過采樣電阻從換能器兩端采集的電流信號，經(jīng)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(xiàn)頻率跟蹤。
2.3 振幅控制
超聲系統(tǒng)實際工作過程中，機械負(fù)載是經(jīng)常變化的，造成換能器的諧振頻率產(chǎn)生變化，從而使輸出振幅與功率不穩(wěn)定。此外，當(dāng)變幅桿從有載變?yōu)榭蛰d (或空載變?yōu)橛休d ) 時，機械阻抗急劇變小(或大)，這種往復(fù)變化導(dǎo)致超聲波電源和換能器極易受損，且嚴(yán)重影響工作界面超聲振幅的穩(wěn)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(xiàn)方法是：將電壓、電流信號反饋并經(jīng)過真有效值電路，再輸入單片機后進行采集，根據(jù)二者的有效值改變輸出電壓，從而實現(xiàn)恒定電壓、電流與功率的輸出。
2.4 上位機軟件系統(tǒng)
采用 Visual Basic編寫上位機軟件，包括通信控制和功能實現(xiàn)兩個模塊。通信控制模塊實現(xiàn)與超聲板的通信，功能實現(xiàn)模塊實現(xiàn)對超聲的各參數(shù)和功能的控制。功能實現(xiàn)模塊通過對超聲板的底層驅(qū)動函數(shù)的調(diào)用實現(xiàn)了波形發(fā)生、頻率跟蹤、焊接控制、換能器老化等功能。波形發(fā)生功能實現(xiàn)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(shè)置頻率跟蹤的各參數(shù)，如跟蹤精度、跟蹤方式。焊接控制用于設(shè)置超聲焊接中的一、二、三、四焊焊接的各參數(shù)頻率跟蹤方式。換能器老化用于實現(xiàn)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(fā)的超聲電源驅(qū)動 64K、138K等芯片封裝領(lǐng)域的換能器，圖 5為 64kHz驅(qū)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(wěn)定，并能通過上位機對超聲電源進行任意控制。