基于DDS的超声换能器频率跟踪系统

　　在超声设备中,超声波发生器是重要的组成部分,担负着向超声换能器提供超声频电能的任务[1]。为了达到较高的能量转换效率,超声换能器应工作在谐振状态,这就要求超声波发生器提供的激励信号频率应与换能器的谐振频率一致。换能器的谐振频率通常会因温度、负载变化及振动系本身的机械磨损等原因发生变化[1-3],因此要求激励频率也随之变化,所以超声波发生器需要有精确、快速的频率跟踪功能。采用集成锁相环进行频率跟踪,因其系统易实现而被广泛应用在超声发生器中。但集成锁相环频率跟踪系统要求在其跟踪范围内能获得较好的电压和电流反馈信号,一旦其中某一个信号的获取受到影响,就有可能造成锁相环的失锁;从而无法使换能器工作在谐振频率上,且集成锁相环采用模拟器件,调整不方便,不便增加其他的控制逻辑。另一种解决方案是采用直接数字合成器(DDS)的频率跟踪系统,但如果DDS控制器采用低速芯片,则系统跟踪速度仍会受到限制。本文提出了一种新的基于DDS的频率跟踪系统,其具有全数字系统的精度高,抗干扰能力强,调整方便等特点。它采用可编程逻辑器件(CPLD)做相位比较和DDS控制,使频率跟踪的响应速度大大加快;跟踪精度和速度均可由程序控制,便于调整。采用先扫频后跟踪的策略,可预先设定扫频范围,系统会在该范围内自动寻找换能器的谐振频率。增加解锁控制,使系统在死锁或误跟踪出现时自动回到频率搜索状态,工作更可靠。

　　1 本文提出的频率跟踪系统

　　1.1 工作原理概述

　　该电路系统的原理图如图1所示,主要包括控制电路、相位比较和相差累积电路、激励信号产生电路和反馈电路几个部分。

　　本系统依据取自换能器的反馈电压和电流信号的相位差跟踪频率,同时利用反馈电流幅值,由单片机实时监测换能器反馈电流幅值,作为判断谐振状态的一个辅助条件。采用先扫频后自动跟踪的策略,扫频由单片机控制DDS完成,自动跟踪由CPLD控制DDS完成。DDS根据其接收到的频率字,输出相应频率的正弦信号,经线性放大及功率放大后作为换能器的激励信号。

　　每次启动时,由主控单片机向DDS输出扫频指令,控制DDS输出信号频率在预定范围内连续变化;同时单片机实时监控换能器反馈电流的幅值,当电流幅值大于某一阈值时,则认为到达谐振频率附近,停止频率搜索并启动CPLD的自动跟踪电路,此后系统工作在自动频率跟踪状态。

　　在自动跟踪状态,相位比较电路将反馈电压和反馈电流的相位进行比较,得到相位差的方向和大小[3-4],相差累积电路根据相位比较的结果调整频率字,DDS控制器把频率字传输给DDS芯片以调整DDS的输出频率。在自动跟踪状态,单片机仍监测反馈电流的幅值,当幅值小于某设定的阈值时,认为系统出现死锁或误跟踪,单片机控制系统回到扫频状态,重新开始频率搜索,实现解锁。