基于FPGA的压电换能器阻抗检测系统设计

长春理工大学 古先毅

基于FPGA的压电换能器阻抗检测系统设计

长春理工大学 古先毅

本论文首先分析了压电换能器阻抗受温度、预应力的影响情况，阐明实时检测其阻抗的重要性，设计了基于FPGA的实时检测压电换能器阻抗的硬件电路，主要分为阻抗模检测电路、阻抗角检测电路，并由FPGA并行控制两路AD采集阻抗模数据及阻抗角数据，实时处理数据，提升了实时检测压电换能器阻抗的准确度，为压电换能器的动态匹配提供可靠的数据。

FPGA；压电换能器；阻抗检测

1 引言

随着压电换能器在各个领域的应用，如超声清洗、超声热键合、超声切割等等，如何高效地驱动压电换能器始终是研究热点之一。国内大量文献大多以研究动态匹配使压电换能器达到阻抗匹配的方法为主，自鲍善惠[1]提出了动态匹配的概念，强调了效率的重要性，国内对动态匹配的研究持续不断，朱武[2]等针对静态夹持电容随温变化的特性提出通过切换数字电感的方式提升匹配效率，孔权[3]通过C8051F015在线检测阻抗并用步进电机调节匹配网络达到谐振和变阻的目的，钟龙[4]设计了基于STM32的动态阻抗匹配超声波电源，仅跟踪了谐振频率，并未动态调节匹配电路，杨芳[5]同样采用单片机来检测压电换能器阻抗并通过切换电感，使压电换能器实时阻抗匹配。压电换能器应用场合不一样时，阻抗变化的情况不好一一分析，故本文设计了基于FPGA的压电换能器检测系统，降低阻抗角与阻抗模数据可能存在的不对应性，可精确地检测压电换能器阻抗，为调节匹配电路提供数据依据，从而提高匹配效率，使压电超声换能器高效地工作。

2 压电换能器实时阻抗检测意义

压电换能器的材料为压电陶瓷，压电陶瓷只有在某一温度范围才具有压电性能，当温度达到居里点时，压电陶瓷内部的电畴结构即告解体，失去压电性能，因此温度是影响其电学性质的一大外界因数，而大功率发射型换能器在工作时常常产生大量损耗以热量形式散失导致压电换能器阻抗变化，机械耦合系数降低等危害，同时根据正压电效应，预应力可以使压电体表面形变从而形成电场，因此预应力也是引起压电换能器阻抗变化的因素。分析压电换能器特性常采用力电类比等效电路的方法，压电换能器作为一种电声相互转换的机械振动器件，在谐振频率附近的等效电路如图1所示[6]：

图1 压电换能器等效电路

其中C0是静态电容，Cm是动态电容，Lm是动态电感，Rm是动态电阻。

等效电路中的各参量变化受温度与预应力等因数的变化，文献[7]给出了等效参量随温度及预应力变化的情况，静态电容随温度升高而增大，随预应力增大而增大，动态电容随温度升高而增大，动态电感随温度升高而减小，动态电阻随温度升高而增大，预应力合理时动态电阻最小。因此在不同的情况下压电换能器实际阻抗变化不同，所以静态阻抗匹配难以满足要求，需要实时检测其阻抗后动态切换匹配电感实现效率最大化，若测量所得的阻抗不准确，而导致切换串联匹配电感不相符，效率可能降至更低，因此精确检测压电换能器阻抗在动态匹配时至关重要。

3 压电换能器阻抗检测电路设计

测量阻抗的方法主要有谐振法、电桥法、矢量法。谐振法和电桥法需要手动调节，不支持在线检测，虽然测量精度较高，但不能满足压电换能器实时检测的要求，因此选择矢量法在线检测压电换能器的阻抗，测量精度高，可基本满足一般检测要求。在正弦交流电路中，等效电路阻抗值为电压向量与电流向量的比值，其表达式为：

图2 阻抗检测电路框图

功率放大器放大激励信号用以驱动压电换能器，采样电阻选用1Ω/5W的功率电阻，则采样电阻上的电压大小即为实际电流的大小，该信号相位即是电流相位。衰减电路用以调节信号幅度，使其满足AD采样芯片的输入范围。滤波电路为低通滤波器用以滤除高频干扰，降低干扰造成采样有误。AD采样芯片选用AD9280，AD9280是一款单芯片、8位、32MSPS模数转换器（ADC），采用单电源供电，内置一个片内采样保持放大器和基准电压源。它采用多级差分流水线架构，数据速率达32MSPS，在整个工作温度范围内保证无失码。大部分功率型压电换能器的工作频率均小于1MHz，根据采样定理的要求，此芯片可满足对阻抗模检测的需求。为简化电路，除了电压信号在采样之前经过10倍衰减外，电流、电压信号的ADC采样电路可一致均如图3所示。

