0 引言

    超聲霧化一直被應用在眾多方面，如清洗^[1]、醫療、加濕、工業等方面。其中，以超聲霧化為代表的氣溶膠制備材料技術如噴霧干燥、噴霧熱解^[2-3]、液相氣相化學沉積以及熔融液滴沉積等^[4]應用尤其廣泛。通過振蕩器的振蕩，應用壓電材料的逆壓電效應產生超聲振動^[5]，達到霧化的效果。很多的霧化電路都是利用振蕩電路的自激振蕩產生振蕩信號，這種設計的不足是各元件參數設置相對復雜致使調試周期較長，而且因其不易調整驅動頻率，所以無法通過對驅動頻率進行實時調整來尋找到最佳諧振頻率。本文旨在設計一種他激振蕩的霧化電路，即基于AD9833芯片的編程生成目標信號，在驅動電路的輔助增強下刺激振蕩器振蕩。同時電路通過程序控制可平滑地調整頻率，并以此特點增加采樣反饋電路使振蕩器始終保持工作在最佳諧振狀態。

1 電路設計方案

    霧化電路主要由五部分組成：頻率合成器模塊、驅動電路模塊、振蕩電路模塊、采樣反饋電路模塊與DC電源模塊。

    頻率合成器模塊負責合成目標頻率的正弦波信號，并將目標信號傳輸到驅動電路；驅動電路模塊負責增強信號的方波特性，使其更好地控制MOS管的開啟與關斷；振蕩電路模塊主要負責刺激壓電晶體的振蕩；采樣反饋電路模塊的設置有助于霧化電路尋找最佳諧振頻率，當振蕩器諧振時其兩端電壓與電流的相位差幾乎為零，因此通過檢測振蕩器兩端電壓與電流的相位差來判斷其是否為最佳諧振頻率，如果檢測到相位差不為零，將信息傳遞給主控制器修改頻率直到相位差接近于零，此時即為最佳諧振頻率；DC電源模塊主要負責為電路整體提供穩定的直流電源保護，此模塊采用LM2596開關電壓調節器，該調節器功耗小效率高，具有輸出線性好和負載可調節等特點，輸出電壓范圍為1.2 V~37 V±4%。

2 基于AD9833的頻率合成器設計

    為提升霧化效果，本文設計的霧化罐將采用4個霧化片同時工作，對應需要四塊霧化電路。因此，結合整體電路的功耗、發射頻率和控制以及引腳數目等需求，選擇STM32F系列為主控制器。

2.1 主控制器

    主控制器采用STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是一款基于ARM32位的CortextM3內核的單片機，2.0～3.6 V的寬電壓供電范圍，CPU工作頻率最大可達72 MHz^[6]。其還擁有20 KB的SRAM存儲器和64 KB的Flash存儲器。STM32F103C8T6滿足對于霧化電路的開關以及頻率調整等控制需求，具有速度快、成本低、性價比高等優點。

2.2 頻率合成器設計

    頻率合成器是通信、雷達和電子對抗等設備的重要組成部分，其輸出信號的穩定與準確程度直接影響通信、電子對抗等系統的整體性能^[7]。本文以可編程芯片AD9833為核心設計了一種頻率合成器，頻率合成器可通過數碼管來顯示相對應的芯片編號、頻率數值以及幅值。其中，AD9833芯片包含一個16位的控制寄存器可控制生成波形的種類，兩個28位的頻率寄存器可以決定信號頻率，兩個12位的相位寄存器確定初相位。在不同的主頻時鐘下，其精度可達到0.01 Hz或0.004 Hz。另外，AD9833芯片是運用DDS技術來進行頻率的合成。

2.3 直接數字頻率合成技術（DDS）原理

    DDS(Direct Digital Synthesis)直接數字頻率合成技術和傳統頻率合成器的信號產生方法有著一定的區別。利用該技術可獲得高頻率精度和高相位精度的矩形、正弦信號^[8]。

    正弦波幅值是非線性的，但相位是線性的，按相位將一個周期（360°）分成n等份，將這n個相位點對應的n個幅值存儲在DDS芯片內部ROM中查詢表^[9]，不同的頻率控制字會引起累加器相位增量不同，這樣通過查詢表就得到不同頻率的數字正弦序列^[10]，再經過D/A轉換（D/A為10位）、低通濾波便可生成正弦波信號，圖1即為DDS的原理框圖。

