基于頻率自動跟蹤技術的超聲波電源設計與實現

宋振瑛

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基于頻率自動跟蹤技術的超聲波電源設計與實現

宋振瑛

丹東百特儀器有限公司，遼寧 丹東 118009

超聲波換能器在長時間工作情況下，溫度等因素會發生變化，壓電換能器諧振頻率會發生漂移。為了穩定地驅動換能器，就需要超聲波電源能夠跟蹤諧振頻率的變化。介紹了頻率跟蹤方法中的鎖相環技術，并設計了頻率跟蹤電路，解決了這個問題，保證了換能器的輸出效率。

超聲波；頻率跟蹤；鎖相環

超聲波在液體中進行分散或萃取時，主要依賴液體的空化作用。液體在空化時可產生大量小氣泡，氣泡在聲波的作用下振動，從而達到樣品分散的目的。超聲波電源設計好壞，不僅影響整個系統的可靠性，且直接影響液體中樣品分散的穩定性，導致樣品測試結果出現偏差。超聲波電源只有工作在諧振狀態下，超聲波換能器負載輸出功率才會達到最大，系統才最穩定。但在實際的使用中，由于受超聲波換能器自身發熱、負載變化（水位、水溫）等因素的影響，超聲波換能器負載的諧振頻率是時時刻刻變化的，即需要一種可以實時跟蹤換能器負載諧振頻率的電源，因此本文設計了一種可以自動跟蹤超聲波頻率的電源[1]。

1 超聲波換能器的特性分析

超聲波換能器的有兩個諧振點：串聯諧振與并聯諧振。串聯諧振的特點：電源電壓和電流同相位，容抗與感抗互相抵消，電路阻抗Z等于R，呈阻性。電路此時的阻抗最小，電流最大，可以產生比電源電壓高出好幾倍的高壓，因此串聯諧振也有時被稱為電壓諧振。并聯諧振的特點：并聯諧振是容抗與感抗相加達到最大，這時阻抗最大，電路的總電流最小，而支路LC上會出現很大的電流，所以也叫電流諧振。由于我們使用換能器要求振幅大，清洗或分散效果好，因此需要超聲波電源鎖定在串聯諧振點上。我們運用先進的阻抗分析儀器，測試了一款標稱40?kHz的換能器，粘接清洗缸體并加入500?mL水后的阻抗-頻率相關曲線、阻抗角-頻率曲線及等效電路如圖1所示，測得換能器的串聯諧振點在39.89?kHz。圖1可以看出此時阻抗最小，且阻抗角為0度，系統呈純阻性。我們設計的超聲波電源板需要自動跟蹤到此頻點。

圖 1

2 鎖相環原理及頻率自動跟蹤方法設計

鎖相環電路是由相位比較器、壓控振蕩器和環路濾波器三部分構成的閉合回路。鎖相環電路的特點如下：相位比較器的一端由外部輸入一個信號作為基準，另一端與閉合回路的反饋信號比較，輸出這兩個信號的相位差，再將高頻的相位差信號通過環路濾波，得到一個可以反映相位大小的電壓值，送給壓控振蕩器，產生相應的頻率信號，作為控制輸出，直到與基準信號頻率達到一致，此時輸出信號與輸入的基準信號達到固定的相位差，即輸出信號與輸入的基準信號的相位被鎖定住，鎖相環由此得名[2]。

圖2

2.1 鎖相環控制介紹

過去的鎖相控制中，大多是以模擬電路和分立器件為主，而現在多是集成電路來實現，CD4046便是其中之一。由于其集成了鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器三部分，非常適合鎖相環的頻率跟蹤。內部的鑒相器分為相位比較器Ⅰ與Ⅱ，相位比較器Ⅰ相對Ⅱ更容易對其進行頻率跟蹤，因此我們采用相位比較器Ⅰ。環路濾波部分是由相位比較器的輸出的相位誤差信號與RC高階濾波回路組成，反饋給CD4046的9腳，即壓控振蕩器的VCO，控制壓控振蕩器改變輸出頻率。

