基于DDS的頻率自動跟蹤超聲波發(fā)生器的研制

1 引言

　　超聲波清洗主要利用超聲空化作用。在聲場作用下，存在于液體中的微氣泡會產生高頻振動,當聲壓達到一定值時，氣泡迅速增長然后突然閉合,液體間相互碰撞產生強大的沖擊波，雖然位移、速度都非常小，但加速度卻非常大，局部壓力可達幾千個大氣壓，使被清洗物表面的污垢膜的破壞、剝落、分離及乳化，從而達到一種迅速且高效的清洗效果。目前，超聲波清洗被國際公認為當前效率最高、效果最好的清洗方式，其清洗效率達到了98％以上，清洗潔凈度也達到了最高級別。

　　超聲波清洗設備由超聲波發(fā)生器和超聲波換能器組成。其中超聲波發(fā)生器是超聲波清洗設備的重要組成部分，負責在工作過程中向超聲換能器提供能量。為了使換能器達到很高的工作效率，除了提供足夠的功率外，還需要發(fā)生器的頻率與換能器的諧振頻率一致。但是換能器的諧振頻率在工作過程中通常會由于發(fā)熱、老化等原因發(fā)生改變，而市場上的超聲波發(fā)生器通常都是通過手動調節(jié)輸出信號頻率來跟蹤超聲波換能器的諧振頻率，為了解決這個問題，本文研制了一種基于DDS(直接數(shù)字式頻率合成器)頻率自動跟蹤的超聲波發(fā)生器，使發(fā)生器的輸出信號頻率能夠自動跟蹤換能器的諧振頻率，使換能器在工作過程中始終保持在高效率狀態(tài)。

2 系統(tǒng)設計原理

　　在設計中為了使超聲波發(fā)生器的輸出頻率能實時跟蹤換能器的諧振頻率，設計了一個基于DDS的頻率自動跟蹤電路。系統(tǒng)總框圖如圖1所示。本系統(tǒng)由DDS信號產生電路、功率放大電路、匹配電路、電流反饋電路、單片機控制及一些外圍電路組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　整個系統(tǒng)的工作原理為：單片機控制DDS芯片AD9832產生一個一定頻率的正弦波信號，這個正弦波信號經過整形和初級功放后加到一個隔離變壓器初級線圈的兩端，隔離變壓器副邊感生出的兩個相位相反的方波信號進一步驅動由兩個N溝道MOS管組成的半橋推挽互補功率放大電路，后通過輸出變壓器和可調電感組成的匹配電路驅動壓電換能器。在換能器工作期間及時通過電流傳感器把換能器的工作電流反饋回去，單片機根據(jù)相對應的反饋信息來控制DDS芯片輸出相對應的頻率信號，使換能器始終工作在諧振點上，有效提高其工作效率。

3 系統(tǒng)的硬件構成

3.1 信號產生電路

　　頻率信號的產生由DDS芯片來完成。DDS的工作原理是以數(shù)控振蕩器的方式產生頻率、相位可控制的正弦波。內部電路一般包括基準時鐘、頻率累加器、相位累加器、幅度/相位轉換電路、D/A轉換器和低通濾波器（LPF）。本設計采用AD9832這款DDS芯片，AD9832是一款相位累加數(shù)控振蕩器，內置正弦查表和10位D/A轉換器的CMOS芯片?？山幼畲髸r鐘25MHz，頻率最大輸出10MHz。信號產生電路如圖2所示。

圖2 信號產生電路

　　設計中采用ATMEGA16單片機作為主控器。ATMEGA16根據(jù)時序圖來控制AD9832的SCLK、XDATA和FXYNC這三個引腳，使AD9832輸出一個頻率的正弦電流信號，該電流信號通過一個電阻接地后成為一個對應頻率的正弦電壓信號。為了后續(xù)電路的需要，該信號通過LM393過零比較后產生一個正負12伏的方波信號。