基于AVR与DDS技术的超声波电源研制

1引言
近年来, 随着压电材料、电力电子技术的飞速发展,超声在工业、农业、生物、医药卫生、环境保护等国民经济的各个部门以及国防工业中已得到广泛的应用 [1]。超声技术的两大核心要素包括换能器和超声电源[2]。目前，超声技术向高频率、高稳定性发展，因此对超声电源的性能提出了更高的要求。在超声系统工作过程中,由于变幅杆系统刚度、载荷、工作面积等因素的变化,导致换能器系统固有频率发生漂移 [3],要求超声电源具有精确的频率自动跟踪功能[4],以满足换能器稳定的超声输出。此外，目前对换能器多种工作频率的需求日愈增加，急需具有多种频率选择的超声电源与之配对 [5]。本文采用DDS与AVR，研制了一种新型超声波电源,能够提供500kHz、功率为3.2瓦范围内的电信号输出，且具备工作频率下的跟踪功能。实验表明，开发的电源能够精确和稳定工作。
2系统构成
系统构成包括硬件电路与上位机软件系统。硬件电路包括：AVR、DDS、频率跟踪及功放等模块。采用AVR单片机Atmega64作为控制器 , 以DDS芯片AD9852作为频率发生源，应用带过流过压保护的线性放大器作为功放，并通过 RS232串口或并口与 PC连接，实现上位机控制。键盘和液晶显示作为简易的用户人机接口，键盘模块实现功能选择、参数设置等功能，液晶模块主要用来显示菜单和功能设置。采用Visual Basic计算机语言开发上位机系统，上位机系统包括：频率设置、功率调节、曲线显示等部分。上位机和键盘设置的参数和控制命令，经单片机处理后，分解成频率控制信号、幅值控制信号、时间控制信号以及显示控制信号，其中频率控制信号、幅值控制信号由单片机控制AD9852模块输出对应频率及幅值的波形，时间控制信号用于控制波形发生的时间点以及波形发生的时间长短，以便实现变功率驱动，显示控制信号实现电源的状态显示，系统整体框图如图1所示。

2.1波形发生模块
AD9852芯片是波形发生模块的核心。该芯片是美国 AD公司推出的高性能 DDS芯片, 其内部包含高速、高性能D/A转换器及高速比较器, 外接精密时钟源，可输出频率和相位都可编程控制且稳定性良好的模拟正弦波。该芯片内部主要由 DDS内核、2个48位的频率寄存器、 2个14位的相位寄存器、各工作模式配置寄存器、 2路12位的高速 DAC、模拟比较器、I/O接口等电路组成[6]。
AD9852构成的正弦信号发生电路需要提供接口电路与高精度外部时钟。本超声电源使用60MHz有源晶振为 AD9852提供一个高精度、低抖动的外部时钟。对于计数容量为 2n的相位累加器，以及 M个相位取样点的正弦波波形存储器，若频率控制字为 K，输出信号频率为 Fo，参考时钟频率为F，则信号频率为： 
 

在60MHz时钟下，输出频率分辨率高达 2 ×10 −7 Hz。AD9852内含12位幅值控制模块，可达到12精度的调幅输出。通过高速 SPI接口，对 AD9852写入不同的控制字，可实现实时与精确地控制输出波型的频率和幅值。
2.2 频率自动跟踪的实现频率跟踪功能是目前超声电源最基本的功能之一。本超声电源采用电锁相式自动频率跟踪和电流最大值跟踪方法，其中电锁相式自动频率跟踪采用零相位跟踪和定相位跟踪方法。
2.2.1 锁相式自动频率跟踪方法

锁相式自动跟踪系统为一种相位控制系统[6]，即通过电压与电流的相位关系来判断负载是否处于谐振状态。本电源采用 D触发器实现相位频率跟踪。换能器驱的反馈电流信号和反馈电压信号分别经过过零比较器，得到两个方波信号，送到D触发器，电压方波输入到D触发器的的D端，电流输入到D触发器的CP端。若电压超前电流，则D触发器的输出输端为逻辑电平“0”，若电流超前电压，则D触发器的输出输端为逻辑电平“1”，如图 2所示。 D触发器的输出电压送至单片机，作为控制时增加或减小频率的理论参考值，以此值作为频率跟踪。
本超声波电源采用了两种锁相式频率跟踪方式，即零相位跟踪和定相位跟踪。定相位跟踪由零相位跟踪通过对电压反馈串接移相电路实现。
2.2.2 最大电流法跟踪方法
串联谐振时，换能器电流具有最大值；并联谐振时，其电流具有最小值 [7]，因此根据电流反馈实现频率跟踪是一种有效的办法。最大电流跟踪的原理是，在一定区间上，通过改变频率，找到工作电流的最大值或最小值，即可跟踪到换能器的串联或并联谐振频率。本系统通过采样电阻从换能器两端采集的电流信号，经过真有效值检测电路送至单片机，单片机通过改变频率来搜索电流的最大值或最小值实现频率跟踪。
2.3 振幅控制

超声系统实际工作过程中，机械负载是经常变化的，造成换能器的谐振频率产生变化，从而使输出振幅与功率不稳定。此外，当变幅杆从有载变为空载 (或空载变为有载 ) 时，机械阻抗急剧变小(或大)，这种往复变化导致超声波电源和换能器极易受损，且严重影响工作界面超声振幅的稳定性。本超声电源采用三种方案控制换能器的振幅输出，即恒压控制，恒流控制，恒功率控制。实现方法是：将电压、电流信号反馈并经过真有效值电路，再输入单片机后进行采集，根据二者的有效值改变输出电压，从而实现恒定电压、电流与功率的输出。

2.4 上位机软件系统
采用 Visual Basic编写上位机软件，包括通信控制和功能实现两个模块。通信控制模块实现与超声板的通信，功能实现模块实现对超声的各参数和功能的控制。功能实现模块通过对超声板的底层驱动函数的调用实现了波形发生、频率跟踪、焊接控制、换能器老化等功能。波形发生功能实现了对换能器的可控扫频，并显示扫描曲线。频率跟踪功能可以设置频率跟踪的各参数，如跟踪精度、跟踪方式。焊接控制用于设置超声焊接中的一、二、三、四焊焊接的各参数频率跟踪方式。换能器老化用于实现对换能器可控老化，包括恒压老化、恒流老化、恒功率老化及变功率老化等。界面如图 4所示。
 
3 实验
采用开发的超声电源驱动 64K、138K等芯片封装领域的换能器，图 5为 64kHz驱动信号的波型图。测试条件为：采用零相位跟踪，CH1为电压波形，CH2为电流波形。可见，本电源的波形无明显杂波，跟踪稳定，并能通过上位机对超声电源进行任意控制。
 
3 实验
采用开发的超声电源驱动 64K、138K等芯片封装领域的换能器，图 5为 64kHz驱动信号的波型图。测试条件为：采用零相位跟踪，CH1为电压波形，CH2为电流波形。可见，本电源的波形无明显杂波，跟踪稳定，并能通过上位机对超声电源进行任意控制。
 
3 实验
采用开发的超声电源驱动 64K、138K等芯片封装领域的换能器，图 5为 64kHz驱动信号的波型图。测试条件为：采用零相位跟踪，CH1为电压波形，CH2为电流波形。可见，本电源的波形无明显杂波，跟踪稳定，并能通过上位机对超声电源进行任意控制。