2.2 參數計算

當電源電壓確定時，壓控振蕩器輸出頻率由11腳、12腳的外接電阻 R1、R2和6、7腳之間的電容C28以及9腳的控制電壓共同決定。當外接電阻與電容確定時，壓控振蕩器最低輸出頻率的fmin取決于R2，最高頻率fmax由R1和R2共同決定，即搜索頻率的上限和下限，10?k≤R1≤1?M，10?k≤R2≤1?M，100?pF≤C28≤0.01μF，C28的單位是pF。由于工作頻率在40?kHz附近，我們設定搜索范圍為33～47?kHz，對照CD4046技術手冊中的R-F曲線，R1=47?K，R2=27?K。考慮到環路振蕩器濾除的是鑒相器的高頻信號，其截止頻率按照40?kHz計算，我們使用R20=100?K，C16選用105的高頻陶瓷電容。

2.3 反饋信號的采集

反饋電路由電流檢測和電壓檢測電路組成。電流檢測電路中，在換能器負載端串聯一個霍爾傳感器，我們選用TAK12進行電隔離采樣。由于當CD4046的相位比較器I的14腳與3腳的輸入信號為方波信號且占空比為50%時，頻率搜索范圍最大，因此我們經過零比較器LM393進行波形變換，將電流的正弦波變換成占空比為50%的方波信號，再送入CD4046的 14腳的作為鎖相環的基準信號。電壓檢測電路中，在換能器負載兩端并聯兩個采樣電阻，一個取值10?M，一個取值1?M，得到按比例縮小10倍的電壓信號，再通過過零比較器LM393波形變換得到方波信號，送入CD4046的3腳作為鎖相環的反饋信號，與電流基準信號相比較。如圖2（a）所示，R20與C16組成環路濾波器，與上述中用于3腳、14腳采集信號的鑒相器，R1、R2、C28組成的壓控振蕩器，組成了鎖相環控制回路。

2.4 鎖相環的控制

經過鎖相環CD4046輸出的控制信號，并不能直接驅動超聲波換能器，需要經過一系列的變換，如死區控制，用于防止MOS管交替導通時發生短路。MOS管的半橋驅動電路，用于驅動換能器的一種電源逆變電路。交流電源的濾波、整流，用于給MOS管提供直流高壓。變壓器的阻抗變換與負載的阻抗匹配，為了獲得最佳輸出效果等。這樣經過一系列的變換后，加載在超聲波換能器兩端，輸出的控制信號就可以改變換能器工作頻率，直到與采集到的頻率相等，且電壓與電流同相位時，系統呈現鎖定狀態[3]。

3 結論

按照以上方法，通過實驗做出了可以自動跟蹤頻率的超聲波電源，通過示波器測量換能器電壓輸出端與通過過零比較器隔離采樣得到的電流信號進行比較，結果圖2（b）所示，其中的正弦信號為換能器負載高壓輸出信號，方波信號是通過過零比較器的電流信號，信號頻率39.85?kHz，與阻抗分析儀測得結果偏差±0.04?kHz，且電壓與電流基本同相位（偏差±2度）。

綜上所述，采用CD4046可以實現鎖相環的頻率跟蹤控制，可以保證超聲波工作頻率隨負載諧振頻率的時刻變化而變化，達到了鎖相跟蹤的目的，保證了超聲波振動系統的穩定性，提高了超聲波電源的可靠性，是解決該類問題的一個理想方法。

[1]鮑善惠，王艷東. 超聲波清洗機的阻抗匹配電路[J]. 洗凈技術，2004，2（5）：11-14.

[2]熊臘森，全亞杰. CD4046鎖相環在感應加熱電源中的應用[J]. 電焊機，2003（6）：14-16，19.

[3]張大華. 鎖相環集成電路 CD4046及其在自動化儀表中的應用[J]. 計量測試，2003（6）：30-32.

Design and Implementation of Ultrasonic Power Supply Based on Frequency Automatic Tracking Technology

Song Zhenying

Dandong Bettersize Instrument Co., Ltd., Liaoning Dandong 118009

Under the condition of long-term operation of ultrasonic transducer, temperature and other factors will change, and the resonant frequency of piezoelectric transducer will drift. In order to stably drive the transducer, an ultrasonic power source is required to track changes in the resonant frequency. The phase-locked loop technology in the frequency tracking method is introduced, and the frequency tracking circuit is designed to solve this problem and ensure the output efficiency of the transducer.

ultrasonic; frequency tracking; phase-locked loop

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