1、.超聲電源的研制本文采用移相脈寬控制(PSPWM)方式通過改變全橋逆變器橋臂脈沖的移相角來調節(jié)輸出功率,逆變器承擔著逆變和調功兩種功能,并采用軟開關技術,使功率開關器件工作在零電壓開通和關斷狀態(tài),開關損耗小,可以實現輸出功率的調節(jié)。硬開關PWM可以應用于超聲電源,但其開關損耗大、效率低、EMI大,高頻時不能實現調功;對PFM方式而言,因負載系統(tǒng)為超聲換能器,其諧振頻率范圍較窄,不能用來實現調功; PDM、PSM屬于有級調功,輸出的正弦波幅值不是恒定的,不利于負載換能器的穩(wěn)定工作,因此PDM、PSM方式不能用來實現調功。超聲電源主電路采用全橋逆變拓撲結構,如圖2所示,Z1Z4為主開關管IGBT,

2、D1D4為Z1Z4內部反并聯寄生二極管,C1C4為外接并聯的電容或者功率管的寄生電容,T為高頻脈沖變壓器,L0為串聯調諧匹配電感, PZT為超聲換能器。選取的超聲換能器型號是中國科學院上海聲學實驗室的DH-6160F-15S-3,其諧振頻率為25kHz,諧振阻抗為15,靜態(tài)電容為27000pF,通過計算,匹配電感為0. 75mH。電路輸入直流電壓E=120V,根據PSPWM控制策略,實際應用中可以采用移相控制專用芯片UC3875組成控制系統(tǒng),它能產生4路PWM波形控制全橋逆變器的4個功率開關管。芯片設有死區(qū)時間保證同一橋臂上下兩管不能直通,同時相移角可調,實現輸出功率調節(jié)。（2）采用 DSP

3、控制DSP（Digital Signal Processing,數字信號處理）是近年來迅速崛起的新一代可編程處理器當前在超聲換能器的應用中，主要選用壓電陶瓷換能器。傳統(tǒng)的超聲波換能器大多采用壓控振蕩和鎖相環(huán)來實現超聲波發(fā)生，此類設備只能進行窄頻域調節(jié)，精度低，更不能實時控制。波形發(fā)生模塊采用 DDS 芯片，通過控制系統(tǒng)調節(jié)，可實時發(fā)生精度為 1Hz 的 50MHz 以下任意頻率。要想驅動換能器正常工作，DDS輸出的超聲波必須經過功放模塊放大之后才能驅動換能器正常工作，所以功放模塊必不可少。反饋模塊的設計采用相位監(jiān)測和有效值監(jiān)測實時分析換能器工作狀態(tài)調整頻率和功率，使換能器處于最佳工作狀態(tài)。本設

4、計的微處理器選用采用了ARM920t內核的微處理器S3C2440A三星公司推出的 16/32 位 RISC 微處理器 S3C2440A, 為手持設備和一般類型應用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。當主頻 400MHz 時工作電壓為 1.3V。這些特性不僅是現階段開發(fā)數字超聲波發(fā)生器的基礎，而且選用 S3C2440 處理器，基于這款芯片的系統(tǒng)特點：內部集成 LCD 控制器(STN&TFT)、路異步串行通信接口、內置看門狗定時電路及實時時鐘(RTC) 、對嵌入式 Linux 良好的支持等，將為以后進一步開發(fā)手持功能，發(fā)展成便攜式智能超聲波發(fā)生儀奠定基礎。3.1 電源模塊設計供電電

5、源采用 AC-DC 模塊開關電源 AJC-15D,該電源可以直接安裝到 PCB板并且效率高、噪聲低，理論上可以提供 15V的直流電壓，實測最大能提供1 4.8V的直流電壓，最大輸出電流 1.3A。1.2.1 超聲清洗的原理超聲波主要具有機械效應（如傳聲媒質的質點位移、速度、加速度、聲壓等力學量）、熱效應（聲波在傳播過程中其部分能量被媒質吸收變成熱能）和空化效應。其中空化效應是聲化學應用的理論基礎，也最為重要。超聲清洗，是指在清洗工件的液體中加上超聲波，使液體產生空化效應以用來清洗工件的一種技術?？栈沙珊?、微氣泡增長、空腔塌陷三步組成。在反應體系中，液體中存在張力弱區(qū)，即液體內溶有氣體或在

