单片机在超声电源频率跟踪电路中的应用

张 锋

(江阴职业技术学院 电子信息工程系, 江苏 江阴 214405)

单片机在超声电源频率跟踪电路中的应用

张 锋

(江阴职业技术学院 电子信息工程系, 江苏 江阴 214405)

根据超声波压电换能器在谐振状态下电压与电流相位差为零的特点，设计由单片机和输入输出电路组成的共振频率单闭环跟踪系统. 在所设计的软件支持下，通过单片机改变分频比，从而保证超声换能器工作在最佳谐振状态. 设计方案应用在超声清洗机装置上时，实测误差较低.

单片机；换能器；谐振

压电陶瓷超声波换能器在交变电场作用下能产生振动，共振时能产生很强的超声波. 超声电源目的是向超声波换能器提供超声能量[1]. 但是，在不同应用环境下换能器的声负载阻抗是不同的. 如果超声电源的频率不随之改变, 换能器将处于失谐状态，使换能器输出功率的效率降低. 严重时，导致换能器不能正常工作. 本文介绍单片机频率跟踪控制技术，设计实现超声电源的频率跟踪换能器的谐振频率, 使换能器始终在最佳谐振状态下工作.

1 硬件电路设计

1.1 换能器及调谐匹配

在超声谐振频率附近，利用集总参数法将压电换能器等效为如图1所示的电路. 其中，C0为换能器的静态电容，主要指换能器因夹持而产生的电容；R0为压电陶瓷片的内介质电损耗，通常可以忽略其影响(一般认为R0为无穷大)；Lm为动态电感，由换能器质量引起；Cm为换能器引起的动态电容；Rm为负载反映的动态电阻. 一般，由R0、C0组成的电路称为电学臂，由Lm、Cm、Rm组成的电路称为机械臂[2].根据电路理论，压电换能器的阻抗为：

图1 压电换能器等效电路图

电抗分量

由等效电路可以推断出压电陶瓷型换能器为容性负载. 因此在压电陶瓷超声波换能器馈电电路中，常采用电感与压电陶瓷配合构成LC 谐振电路，对这类LC 谐振馈电电路，谐振频率由压电陶瓷的等效电容值、电感值、晶体管的放大倍数、放大电路的工作点、反馈系数、工作温度等参数决定[3]. 系统通过检测超声波换能器两端的电压和流过超声波换能器的电流，通过比较此电压和电流的相位差来判断超声波电源的输出电信号的频率是否谐振在超声波换能器的工作频率上，并通过调节压控振荡器的调节电压，来调节压控振荡器输出方波信号的频率. 应用这一特点，采用相位差反馈技术，完成超声电源的工作频率跟踪压电换能器的谐振频率的硬件设计和软件设计.

1.2 硬件设计

超声电源采用振荡放大型，以脉宽调制电路芯片TL494为核心，产生超声频方波信号，通过变压器倒相后驱动2个VMOS管构成的D类放大器. D类放大器输出的功率电信号经过匹配电路匹配的超声波换能器被转换成超声波信号[4-5]. 电源的设计框图如图2所示.

图2 超声电源的设计框图

频率跟踪控制方案框图如图3所示，主要包括信号源和运算控制两部分. 整个系统的工作频率是由超声波换能器的工作谐振频率决定的. 对于标称共振频率为28kHz 的压电陶瓷换能器具有较大离散性，其共振频率一般在28kHz～29kHz范围. 这样就需要一个频率可编程控制锯齿波来满足TL494的需要. 这个锯齿波就是由4M晶体振荡器、分频电路、锁相环以及编程计数器来实现，其中可编程计数器的分频比由单片机控制以产生不同频率的锯齿波. 4M晶体振荡器产生的正弦波经过分频，在f1端产生一个500Hz的基准脉冲信号. 由锁相环电路和可改变分频比的可编程计数器组成的电路在单片机控制下产生频率高于28k-29kHz的脉冲信号， f2=N⋅f1，式中，N为可编程计数器的分频比，其由单片机来控制改变. 频率f2再经过一个分频器以得到频率的方波信号. 各点频率输出之间关系为这个方波信号变换成锯齿波后送入TL494[6-7].

图3 微机控制频率跟踪方案框图

频率f1的产生是使用了4M晶振和两片12位的串行计数器/分频器和振荡器集成电路CD4040. 两片CD4040串联，对4M频率进行8000分频，可得频率为500Hz. 锁相环与可编程计数器组成的升频电路，其升频倍数N选曲在8400到8700之间. 在频率f1经过锁相环以及可编程计数器组成的电路升频，既可得频率f2为4200kHz到4350kHz之间. 此频率再经过M分频以后(M选取160)，得到频率f3范为恰好以超声波换能器的工作谐振频率为中点. 可编程计数器的分频系数N每增加或减少1，输出的频率f3变化约为3Hz，可以很好的满足本换能器谐振频率跟踪的需要. 脉冲方波产生电路见图4.

