新型超声波发生器频率自动跟踪电路的研究

　　0 引言

　　频率跟踪是长期困扰超声加工技术应用的难题,没有频率跟踪,换能器将无法连续正常工作。因为变化的工作条件往往引起换能器谐振频率变化,使系统的振动失谐、振幅降低。同时换能器工作在失谐状态,将会使声学系统的温度升高、振幅成指数级下降,造成恶性循环,这样不仅影响加工速度,更影响加工质量,并且缩短超声波发生器的寿命,甚至使换能器因过热而烧坏。因此在/超硬材料精密超精密超声复合珩磨技术及装备研制0项目中,根据声学系统的振幅特性,研究了新型超声波发生器的频率跟踪问题,解决了功率超声加工的振幅稳定问题,为新型超声珩磨装备的研究奠定了基础。

　　1 新型超声波发生器的关键电路原理及组成

　　超声波发生器由振荡电路、频率跟踪、自动稳速和主回路等部分组成。本文仅就其振荡电路、频率跟踪电路做一介绍。

　　1.1 振荡电路

　　振荡电路主要由压控振荡器(VCO)及外围元件组成,它能产生正弦波、三角波和方波等。若用直流电压作为控制电压,压控振荡器可设计成频率调节的信号源。新研制的压控振荡电路如图1所示。

　　压控振荡电路的压控特性是电路设计的关键之一。为考察压控振荡器的压控特性,对上述电路进行了测试,通过测量V1、V2点的实际电压以及2脚的输出频率,可得压控振荡器8038的压控特性曲线,如图2所示。

　　由图2可知,压控振荡器的频率随控制电压呈线性变化,线性度很好,完全可以满足要求。

　　1.2 频率跟踪电路

　　频率跟踪电路由采样电路取得电压和电流信号,经鉴相电路等处理后,加到压控振荡器,从而控制超声波发生器的振荡频率。

　　对于采样电路,设计中选用了很具代表性的2个元件:电压、电流互感器。

　　(1)当换能器处于谐振状态时,其两端电压可达到近千伏,功放的主回路电流也有1 A以上,因此用电压和电流互感器取出信号非常合适。

　　(2)为了把主电路和控制电路完全隔离开,电路还采用了光电耦合器来隔离主电路和控制电路,所以控制电路不会对主电路产生任何不利影响。电压、电流采样电路如图3所示。

　　鉴相器在电路中起着关键作用,系统跟踪性能的好坏在很大程度上取决于鉴相器的设计。图4是一种新颖的相位检测器,它能读出同频率2个输入信号0~±180°之间的相位差,并以正负电压表明其超前还是落后。图中各点波形如图5所示。

　　在图4中,输入同频率的电压、电流信号,分别经电压比较器A1、A2输出两个方波,送至D触发器,其输出电平为C。此两方波也同时输入异或门,可以求得异或门输出电压的平均值为