    輸出波形頻率值的計算公式為：

其中k為頻率控制字，f_mclk為參考時鐘頻率。

    AD9833生成的信號頻率最高可達12.5 MHz。其不僅可以生成正弦波還可以通過控制其內部寄存器生成方波和三角波信號，完全滿足本霧化電路的設計需求。

    通過大量的測試發現，若通過AD9833直接生成方波，由于需要生成的信號頻率過高，結果導致生成的方波發生變形，并不是標準的方波，不利于驅動MOS管的開關，最終導致MOS管的燒毀或者霧化電路突然性的不工作等后果。因此本文提出一種新的優化方案，選擇使用1.7 MHz、2.4 MHz、3.0 MHz三種高頻率正弦波，并通過光耦和驅動電路來增強信號的方波特性來達到要求，經過一系列實驗表明這種方式生成的波形的方波特性優于前方案，良好的方波特性促使MOS管的工作更加穩定，使外接信號可以更充分地激勵壓電晶體振蕩，最終縮短了起振時間、提升了霧化效果。

3 核心驅動及采樣反饋電路設計

3.1 核心驅動電路設計

    此部分驅動電路是整個振蕩器部分的關鍵，核心驅動電路接收頻率合成器生成的高頻正弦波信號并進行一系列的增強，提升其方波特性，加快信號高電平與低電平的轉換時間，達到有效驅動MOS管工作的作用。其對信號方波特性增強效果的好壞直接影響霧化電路的工作性能，因此本文提出了以下的設計。

    其中，在電路前端采用光耦合器6N137用于控制電路和外部電路的隔離，6N137光耦合器具有高速、兼容以及溫度、電壓和電流補償等特點，因此6N137光耦除了隔離的作用還有著對信號上拉的作用，可以用于初步增強信號的方波特性。在信號經過光耦上拉的基礎之上，驅動電路的后面部分將對信號進行進一步增強，其中12 V的直流電壓輸入既提升了信號的電壓幅度也起到了一定的上拉作用，之后的兩個三極管的推挽相連也縮短了信號高低電平的轉換時間，很好地提升了信號的方波特性。圖2即為驅動電路的硬件電路圖。

3.2 采樣反饋電路模塊設計

    該霧化電路采用程序控制，可實現頻率的實時調整，因此在此基礎之上增加了采樣反饋電路的設計，通過采集振蕩器兩端電壓與電流相位差，反饋給主控制器，不斷調整輸入頻率至最佳諧振頻率。因為實際電路中很難達到相位差為零，因此設定閾值，如果相位差低于閾值即認定此時為最佳諧振頻率。圖3為采樣反饋電路工作流程圖。

4 實驗測試結果

    圖4即為通過示波器（固緯GDS-2202數字示波器）顯示的針對三種頻率信號增強其方波特性的效果圖。其中，圖4(a)為AD9833芯片最初生成的頻率1.7 MHz的正弦波波形圖；圖4(b)為將生成的正弦波經光耦上拉調整后的波形圖；圖4(c)為正弦波經過光耦和驅動電路同時增強后，并最終用于驅動MOS管的波形圖。圖4(d)、(e)、(f)為信號頻率2.4 MHz相對應的波形圖。圖4(g)、(h)、(i)為信號頻率3.0 MHz相對應的波形圖。可以看出，經過一系列的信號調整與增強，最終可以將高頻正弦波信號近乎調整為方波信號，達到有效驅動MOS管開關的目的。通過實驗證明，采用芯片生成高頻正弦波信號并增強其方波特性這種方法使振蕩器起振速度更快、霧化電路工作更加穩定。

    通過測試，霧化頻率為1.7 MHz、2.4 MHz、3.0 MHz三種型號的霧化電路均可正常工作，起振速度快，振蕩效果良好，霧化量滿足要求。

    表1中的第一列為三種頻率型號的振蕩器，本文設計的霧化電路實現了一塊霧化電路適用于多個頻率振蕩器。第二列為經過采樣反饋電路調整后使振蕩器達到最佳諧振狀態的驅動信號頻率。第三、四列為霧化電路使振蕩器霧化的工作電壓范圍，當工作電壓達到起振電壓后振蕩器開始振蕩，隨著電壓的升高霧化量增加，直至其所能承受的最高電壓。

5 結論

    本文設計了一種通過程序調整外接信號頻率的霧化電路，利用外接信號激勵振蕩器工作。它可控制四塊霧化電路同步工作，包含1.7 MHz、2.4 MHz、3.0 MHz三種工作頻率。通過采樣反饋及時尋找最佳諧振頻率，可實現對驅動信號頻率的實時調整。該設計提高了霧化電路的穩定性能，縮短了電路的調試周期，精簡了電路結構。

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作者信息:

孫成勝，張紅民，龔恒翔，巴忠鐳

(重慶理工大學，重慶400054)