锁相环74HC4046的一个比较输入端与基准频率500Hz相连接，其相位比较器2的输出端的误差方波脉冲信号经过N分频后，连接到它的另一个比较输入端. 通过这种设计，可以在74HC4046的引脚4(压控振荡器输出端)得到一个稳定的方波输出[8].

图4 波形产生电路

运算控制电路的任务是检测换能器工作中两端的电压和流过的电流之间的相位，并把检测结果送入单片机，单片机根据这个结果来控制可编程计数器以合理控制调节整个系统的工作频率. 首先采样得到换能器两端电压和流过它的电流，这两个波形都是正弦波. 将这两个正弦波放大到合适电压. 因为需要比较的是电压信号和电流信号的相位，所以放大前与放大后的两个信号的相位不能发生相移. 为防止发生相移给后面的相位比较造成误差，加入了移相电路. 然后进行过零比较，再经过异或门电路. 这时，当电路采样波形之间存在相位差时，异或电路输出会有脉冲出现. 当采样波形之间相位差为零时，异或电路输出会是低电平. 异或门输出的脉冲经过光耦隔离后经过低通滤波变换成直流电压，再经过A/D转换后送入单片机.单片机判断这个电压值的大小，并通过改变可编程计数器的分频比N，来控制整个系统的工作频率.

模/数转换电路核心采用美国模拟器件公司的10位逐次逼近式单片集成A/D转换芯片AD571，它与单片机接口电路见图5.

图5 A/D转换与单片机接口电路

图6为锯齿波产生电路. 电路主体为单片集成函数发生器XR-2206，它的引脚9为FSK(频移键控)控制信号输入端，将f3方波脉冲信号加到这个端，以实现调节实现锯齿波的频率. 脚2输出锯齿波，与TL494的引脚5相连，从而改变超声电源的工作频率[9].

图6 锯齿波电路

2 软件系统设计

89C51单片机的 P0口与 P2.0、P2.1口与AD571的数字量输出相连接，以接受AD571转换的数字量，然后通过P1和P3口来改变可编程计数器的分频比N. 其软件流程图见图7.

单片机内保存有超声波电源的初始工作频率分频比Ni，电源工作时，就是锁定在这个工作频率(大约 28.5kHz)上. 单片机不断并保存检测 AD571输出的数字量，当检测到AD571输出的数字量不为零时，表明流过换能器的电流和换能器两端电压存在相位差，系统没有谐振[10].

这时，单片机首先增加可编程计数器的分频比，使系统工作频率增加一个步距，也就是使系统工作频率增加3Hz. 单片机再一次读取AD571输出的数字量，保存后和上一次保存的数值相比较. 如果大于上一次的数值，则表明系统工作频率应该减小一个步距，这时，单片机减小可编程控制器的分频比，使系统工作频率减小一个步距. 如果小于上一次的数值，则表明应该继续增加步距. 单片机重复以上动作，直至相位差为零.

超声波电源工作过程中，单片机不断改变可编程计数器的分频比来扫描换能器共振点，当扫描到共振点后即锁定，此时换能器处于最佳工作状态. 工作一段时间后，换能器的工作状态发生变化.由于单片机随时监视着换能器的工作状态，一旦换能器工作频率失谐，单片机就重新开始扫描，寻找新的最佳共振点，又锁定. 如此不断循环，实频率跟踪.

图7 单片机程序框图

由单片机组成的单闭环跟踪系统，在软件的支持下，选择谐振时对应的分频比输出，有效地跟踪了超声压电换能器的谐振频率. 根据该方案，采用固定谐振频率为28kHz 的HNC-4SH-5028型压电换能器设计的超声波清洗机装置，频率跟踪闭环反馈电路具有结构简单，实时频率跟踪稳定，频率连续跟踪的测量值如表 1所示.

3 结语

表1 频率连续跟踪测量值

表1中所列变化值是指换能器因负载变化或外界扰动导致偏离谐振频率，测量的频率值和误差电压值.跟踪值是指经锁相跟踪后所对应的频率值和误差电压值. 从表1可得出结论，跟踪值与换能器固有频率的误差低，满足实际应用要求.

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Application of Single Chip to Ultrasonic Power Frequency- tracking Circuit

ZHANG Feng
(Department of Electric Information Engineering, Jiangyin Polytechnic College, Jiangyin 214405, China)

With the ultrasonic transducer in the resonant state, the phase difference of voltage and current is zero, a single closed - loop system for tracking the resonance frequency has been designed, which was composed of single- chip and relating input/output circuit. With the support of the software, change the frequency ratio by single-chip to ensure the best resonance state of ultrasonic transducers. It shows that when this method was applied to ultrasonic cleaning device, the measurement error has been lowered down.

Single-chip; Transducer; Resonance

TP214.7

A

1009-2854(2010)05-0064-05

2010-04-01；

2010-04-22

张 锋(1980— ), 男, 江苏高邮人，江阴职业技术学院电子信息工程系助教.

饶 超)