图3 AD采样电路

阻抗角是计算过零比较得到加载在压电换能器上的电压电流信号的相位差，通过角度转换得到阻抗角，得到相位差的方法通常有函数计算法、DFT变换法和过零计数法，前两者通常用软件实现，计算相对复杂，FPGA内部实现算法复杂，而过零计数法可通过硬件实现，FPGA内部实现简单，精度高，成本低。

图4 过零计数法过程

本文过零计数法的实现过程大致如图4所示，首先采样得到电流正弦波信号a及电压正弦波信号b，再通过过零比较器整形成电流方波信号c及电压方波信号d，再将信号c和信号d异或后得到相位差信号e。同时通过系统时钟计算相位差信号高电平持续时间，计数记为Np，而对整个信号周期计数记为Nf，则相位角为：

实际运用时大部分大功率压电超声换能器的谐振频率小于1MHz，本论文设计电路时选择响应时间小于1us的过零比较器较为合适，LM393为双路通用比较器芯片，可同时对电压信号及电流信号进行过零比较，此芯片高增益，宽频带，相应速度快，OD门输出，输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受Vcc端电压值的限制，使用比较灵活。电压电流信号过零比较电路如下图5所示，图5中电位器RP2及RP3用作调节比较器的参考电压，以防信号零点偏移，导致输出的波形不准确。

图5 过零比较电路

阻抗检测电路实物如图6所示，阻抗检测电路主要包括FPGA的配置部分、电源部分、阻抗模检测部分、阻抗角检测部分。

4 基于FPGA实现数据采集及处理

本文选用Altera公司的CycloneIV系列的EP4CE6F17C8作为硬件核心，并行控制两路AD的数据采集，同时采集其相位关系，准确度高，可靠性高。FPGA内部时钟clk通过PLL分频到ADC所需要的采样时钟ADC_CLK，并同时提供给两路ADC作为采集时钟，在一个采集周期内将电压信号及电流信号采集到FIFO，并分别均方根有效值处理，相除即可得到此次采集周期内加载在换能器上的阻抗模，同时在这个采集周期内电压及电流相位信号经过过零计数法，采集多组相位数据，平均处理后得到此周期的相位角，FPGA内部实现过程基本框架如图7所示：

图6 阻抗检测电路

图7 FPGA内部结构设计

选用经矢量网络分析仪测试的某换能器，其谐振频率为1MHz、阻抗模71Ω，阻抗角为-110.33°，通过本系统测量该换能器所得的阻抗模为80Ω。阻抗角为-108°。多次测量数据后，得到此系统阻抗模测量精度为±10%，阻抗角测量精度为±2%，可较好地为压电换能器动态匹配提供实时阻抗参数。

5 结论

本论文阐明了压电换能器动态阻抗匹配时实时阻抗检测精确度的必要性，设计了运用矢量法实时检测压电换能器阻抗的硬件电路，此电路以FPGA为核心，运用了FPGA并行的特点，同时检测同一时间的阻抗模及阻抗角，提高阻抗模与阻抗角相互对应性，系统阻抗模测量精度达到±10%，阻抗角测量精度达到±2%。为压电换能器动态匹配电路总体设计铺垫，使动态匹配更加精准，提升了压电换能器发射效率及其使用寿命。

[1]鲍善惠．压电换能器的动态匹配[J]．应用声学,1998,17(2)：16-20．

[2]朱武,张佳民,金长善,蔡鹤皋．基于数字电感的压电换能器动态匹配的研究[J]．应用声学,2000,19(2)：31-34．

[3]孔权．压电换能器自动阻抗匹配系统的设计[D]．重庆：重庆医科大学,2009．

[4]钟龙．基于动态阻抗匹配的超声电源设计与研究[D]．北京：北京交通大学,2015．

[5]杨芳．超声换能器系统的动态匹配研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学,2015．

[6]牛金海．超声原理及生物医学工程应用[M]．上海：上海交通大学出版社,2017：83．

[7]胡新伟．大功率压电超声换能器的非线性研究[D]．陕西：陕西师范大学,2007．

古先毅（1994—），男，江西赣州人，硕士研究生，研究方向：FPGA设计、电路设计。