近年來, 隨著壓電材料、電力電子技術的飛速發展,超聲在工業、農業、生物、醫藥衛生、環境保護等國民經濟的各個部門以及國防工業中已得到廣泛的應用 [1]。超聲技術的兩大核心要素包括換能器和超聲電源[2]。目前，超聲技術向高頻率、高穩定性發展，因此對超聲電源的性能提出了更高的要求。在超聲系統工作過程中,由于變幅桿系統剛度、載荷、工作面積等因素的變化,導致換能器系統固有頻率發生漂移 [3],要求超聲電源具有精確的頻率自動跟蹤功能[4],以滿足換能器穩定的超聲輸出。此外，目前對換能器多種工作頻率的需求日愈增加，急需具有多種頻率選擇的超聲電源與之配對 [5]。本文采用DDS與AVR，研制了一種新型超聲波電源,能夠提供500kHz、功率為3.2瓦范圍內的電信號輸出，且具備工作頻率下的跟蹤功能。實驗表明，開發的電源能夠精確和穩定工作。
2系統構成
系統構成包括硬件電路與上位機軟件系統。硬件電路包括：AVR、DDS、頻率跟蹤及功放等模塊。采用AVR單片機Atmega64作為控制器 , 以DDS芯片AD9852作為頻率發生源，應用帶過流過壓保護的線性放大器作為功放，并通過 RS232串口或并口與 PC連接，實現上位機控制。鍵盤和液晶顯示作為簡易的用戶人機接口，鍵盤模塊實現功能選擇、參數設置等功能，液晶模塊主要用來顯示菜單和功能設置。采用Visual Basic計算機語言開發上位機系統，上位機系統包括：頻率設置、功率調節、曲線顯示等部分。上位機和鍵盤設置的參數和控制命令，經單片機處理后，分解成頻率控制信號、幅值控制信號、時間控制信號以及顯示控制信號，其中頻率控制信號、幅值控制信號由單片機控制AD9852模塊輸出對應頻率及幅值的波形，時間控制信號用于控制波形發生的時間點以及波形發生的時間長短，以便實現變功率驅動，顯示控制信號實現電源的狀態顯示，系統整體框圖如圖1所示。
2.1波形發生模塊
AD9852芯片是波形發生模塊的核心。該芯片是美國 AD公司推出的高性能 DDS芯片, 其內部包含高速、高性能D/A轉換器及高速比較器, 外接精密時鐘源，可輸出頻率和相位都可編程控制且穩定性良好的模擬正弦波。該芯片內部主要由 DDS內核、2個48位的頻率寄存器、 2個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、模擬比較器、I/O接口等電路組成[6]。
AD9852構成的正弦信號發生電路需要提供接口電路與高精度外部時鐘。本超聲電源使用60MHz有源晶振為 AD9852提供一個高精度、低抖動的外部時鐘。對于計數容量為 2n的相位累加器，以及 M個相位取樣點的正弦波波形存儲器，若頻率控制字為 K，輸出信號頻率為 Fo，參考時鐘頻率為F，則信號頻率為：
在60MHz時鐘下，輸出頻率分辨率高達 2 ×10 −7 Hz。AD9852內含12位幅值控制模塊，可達到12精度的調幅輸出。通過高速 SPI接口，對 AD9852寫入不同的控制字，可實現實時與精確地控制輸出波型的頻率和幅值。
2.2 頻率自動跟蹤的實現頻率跟蹤功能是目前超聲電源最基本的功能之一。本超聲電源采用電鎖相式自動頻率跟蹤和電流最大值跟蹤方法，其中電鎖相式自動頻率跟蹤采用零相位跟蹤和定相位跟蹤方法。
2.2.1 鎖相式自動頻率跟蹤方法
鎖相式自動跟蹤系統為一種相位控制系統[6]，即通過電壓與電流的相位關系來判斷負載是否處于諧振狀態。本電源采用 D觸發器實現相位頻率跟蹤。換能器驅的反饋電流信號和反饋電壓信號分別經過過零比較器，得到兩個方波信號，送到D觸發器，電壓方波輸入到D觸發器的的D端，電流輸入到D觸發器的CP端。若電壓超前電流，則D觸發器的輸出輸端為邏輯電平“0”，若電流超前電壓，則D觸發器的輸出輸端為邏輯電平“1”，如圖 2所示。 D觸發器的輸出電壓送至單片機，作為控制時增加或減小頻率的理論參考值，以此值作為頻率跟蹤。
本超聲波電源采用了兩種鎖相式頻率跟蹤方式，即零相位跟蹤和定相位跟蹤。定相位跟蹤由零相位跟蹤通過對電壓反饋串接移相電路實現。
2.2.2 最大電流法跟蹤方法
串聯諧振時，換能器電流具有最大值；并聯諧振時，其電流具有最小值 [7]，因此根據電流反饋實現頻率跟蹤是一種有效的辦法。最大電流跟蹤的原理是，在一定區間上，通過改變頻率，找到工作電流的最大值或最小值，即可跟蹤到換能器的串聯或并聯諧振頻率。本系統通過采樣電阻從換能器兩端采集的電流信號，經過真有效值檢測電路送至單片機，單片機通過改變頻率來搜索電流的最大值或最小值實現頻率跟蹤。
2.3 振幅控制
超聲系統實際工作過程中，機械負載是經常變化的，造成換能器的諧振頻率產生變化，從而使輸出振幅與功率不穩定。此外，當變幅桿從有載變為空載 (或空載變為有載 ) 時，機械阻抗急劇變小(或大)，這種往復變化導致超聲波電源和換能器極易受損，且嚴重影響工作界面超聲振幅的穩定性。本超聲電源采用三種方案控制換能器的振幅輸出，即恒壓控制，恒流控制，恒功率控制。實現方法是：將電壓、電流信號反饋并經過真有效值電路，再輸入單片機后進行采集，根據二者的有效值改變輸出電壓，從而實現恒定電壓、電流與功率的輸出。
2.4 上位機軟件系統
采用 Visual Basic編寫上位機軟件，包括通信控制和功能實現兩個模塊。通信控制模塊實現與超聲板的通信，功能實現模塊實現對超聲的各參數和功能的控制。功能實現模塊通過對超聲板的底層驅動函數的調用實現了波形發生、頻率跟蹤、焊接控制、換能器老化等功能。波形發生功能實現了對換能器的可控掃頻，并顯示掃描曲線。頻率跟蹤功能可以設置頻率跟蹤的各參數，如跟蹤精度、跟蹤方式。焊接控制用于設置超聲焊接中的一、二、三、四焊焊接的各參數頻率跟蹤方式。換能器老化用于實現對換能器可控老化，包括恒壓老化、恒流老化、恒功率老化及變功率老化等。界面如圖 4所示。
3 實驗
采用開發的超聲電源驅動 64K、138K等芯片封裝領域的換能器，圖 5為 64kHz驅動信號的波型圖。測試條件為：采用零相位跟蹤，CH1為電壓波形，CH2為電流波形。可見，本電源的波形無明顯雜波，跟蹤穩定，并能通過上位機對超聲電源進行任意控制。