6、塵埃的液固界面上存在氣體。超聲波在清洗液中疏密相間地向前輻射，使液體流動而產生數以萬計的微氣泡（空化核），這些微氣泡被周圍的液體蒸汽或氣體充滿。微氣泡在聲場的作用下振動，當聲壓達到一定值時，微氣泡在受到負壓時迅速增長產生氣泡，氣泡在受到正壓時由于內外壓力懸殊使空腔塌陷、破裂，即氣泡被壓碎，從而把集中的聲場能量在極短的時間和極小的空間內釋放出來，使液體介質局部形成幾百到幾千 K的高溫，并在周圍產生高達數百至數千個大氣壓的高壓環(huán)境，同時產生很大的沖擊力，雖然位移、速度都非常小，但加速度卻非常大，起到激烈攪拌的作用，這就是空化效應?？栈浅Ｈ菀自诠腆w與液體的交界處產生，從而破壞了不溶性污物而使它

7、們分散于清洗液中，當固體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子即脫離，從而達到清洗件表面凈化的目的。而在激烈攪拌的同時還生成大量微氣泡，它們又作為新的空化核，使上述過程不斷地在進行。由于空化核數量極多且無處不在，因此對浸入液體中的工件的清洗可以非常徹底，具有超乎尋常的清洗作用。由于超聲波具有很強的穿透固體的作用，即使是形狀復雜的工件內部，只要能夠接觸到溶液，就可以得到徹底的清洗，因此，對浸入液體中的工件的內外表面如管件等均可以清洗得十分徹底。這是超聲波優(yōu)于其它清洗手段的重要原因。又因為每個氣泡的體積非常微小，因此，雖然它們的破裂能量很高，但對于工件和液體來說，不會產生機械破壞和

8、明顯的溫升。當然并不是液體中所有的空化核都能產生空化效應。只有當外加的超聲波頻率與空化核的固有頻率相同時，空化效應才能發(fā)生。同時也受到其它一些因素的影響，如聲波的強度、液體介質的溫度以及介質的蒸汽壓等等。因此，歸納起來，影響清洗效果的因素主要有如下幾個：1、與頻率有關：誘導產生空化效應的超聲波頻率以 20kHz80kHz 最為適當。過高的頻率不易產生空化效應，即使產生也需要大量的能量，而且其中大部分能量被轉化為熱能，使介質溫度明顯提高，且頻率越高，空化效果越差，但噪音相對較低，適用于微孔、盲孔較多的物體及電子晶體等；一般頻率越低空化效果越明顯，但噪音相對較高，適用于表面相對平正的物體。2、與聲

9、強有關：根據頻率不同，聲強一般選在 12W/cm2 左右。低強度超聲波的應用不會引起介質的任何狀態(tài)變化，只有高強度超聲波的應用才可能對介質有強烈的影響，引發(fā)空化效應。3、與溫度有關：一般 3050的介質溫度清洗效果最好。4、與清洗液有關：一般來說，清洗液的粘度越低，含氣量越高，清洗效果越好。5、與清洗液的深度及被清洗物體的位置有關。數字信號處理器（DSP）是近年來迅速崛起的新一代可編程處理器，與單片機相比，DSP 具有工作頻率更高的 CPU，更大的存儲器容量。在超聲波電源中，DSP 可以完成除功率變換以外的所有功能，如 PWM 信號的輸出、電路參數的顯示、系統(tǒng)的實時監(jiān)控及保護等等。TMS320

10、LF2407是TI公司推出的一種用于自動控制的DSP芯片。它內部集成了許多外圍設備，功能十分強大。基于 DSP 的大功率超聲電源具有以下特點:(1)采用高性能DSP 芯片 TMS320F2812 作為控制核心器件,利用其強大、快速的數據處理能力,豐富的事件管理器資源, 實時調節(jié)電源的輸出頻率和功率,使電源能夠穩(wěn)定高效的工作。(2)采用集成化的 DDS 芯片 AD9833 作為頻率信號發(fā)生器,提高了超聲換能器諧振頻率跟蹤的精度, 可達到 1Hz。(3)采用 PWM技術實現系統(tǒng)的振幅控制, 能夠使其振幅輸出穩(wěn)定并易于調整。(4)功率開關器件選用絕緣柵雙極晶體管 IGBT,能夠實現大功率輸出。大部分

