超聲波篩分系統(tǒng)掃頻式信號(hào)源設(shè)計(jì)

白林鋒，王澤華，王應(yīng)軍

（河南科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

在超聲粉末篩分系統(tǒng)中，換能器的共振頻率主要取決于換能器的共振頻率、環(huán)境溫度、篩子的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及耦合程度。實(shí)際應(yīng)用中，只有在共振頻率附近工作時(shí)，換能器才能獲得最大的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率和最佳篩分效果。受篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度、換能器與篩網(wǎng)的耦合程度等因素的影響［1-5］，當(dāng)某個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，換能器的諧振頻率會(huì)隨之發(fā)生變化。如果超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率固定，則換能器容易工作在失諧狀態(tài)。此時(shí)，換能器輸出的超聲振動(dòng)幅度會(huì)大大降低，且換能器容易發(fā)熱和損壞，減短換能器的使用壽命，影響細(xì)粉篩分的效率。

1 電路設(shè)計(jì)

掃頻式超聲篩分系統(tǒng)信號(hào)源電路設(shè)計(jì)原理，如圖1 所示，由掃頻電壓發(fā)生器［6-7］和精密壓控振蕩器［8］組成。中心頻率自修正電路檢測換能器負(fù)載電流，單片機(jī)在一定頻率范圍內(nèi)對(duì)換能器掃描，負(fù)載電流達(dá)到極致時(shí)確定換能器的中心頻率，并在此基礎(chǔ)上控制三角波發(fā)生器和精密壓控振蕩器產(chǎn)生掃頻超聲波信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率放大電路工作。

1.1 掃頻電壓發(fā)生器

為了提高信號(hào)源輸出精度，掃頻電壓發(fā)生器電路由STC15F2k63S2 單片機(jī)、16 位D-A 轉(zhuǎn)換器DAC8562以及積分電路組成，電路原理如圖2所示。其中，DAC8562 的4、5、6、7、8 引腳與單片機(jī)IO 連接［9-10］，VREF 引腳接1/2 電源電壓，單片機(jī)控制通道A 輸出。

掃頻電壓發(fā)生器有掃描模式和掃頻模式兩種工作狀態(tài)。當(dāng)工作在掃描模式下，單片機(jī)輸入的數(shù)據(jù)從0～65 525 范圍內(nèi)變化時(shí)，DAC8562 的VOUT引腳理論上輸出0～5 V 電壓。當(dāng)壓頻發(fā)生器［11-12］工作在掃頻模式下時(shí)，VOUT輸出周期為T 的方波信號(hào)。經(jīng)過積分電路處理可以得到最大電壓為Vmax和最小電壓為Vmin的三角波壓控信號(hào)，其波形仿真圖如圖3 所示。

當(dāng)電容C1充電時(shí)，充電電壓由DAC8562 提供；當(dāng)電容充到Vmax時(shí)，開始放電，同時(shí)通過單片機(jī)輸入數(shù)字信號(hào)控制DAC8562 模擬輸出為低電平，電容開始放電；當(dāng)電容電壓放電到Vmin時(shí)，通過單片機(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出高電平對(duì)電容進(jìn)行充電。如此反復(fù)，電容電壓為一個(gè)掃頻電壓經(jīng)過R2輸出。設(shè)A 點(diǎn)電壓為Va，那么VO開路時(shí)，Va=VO，有：

充電時(shí)間和放電時(shí)間之和為T，Vmax和Vmin同時(shí)是LM131 所需電壓范圍。式（1）中，Va=Vmax時(shí)，充電時(shí)間為T-t放電。式（2）中，此時(shí)電容的電壓為Vmax，其中Vmin已知，可以求出電容放電時(shí)間t放電，因此可以求出式（1）中VOUT的輸出高點(diǎn)平時(shí)的電壓。這個(gè)電壓可以通過STC15F2k63S2 輸出數(shù)字信號(hào)給DAC8562 芯片經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換得到。

1.2 精密壓控信號(hào)源

精密壓控信號(hào)源精密壓控信號(hào)源由LM131 組成，其外部電路如圖4 所示。

在電容Ct充電時(shí)，設(shè)V0為電容Ct初始電壓值，Vu為電容充滿終止電壓值，Vc為任意時(shí)刻電容Ct的電壓，則：

換能器的諧振頻率一定，因此f已知、t1已知，可以求出VL的電壓約等于輸入電壓［13］。因此，讓輸入電壓以VL為中心，在Vmax和Vmin范圍掃描。

2 中心頻率自動(dòng)鎖頻和自動(dòng)修正方法

在篩分生產(chǎn)過程中，超聲篩分系統(tǒng)信號(hào)源輸出頻率應(yīng)保持與換能器的諧振頻率一致，才能使系統(tǒng)篩分效果最佳。因此，掃頻式信號(hào)源的中心頻率應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行修正。根據(jù)換能器特性，當(dāng)驅(qū)動(dòng)的功率信號(hào)與換能器諧振頻率一致時(shí)，換能器諧振，此時(shí)換能器負(fù)載電流最大，可以讓掃頻電壓電路工作在掃描模式輸出一定范圍的電壓，控制精密壓控振蕩電路輸出一定范圍的掃頻描信號(hào)，同時(shí)利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器監(jiān)測換能器電流變化。當(dāng)判斷換能器的電流達(dá)到極值時(shí)，確定中心頻率并鎖定。自修正電路見圖5，由取樣電阻、幅度檢測器和單片機(jī)內(nèi)部A-D 組成。

