超声波振子频率跟踪驱动电路——软件设计
毕业设计说明书（论文）中文摘要
毕业设计说明书（论文）外文摘要
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:超声波,频率跟踪电路,单片机atmegal280
目 录
1 绪论 1
1.1 前言 1
1.2 课题研究的目的和意义 1
1.3 频率跟踪的原理 1
1.4 频率跟踪电路 2
1.5 频率跟踪现状 2
1.6 频率跟踪的几种方案 2
1.7 超声波振子定义 3
1.8超声波振子评定方式 5
1.9 频率跟踪 6
1.10 锁相环回路的基本原理 7
1.11 利用LabVIEW 的逐点分析技术实现频率的实时跟踪 8
2 超声波频率跟踪方法 10
2.1 采用单片机控制 10
2.2 采用DSP控制 11
2.3 采用FPGA控制 11
3 超声波系统设计 11
3.1 信号发生器 12
3.2 功率放大器 12
3.3 阻抗匹配 12
3.4 反馈电路 12
3.5换能器 12
3.6 超声换能器的阻抗特性 12
4 电路设计 14
4.1 换能器及调谐匹配 14
4.2 电流反馈电路设计 19
5 超声波控制系统的研究与设计 21
5.1 ATmega1280简介 21
5.2超声波控制系统整体结构 21
5.3 PWM信号发生电路 23
5.4频率跟踪控制系统设计 28
5.5 频率跟踪控制电路设计与分析 28
5.6电流采样电路 30
5.7 过零比较器 31
5.8 鉴相器 31
5.9 相位补偿电路 31
5.10 压控振荡器及信号发生器 31
5.11 过流保护电路 32
5.12 人机接口电路设计 32
结论 36
致谢 37
附录 软件代码 39
1 人机接口软件代码 39
2 PWM控制程序代码 48
3 按键驱动代码 49
1 绪论
1.1 前言
超声工程学更趋向是边沿的学科，应用工业、维护自然和医疗卫生等领域都大规模的应用。在最近十年来，在超声技术及其应用的研究方面我国也开始活跃起来。超声工程学在内容里包括检测，功率两大领域超声内容。换能器产生超声波。超声波换能器是种把电能转换成机械能，声能能量能转成电能的设备。超声机器里超声波发生器有举足轻重的地位，承担提供超声波产生的声音频率转换的电能。发生器产生功率相当，和换能器谐振频率匹配，保证换能器高效运行。
通常换能器的谐振频率在一般情况下会因为发热、负载变化、老化等因素发生改变。因为不仅换能器自身消耗产生热，而且温度会随着上升传递影响换能器，洗涤槽上升的液面，污物的性质改变清也是无法规避的。所有这些因素都会促使换能器谐振频率漂移。若无法马上调节发生器振荡频率、换能器工作状态就会改动，轻则效率会下降，重则振动会休止。在工业生产中，手动(人工)的已经不能满足自动化生产的要求，手动方式去调整频率也会使得效率变低。这就要求发生器拥有自主调整频率的功能，也就是自动跟踪即频率跟踪。
1.1 课题研究的目的和意义
超声波换能器有许多重要的参数，其中谐振频率即为举足轻重的一个参数。超声波换能器伴随外部条件、温差、器件衰弱等客观因素致使谐振频率漂移。谐振频率的漂移不仅影响超声波换能器的工作效率降低，而且会损坏换能器元器件。保持谐振，是系统工作功耗最小，功率最大的保证。在谐振状态下我们需要找到一种综合有效的算法，快速准确地找出新的谐振频率，来实现频率自动跟踪的目的。
1.3 频率跟踪的原理
简单陈述，频率跟踪就是应用反馈技术，使调节发生器的振荡频率随着换能器谐振频率的变化而变化，自动调节振荡频率来保持换能器一直工作在某种设定状态下。声反馈和电反馈两种方式是普遍应用的反馈方式。
声反馈是记录换能器的机械振动能量，将其改成电信号，再发送发生器输入端。声反馈优势是电路简单，缺点是把负载生硬的机械相连很麻烦。不是每一种情况都能做到，使用不多。目前主要应用在超声电机的频率跟踪上。
电反馈控制振荡频率的方法是将换能器的电流和电压先进行采样，然后对采样信号进行一定的处理，再送回到发生器。这样就便可以达到控制振荡频率的目的。这种反馈的优点是完全依托电子元器件实现，制作便捷，方案灵活度高，形式多样，因此应用较广。
1.4 频率跟踪电路
锁相环（PLL）跟踪电路：这种电路从电压采样V1和电流采样V2检测出他们的相位差，再将它转变成误差信号去控制VCO的工作状态上。概要阐述锁相环跟踪原理：首先调好匹配，保持在纯阻性的系统，系统就是换能器TD与匹配电感L构成，使得换能器两端电压V和流经其电流I相位差等于零。若V与I中间相位之差不等于零，就要存在电抗成分，表现是频率漂移，控制谐振频率，当V与I相位差等于零，系统恢复纯阻性。
相位比较电路(鉴相器)：经过低通滤波器滤波，产生整形完的反馈V与I信号，信号输入到相位比较电路，获得V与I的相位差和方向Direct。取得每一个脉冲信号宽度就可以作为时间差，脉冲信号通过上升沿触发的D触发器得到。系统这样检验时间差。而且电压信号作时钟输入，电流信号作信号输入。观察D触发器的高低电平，低电平是相位电压超前电流；高电平是相位电压滞后电流。
相差累积电路：就是系统运用的低通滤波器，鉴相器检查出相位差，相差累积电路进定量相位差， 在相位差超过设定值，就自动调整频率。把此电路放在系统里就是去除细小波动的影响。防止不断调节系统频率。
1.5 频率跟踪现状
国内外对超声波谐振频率跟踪也展开了一定的研究，但是目前国内的绝大多数使用的是中国台湾的自激式发生器，频率跟踪的宽度小，当换能器工作效率下降时，需要人工通过调频线圈对超声波换能器频率进行调整。而国外带有自动谐振频率跟踪的他激式超声波发生器价格很高，中小型企业使用的比较少。
近十年来我国的超声波技术发展很快，但是我国的超声波技术还不是很高，超声跟踪技术基本还是应用硬件锁相环，或者手动调谐来实现频率跟踪。
1.6 频率跟踪的几种方案
（1）、选择同时达到频率调整与信号产生的器件有一种器件即直接数字合成器(DDS)。采用可编程逻辑器件(CPLD)完成相位比较与DDS控制，DDS频率跟踪的反应速率快；选用单片机当作全部系统核心，监视控制反馈信号，实现先扫频后跟踪，及时可靠。能自主控制解锁，适应能力强。
（2）、DDS-PLL复合频率跟踪技术从字面就可以了解，PLL加上DDS来实现频率跟踪，PLL是硬件锁相环电路[11]。
（3）、PI-DPLL频率跟踪：就是比例积分环节PI，在DSP主控芯片上，结合锁相环技术设计频率跟踪系统。
（4）、利用TMS320F28335与FPGA相连合的方式具有十分庞大的运算速度和运算能力，可以非常方便实现控制功能。
FPGA的主要任务是：定时检测由高频采样变压器和电流互感器采样得到的换能器的电压、电流信号。
原文链接：http://www.jxszl.com/jxgc/jdgc/2906.html