11、 DSP 芯片內還集成有采樣/保持和 A/D 轉換電路，并提供 PWM 信號輸出。與單片機相比，DSP 的優(yōu)勢表現在數據處理能力強、運算速度高，實時性好、指令周期短（大部分指令為單周期指令）、PWM 分辨率高，采樣周期短。因此，適合于高精度，高頻率的控制場合。FPGA 作為專用集成電路（application-specific integrated circuit，ASIC）領域中的一種半定制電路，既克服了定制電路硬件電路不可更改的不足，同時又克服了原有可編程器件（PAL、GAL、EPLD 等）門電路數量有限的缺點。由于它內部電路的邏輯功能可以通過硬件描述語言自行設置，且集成度非常高，因此，一

12、塊 FPGA 芯片往往可以替代多塊集成邏輯芯片5，在純數字領域具有非常大的發(fā)展前途，但是在電源系統(tǒng)中，由于需要實時采樣電源的工作電壓電流，AD 轉換是必須的，而 FPGA 很難在其內部生成高精度 AD 電路，除此之外，用 FPGA 實現復雜的電源電路控制算法也比較困難。為了降低芯片功耗，TMS320F2812 芯片采用低電壓供電，并采用內核電壓和 I/O 口電壓相互分開的供電方式。本次設計的輔助電源可提供+5V 的直流電源，因此，可使用一片低壓降的電壓調節(jié)器 TPS767D318 作為 5V/3.3V 和 5V/1.8V 的轉換芯片，從而為DSP 芯片提供 3.3V 的 I/O 口電壓和 1.

13、8V 的內核電壓，DSP 能完成超聲信號源中除了功率變換外的其他所有功能，如控制電路，保護電路，信號監(jiān)測電路等。雖然 DSP 有很多優(yōu)點，但是應用在超聲信號源中還是存在一些不足之處的。如采樣頻率、PWM 信號的精度等問題。FPGA 基本可以實現目前所有的數字器件，大到 CPU，小到簡單的 74 電路。用 FPGA 開發(fā)數字電路，可以大大的縮短設計周期，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時 FPGA 還具有速度快和靈活性強等優(yōu)點。Cyclone/Cyclone II 系列器件是 Altera 公司的一款低成本、高性價比的 FPGA， 本文利用高速TMS320LF2407A型DSP控制芯片設計了系統(tǒng)的控制電路,

14、聲化學常用的聲波的頻率為15kHz10MHz。超聲波清洗一般采用的頻率范圍是2040kHz。(2)設計了以DDS技術和嵌入式系統(tǒng)為核心的超聲電源，其信號發(fā)生器能產生寬頻帶(09MH z)、穩(wěn)定的電信號。選用基于LPC2104的嵌入式系統(tǒng)為控制單元。AD9833輸出的信號很小，電壓值一般為38650mV。因此需經功率放大器進行功率放大后才能驅動換能器。頻率合成器采用了直接數字頻率合成技術，所選用的芯片為ADI公司的AD9833。頻率合成器在本超聲電源中負責輸出15Hkz9MHz的正弦波信號。五、模數轉換模擬的電壓信號不能被微處理器直接讀取，需將其轉換為數字信號，所選用的芯片為MAX187。因此課

15、題選擇了微處理器LPC2104。LPC2104是Philips公司生產的ARM7TDMI核的嵌入式微處理器，具有多種串行通信接口，多達9個外部中斷、CPU的操作頻率最大可達60MHz。它的各項性能指標都勝于普通單片機，能夠滿足課題的需要。LPC2104往AD9833寫入頻率字以產生相應頻率的正弦波信號。并可實現人機交互及與上位機進行通信。課題選用ADI公司生產的頻率合成器AD9833。AD9833是一款完整的、低功耗的、可編程的波形產生器，可產生正弦波、三角波及方波。其輸出頻率和相位可通過軟件編程方便調整，時鐘頻率為25MHz時，輸出頻率的精度可達0.1Hz。4.1.2 常用 DDS 芯片及選型AD 公司作為全世界高性能信號處理集成電路領先制造商，提供了眾多 DDS集成芯片，目前已經成為主流DDS 芯片市場的最大制造商和供應商。AD 公司的 DDS 產品主要分為三大系列：AD983X 系列、A