中心頻率自修正分為換能器諧振頻率掃描鎖定和自動(dòng)修正兩種工作方式。為了提高系統(tǒng)鎖定效率，掃描鎖定分為開機(jī)和正常工作兩種狀態(tài)。正常工作期間，每隔一段時(shí)間進(jìn)行1 次，用來確定與換能器諧振頻率相一致的中心頻率。自動(dòng)修正方式在篩分生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行。在此工作方式下，單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測信號(hào)源頻率，并與中心頻率比較，同時(shí)調(diào)整掃頻電壓發(fā)生器，使壓控振蕩器輸出的信號(hào)頻率始終與中心頻率一致。它的工作方式程序設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。

通過檢測電壓值判斷該換能器是否工作在諧振頻率下，把電壓值轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的模擬信號(hào)，通過AD轉(zhuǎn)換后，利用極值判斷法實(shí)現(xiàn)頻率鎖定。系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)換能器掃頻的過程中，首先系統(tǒng)利用直接頻率合成技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)頻帶寬度為W的信號(hào)f對(duì)換能器負(fù)載掃描，f覆蓋現(xiàn)有篩分換能器諧振頻率。設(shè)掃頻信號(hào)源初始頻率為f0，步進(jìn)頻率Δf，在W內(nèi)超聲波電源驅(qū)動(dòng)篩分換能器。頻率掃描過程中，有：

式中，n為帶寬W內(nèi)頻點(diǎn)數(shù)量，n=W/Δf。當(dāng)檢測電路檢測到恒流源端電壓極小值u0min時(shí)，確定i，則fi=f0+iΔf即為換能器諧振點(diǎn)f01，掃描結(jié)束。篩分換能器在恒流源供電狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)電路端電壓與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7 所示。

當(dāng)Wf0+iΔf≥W時(shí)，掃頻結(jié)束，通過單片機(jī)C語言程序排序求極值?？紤]直流電壓傳感器電路時(shí)間延遲td，實(shí)際鎖定fi=f0+i×Δf+td×vf，自動(dòng)鎖頻總時(shí)間為T=W/v0，其中fi精度為步進(jìn)頻率Δf。Δf取值越小，fi精度越高。系統(tǒng)找到fi后，單片機(jī)控制DA 轉(zhuǎn)換模擬量，從而控制壓頻轉(zhuǎn)換器輸出的掃頻信號(hào)源電路產(chǎn)生頻率fi，使超聲波驅(qū)動(dòng)電路輸出的頻率剛好為超聲波換能器的諧振頻率，從而完成自動(dòng)鎖定操作。

3 應(yīng)用測試

應(yīng)用中信號(hào)源要求掃頻輸出為25～35 kHz，精密壓控振蕩電路中Rt、RL和RS分別為22 kΩ、8.2 kΩ 和4.7 kΩ，Ct和CL均為22 nF。此時(shí)，掃頻電壓發(fā)生器輸出電壓范圍在2.2～3.3 V。當(dāng)時(shí)間為5 ms 時(shí)，可求出Vi。根據(jù)電路設(shè)計(jì)需要，為了得到中心電壓為2.7 V±0.5 V 的100 Hz 三角波信號(hào)，單片機(jī)需要每5 ms 發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

頻率鎖定一般發(fā)生在超聲篩分系統(tǒng)在首次篩分系統(tǒng)開機(jī)或更換換能器時(shí)進(jìn)行，選擇不同掃頻范圍W、掃頻速度vf和步進(jìn)頻率Δf對(duì)自動(dòng)鎖頻時(shí)間和鎖頻精度影響較大。不同W、vf、Δf對(duì)應(yīng)的鎖頻時(shí)間和鎖頻精度，見表1?？紤]到超聲波換能器的串聯(lián)諧振電路參數(shù)匹配和篩分換能器實(shí)際應(yīng)用頻率，頻率鎖定操作中為了縮短鎖定時(shí)間，Δf1取50 Hz，掃描速度v1為200 Hz/s。鎖定完成后，輸出頻率與換能器諧振頻率誤差小于30 Hz，鎖定換能器諧振頻率總時(shí)長小于10 s。

在超聲篩分系統(tǒng)正常工作情況下，頻率修正不是隨時(shí)發(fā)生。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)換能器諧振頻率發(fā)生較大溫漂進(jìn)行自動(dòng)頻率修正時(shí)，頻率修正期間Wa一般選擇在1 kHz 范圍內(nèi)。一旦發(fā)生偏離值觸發(fā)修正，系統(tǒng)自動(dòng)修正小于10 s。由于修正頻率范圍窄，修正期間超聲波電源輸出功率平穩(wěn)度達(dá)到90%以上（修正期間功率下降不大于10%），完全滿足超精細(xì)物料篩分要求。

換能器諧振頻率鎖定時(shí)間為2 h 自修正1 次。經(jīng)應(yīng)用測試，在自動(dòng)鎖定和自動(dòng)修正后，信號(hào)源中心頻率與換能器諧振頻率誤差在30 Hz 以內(nèi)，達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用要求。實(shí)測數(shù)據(jù)見表2。

表1 鎖頻時(shí)間與精度

表2 掃頻式信號(hào)源中心頻率與換能器實(shí)際誤差

4 結(jié)語

掃頻信號(hào)源采用D-A 轉(zhuǎn)換電路、精密壓控振蕩電路以及單片機(jī)內(nèi)部A-D 電路，利用換能器諧振頻率自鎖定方法，使得信號(hào)源中心頻率跟蹤精度高、鎖定時(shí)間短，有效解決了篩分用超聲波電源在掃頻工作模式下中心頻率的漂移問題。