2021年12月21日 | 基于AVR与DDS技术的超声波电源研制

1 引言

近年来, 随着压电材料、电力电子技术的飞速发展,超声在工业、农业、生物、医药卫生、环境保护等国民经济的各个部门以及国防工业中已得到广泛的应用。超声技术的两大核心要素包括换能器和超声电源。目前，超声技术向高频率、高稳定性发展，因此对超声电源的性能提出了更高的要求。在超声系统工作过程中,由于变幅杆系统刚度、载荷、工作面积等因素的变化,导致换能器系统固有频率发生漂移,要求超声电源具有精确的频率自动跟踪功能,以满足换能器稳定的超声输出。此外，目前对换能器多种工作频率的需求日愈增加，急需具有多种频率选择的超声电源与之配对。本文采用DDS与AVR，研制了一种新型超声波电源,能够提供500kHz、功率为3.2瓦范围内的电信号输出，且具备工作频率下的跟踪功能。实验表明，开发的电源能够精确和稳定工作。

2 系统构成

系统构成包括硬件电路与上位机软件系统。硬件电路包括：AVR、DDS、频率跟踪及功放等模块。采用AVR单片机Atmega64作为控制器 , 以DDS芯片AD9852作为频率发生源，应用带过流过压保护的线性放大器作为功放，并通过 RS232串口或并口与 PC连接，实现上位机控制。键盘和液晶显示作为简易的用户人机接口，键盘模块实现功能选择、参数设置等功能，液晶模块主要用来显示菜单和功能设置。采用 Visual Basic计算机语言开发上位机系统，上位机系统包括：频率设置、功率调节、曲线显示等部分。上位机和键盘设置的参数和控制命令，经单片机处理后，分解成频率控制信号、幅值控制信号、时间控制信号以及显示控制信号，其中频率控制信号、幅值控制信号由单片机控制AD9852模块输出对应频率及幅值的波形，时间控制信号用于控制波形发生的时间点以及波形发生的时间长短，以便实现变功率驱动，显示控制信号实现电源的状态显示，系统整体框图如图1所示。


2.1波形发生模块

AD9852芯片是波形发生模块的核心。该芯片是美国 AD公司推出的高性能 DDS芯片, 其内部包含高速、高性能D/A转换器及高速比较器, 外接精密时钟源，可输出频率和相位都可编程控制且稳定性良好的模拟正弦波。该芯片内部主要由 DDS内核、2个48位的频率寄存器、 2个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、模拟比较器、I/O接口等电路组成。

AD9852构成的正弦信号发生电路需要提供接口电路与高精度外部时钟。本超声电源使用60MHz有源晶振为 AD9852提供一个高精度、低抖动的外部时钟。对于计数容量为 2n的相位累加器，以及 M个相位取样点的正弦波波形存储器，若频率控制字为 K，输出信号频率为 Fo，参考时钟频率为F，则信号频率为：　

在60MHz时钟下，输出频率分辨率高达 2 ×10 ?7 Hz。AD9852内含12位幅值控制模块，可达到12精度的调幅输出。通过高速 SPI接口，对 AD9852写入不同的控制字，可实现实时与精确地控制输出波型的频率和幅值。

2.2 频率自动跟踪的实现

频率跟踪功能是目前超声电源最基本的功能之一。本超声电源采用电锁相式自动频率跟踪和电流最大值跟踪方法，其中电锁相式自动频率跟踪采用零相位跟踪和定相位跟踪方法。

2.2.1 锁相式自动频率跟踪方法

锁相式自动跟踪系统为一种相位控制系统，即通过电压与电流的相位关系来判断负载是否处于谐振状态。本电源采用 D触发器实现相位频率跟踪。换能器驱的反馈电流信号和反馈电压信号分别经过过零比较器，得到两个方波信号，送到D触发器，电压方波输入到D触发器的的D 端，电流输入到D触发器的CP端。若电压超前电流，则D触发器的输出输端为逻辑电平“0”，若电流超前电压，则D触发器的输出输端为逻辑电平“1”，如图 2所示。 D触发器的输出电压送至单片机，作为控制时增加或减小频率的理论参考值，以此值作为频率跟踪。

本超声波电源采用了两种锁相式频率跟踪方式，即零相位跟踪和定相位跟踪。定相位跟踪由零相位跟踪通过对电压反馈串接移相电路实现。

2.2.2 最大电流法跟踪方法

串联谐振时，换能器电流具有最大值；并联谐振时，其电流具有最小值，因此根据电流反馈实现频率跟踪是一种有效的办法。最大电流跟踪的原理是，在一定区间上，通过改变频率，找到工作电流的最大值或最小值，即可跟踪到换能器的串联或并联谐振频率。本系统通过采样电阻从换能器两端采集的电流信号，经过真有效值检测电路送至单片机，单片机通过改变频率来搜索电流的最大值或最小值实现频率跟踪。

2.3 振幅控制

超声系统实际工作过程中，机械负载是经常变化的，造成换能器的谐振频率产生变化，从而使输出振幅与功率不稳定。此外，当变幅杆从有载变为空载 (或空载变为有载 ) 时，机械阻抗急剧变小(或大)，这种往复变化导致超声波电源和换能器极易受损，且严重影响工作界面超声振幅的稳定性。本超声电源采用三种方案控制换能器的振幅输出，即恒压控制，恒流控制，恒功率控制。实现方法是：将电压、电流信号反馈并经过真有效值电路，再输入单片机后进行采集，根据二者的有效值改变输出电压，从而实现恒定电压、电流与功率的输出。

2.4 上位机软件系统

采用 Visual Basic编写上位机软件，包括通信控制和功能实现两个模块。通信控制模块实现与超声板的通信，功能实现模块实现对超声的各参数和功能的控制。功能实现模块通过对超声板的底层驱动函数的调用实现了波形发生、频率跟踪、焊接控制、换能器老化等功能。波形发生功能实现了对换能器的可控扫频，并显示扫描曲线。频率跟踪功能可以设置频率跟踪的各参数，如跟踪精度、跟踪方式。焊接控制用于设置超声焊接中的一、二、三、四焊焊接的各参数频率跟踪方式。换能器老化用于实现对换能器可控老化，包括恒压老化、恒流老化、恒功率老化及变功率老化等。界面如图 4所示。
3 实验

采用开发的超声电源驱动 64K、138K等芯片封装领域的换能器，图 5为 64kHz驱动信号的波型图。测试条件为：采用零相位跟踪，CH1为电压波形，CH2为电流波形。可见，本电源的波形无明显杂波，跟踪稳定，并能通过上位机对超声电源进行任意控制。

4 结语

采用AVR与DDS技术开发一种新型的超声波电源。具有500kHz范围频率任意输出，且工作频率下自动跟踪功能。此外，具有多种波型输出、上位机控制、LCD显示、键盘输入、自动扫频等多种功能。实验表明，该电源输出波型稳定，频率跟踪精确，可应用于半导体芯片引线键合、医疗超声、超声金属加工等领域。