单片机在压电陶瓷超声波换能器中的应用

　　1 引言

　　压电陶瓷在交变电场作用下能产生电致伸缩效应，压电陶瓷超声波换能器在交变电场作用下能产生振动，共振时能产生很强的超声波。由于压电陶瓷为容性器件，因此在压电陶瓷超声波换能器馈电电路中，常采用电感与压电陶瓷配合构成LC谐振电路，对这类LC谐振馈电电路，谐振频率由压电陶瓷的等效电容值、电感值、晶体管的放大倍数、放大电路的工作点、反馈系数、工作温度等参数决定。由于标称共振频率为28kHz 的压电陶瓷换能器具有较大离散性，其共振频率一般在26—32kHz范围，且共振峰的半宽度一般小于200Hz，因此采用LC谐振电路为压电陶瓷超声波换能器馈电存在以下问题：一是电路调整难，需调整多个参数才能使换能器工作在共振点，如调整工作点、反馈系数;二是对元器件特性要求高，如晶体管的放大倍数需要筛选、配对的电感值误差不能太大;三是工作不稳定，环境温度的变化将使谐振频率偏离共振点，换能器摩损导致其质量变化，使共振频率发生变化;这些问题导致存压电陶瓷超声波换能器的生产工艺复杂，不利于批量生产。利用单片机控制技术可非常简便地解决这些问题，本文介绍利用PIC16C712单片机、PWM技术、变频技术设计压电陶瓷超声波换能器馈电电路的方案，该方案在实际生产中效果良好。

　　2 电路原理

　　PIC16C712是由美国MICROCHIP公司生产的8位高性能单片机，其运行速度快，当振荡频率为20MHz 时，一个机器周期为200ns，片内带有4路8位A/D转换器，一路捕捉输入/比较输出/PWM脉宽调制输出(即CCP模块)。图一所示为单片机控制的压电陶瓷超声波换能器的馈电电路，PIC16C712单片机的CCP模块设置为PWM输出模式，作为换能器的振荡信号源，输出信号经TIP122达林顿功率管Q1驱动，由高频变压器T1输出高频电压，加载在压电陶瓷超声波换能器上，使换能器产生振荡，如果PWM的输出信号频率为压电陶瓷超声波换能器共振频率时，则高频变压器初级线圈的电流最大。采样反馈电阻Rf 的阻值为0.05欧姆，把流经高频变压器T1初级的电流转换成电压信号(高频变压器的初级线圈工作电流为0.5A～2.0A)，经过差动运算放大器IC2放大，滤波后的电压在0.75V～3.0V范围，该信号作为反馈信号VR，由PIC16C712的RA2引脚输入(该引脚为模拟量AN2输入端)，这样构成一个闭环控制系统。

　　当PIC16C712的CCP模块工作于PWM模式时，PIC16C712内有4个特殊功能寄存器TMR2、PR2、CCPR1L、CCP1CON用于控制PWM输出脉冲的周期和脉冲宽度，其等效电路图如图二所示。PWM输出脉冲信号的周期由以下公式决定：

　　其中4×TOSC=200ns，TMR2预分频率可设为1:1，通过改变 PR2 寄存器的数值，就可改变PWM输出信号的振荡周期，信号频率也随之改变。