基于频率自动跟踪技术的超声波电源设计与实现

宋振瑛



基于频率自动跟踪技术的超声波电源设计与实现

宋振瑛

丹东百特仪器有限公司，辽宁 丹东 118009

超声波换能器在长时间工作情况下，温度等因素会发生变化，压电换能器谐振频率会发生漂移。为了稳定地驱动换能器，就需要超声波电源能够跟踪谐振频率的变化。介绍了频率跟踪方法中的锁相环技术，并设计了频率跟踪电路，解决了这个问题，保证了换能器的输出效率。

超声波；频率跟踪；锁相环

超声波在液体中进行分散或萃取时，主要依赖液体的空化作用。液体在空化时可产生大量小气泡，气泡在声波的作用下振动，从而达到样品分散的目的。超声波电源设计好坏，不仅影响整个系统的可靠性，且直接影响液体中样品分散的稳定性，导致样品测试结果出现偏差。超声波电源只有工作在谐振状态下，超声波换能器负载输出功率才会达到最大，系统才最稳定。但在实际的使用中，由于受超声波换能器自身发热、负载变化（水位、水温）等因素的影响，超声波换能器负载的谐振频率是时时刻刻变化的，即需要一种可以实时跟踪换能器负载谐振频率的电源，因此本文设计了一种可以自动跟踪超声波频率的电源[1]。

1 超声波换能器的特性分析

超声波换能器的有两个谐振点：串联谐振与并联谐振。串联谐振的特点：电源电压和电流同相位，容抗与感抗互相抵消，电路阻抗Z等于R，呈阻性。电路此时的阻抗最小，电流最大，可以产生比电源电压高出好几倍的高压，因此串联谐振也有时被称为电压谐振。并联谐振的特点：并联谐振是容抗与感抗相加达到最大，这时阻抗最大，电路的总电流最小，而支路LC上会出现很大的电流，所以也叫电流谐振。由于我们使用换能器要求振幅大，清洗或分散效果好，因此需要超声波电源锁定在串联谐振点上。我们运用先进的阻抗分析仪器，测试了一款标称40 kHz的换能器，粘接清洗缸体并加入500 mL水后的阻抗-频率相关曲线、阻抗角-频率曲线及等效电路如图1所示，测得换能器的串联谐振点在39.89 kHz。图1可以看出此时阻抗最小，且阻抗角为0度，系统呈纯阻性。我们设计的超声波电源板需要自动跟踪到此频点。

图 1

2 锁相环原理及频率自动跟踪方法设计

锁相环电路是由相位比较器、压控振荡器和环路滤波器三部分构成的闭合回路。锁相环电路的特点如下：相位比较器的一端由外部输入一个信号作为基准，另一端与闭合回路的反馈信号比较，输出这两个信号的相位差，再将高频的相位差信号通过环路滤波，得到一个可以反映相位大小的电压值，送给压控振荡器，产生相应的频率信号，作为控制输出，直到与基准信号频率达到一致，此时输出信号与输入的基准信号达到固定的相位差，即输出信号与输入的基准信号的相位被锁定住，锁相环由此得名[2]。

图2

2.1 锁相环控制介绍

过去的锁相控制中，大多是以模拟电路和分立器件为主，而现在多是集成电路来实现，CD4046便是其中之一。由于其集成了鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分，非常适合锁相环的频率跟踪。内部的鉴相器分为相位比较器Ⅰ与Ⅱ，相位比较器Ⅰ相对Ⅱ更容易对其进行频率跟踪，因此我们采用相位比较器Ⅰ。环路滤波部分是由相位比较器的输出的相位误差信号与RC高阶滤波回路组成，反馈给CD4046的9脚，即压控振荡器的VCO，控制压控振荡器改变输出频率。

2.2 参数计算

当电源电压确定时，压控振荡器输出频率由11脚、12脚的外接电阻 R1、R2和6、7脚之间的电容C28以及9脚的控制电压共同决定。当外接电阻与电容确定时，压控振荡器最低输出频率的fmin取决于R2，最高频率fmax由R1和R2共同决定，即搜索频率的上限和下限，10 k≤R1≤1 M，10 k≤R2≤1 M，100 pF≤C28≤0.01μF，C28的单位是pF。由于工作频率在40 kHz附近，我们设定搜索范围为33～47 kHz，对照CD4046技术手册中的R-F曲线，R1=47 K，R2=27 K。考虑到环路振荡器滤除的是鉴相器的高频信号，其截止频率按照40 kHz计算，我们使用R20=100 K，C16选用105的高频陶瓷电容。

2.3 反馈信号的采集

反馈电路由电流检测和电压检测电路组成。电流检测电路中，在换能器负载端串联一个霍尔传感器，我们选用TAK12进行电隔离采样。由于当CD4046的相位比较器I的14脚与3脚的输入信号为方波信号且占空比为50%时，频率搜索范围最大，因此我们经过零比较器LM393进行波形变换，将电流的正弦波变换成占空比为50%的方波信号，再送入CD4046的 14脚的作为锁相环的基准信号。电压检测电路中，在换能器负载两端并联两个采样电阻，一个取值10 M，一个取值1 M，得到按比例缩小10倍的电压信号，再通过过零比较器LM393波形变换得到方波信号，送入CD4046的3脚作为锁相环的反馈信号，与电流基准信号相比较。如图2（a）所示，R20与C16组成环路滤波器，与上述中用于3脚、14脚采集信号的鉴相器，R1、R2、C28组成的压控振荡器，组成了锁相环控制回路。

2.4 锁相环的控制

经过锁相环CD4046输出的控制信号，并不能直接驱动超声波换能器，需要经过一系列的变换，如死区控制，用于防止MOS管交替导通时发生短路。MOS管的半桥驱动电路，用于驱动换能器的一种电源逆变电路。交流电源的滤波、整流，用于给MOS管提供直流高压。变压器的阻抗变换与负载的阻抗匹配，为了获得最佳输出效果等。这样经过一系列的变换后，加载在超声波换能器两端，输出的控制信号就可以改变换能器工作频率，直到与采集到的频率相等，且电压与电流同相位时，系统呈现锁定状态[3]。

3 结论

按照以上方法，通过实验做出了可以自动跟踪频率的超声波电源，通过示波器测量换能器电压输出端与通过过零比较器隔离采样得到的电流信号进行比较，结果图2（b）所示，其中的正弦信号为换能器负载高压输出信号，方波信号是通过过零比较器的电流信号，信号频率39.85 kHz，与阻抗分析仪测得结果偏差±0.04 kHz，且电压与电流基本同相位（偏差±2度）。

综上所述，采用CD4046可以实现锁相环的频率跟踪控制，可以保证超声波工作频率随负载谐振频率的时刻变化而变化，达到了锁相跟踪的目的，保证了超声波振动系统的稳定性，提高了超声波电源的可靠性，是解决该类问题的一个理想方法。

[1]鲍善惠，王艳东. 超声波清洗机的阻抗匹配电路[J]. 洗净技术，2004，2（5）：11-14.

[2]熊腊森，全亚杰. CD4046锁相环在感应加热电源中的应用[J]. 电焊机，2003（6）：14-16，19.

[3]张大华. 锁相环集成电路 CD4046及其在自动化仪表中的应用[J]. 计量测试，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

TN86

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