产生超声波的功率源电路

超声波功率源(或称发生器)是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量的装置。超声波发生器就其激励方式有两种：一种是他激式．另一种是自激式。如果按末级功放管所采用的器件类型分，又可分四种：电子管式超声发生器；可控硅逆变式超声发生器；晶体管式超声发生器及功率模块超声发生器。电子管式与可控硅逆变式目前基本已淘汰，当前广泛使用的是晶体管式发生器。

他激式超声发生器主要包括两部分，前级是振荡器，后级是放大器。一般通过输出变压器耦合，把超声能量加到换能器上。而自激式超声发生器是把振荡、功放、输出变压器及换能器集为一体，形成一闭环回路，回路在满足幅度、相位反馈条件，组成一个有功率放大的振荡器。并谐振于换能器的机械共振频率上。

本文根据超声发生器特点，主要讨论、分析、设计超声发生器的谐振、功放及匹配等相关问题。

一、关于谐振问题<频率自动跟踪>

所谓谐振问题就是要求发生器的输出信号频率能对在工作中变化的换能器谐振频率进行跟踪，也即称频率自动跟踪。目前常用的频率自动跟踪大致有以下几种方法：

1．声跟踪

以声耦合方式，从换能器上采集谐振频率的电讯号，然后反馈至前级放大器，使形成自激振荡器。其原理框图如图1．28所示。

 

图1．28 声跟踪超声波发生器原理框图

由图1．28看出，电路是个闭环系统，电路在通电的瞬间产生一个冲击脉冲，此脉冲经预放、功 放去激励换能器，换能器按自身固有频率振动。从而在反馈的声接收器上可得到相同频率的电讯号。经过电路的移相、选频、预放及功放再去激励换能器，如果满足振荡器的相位，幅度条件，系统将自激振荡，且振荡频率跟踪在换能器的共振频率上。

2．电跟踪

所谓“电跟踪”又称反馈自激式振荡器。大致有以下几种形式

(1)阻抗电桥形式的动态反馈系统

阻抗电桥形式的动态反馈系统组成的频率自动跟踪电路其原理如下；它是利用电桥平衡原理补偿换能器电学臂的无功与有功分量，借助于差动变量器提取与换能器机械臂振荡电流成正比的反馈电压，使闭环系统在换能器机械共振频率上自振。本方法对换能器电参数的补偿有可能做到与频率无关，因而在较宽频段内跟踪良好。

 

差动变量器桥式自动频率跟踪电路如图1．29所示。图中Tf为差动变量器，正反馈电压Uf，由次级绕组W3引出；初级绕组W1，W2与阻抗Z1、Z2构成电桥四臂，Z1为换能器阻抗(它由机械臂阻抗Zm和电学臂阻抗Ze并联而成)，Z2为补偿元件的阻抗。Z3用于补偿电桥的电抗。设Zm》Ze则Z1 =Ze 。显然，如满足条件W1I1=W2I2(W1W2为初级的匝数)，电桥获得平衡，Tf次级绕组反馈电压Uf=0。此平衡条件又可表为Z2／Ze=W2／W1

X2/Xe=R2/Re=W2/W1=n

即式中Re/Xe分别为Ze和Z2的实部和虚部。系数n表示差动变量器初级绕组两部分的匝数比，它等于补偿元件阻抗与换能器电学臂之比。

一般情况下，流经Zm的电流Im使电桥失去平衡，Tf次级绕组将感生出正比于换能器机械臂振荡电流Im的反馈电压Uf

Uf=Im(W1/W3)Rim

式中Rim为振荡器的输入电阻。

当系统的自激频率fo=fr(换能器的机械共振频率)时，电流Im。将达最大值。系统反馈最强， Uf反馈电压最大，满足幅度条件，且Uf与Uin同相，也满足相位条件，系统自激在换能器机械共振频率上。假如换能器的机械共振频率因某种因素减低了，则fo>fr。，负载Zm呈感性，Im的相角为负值，造成Uf滞后于Uin(原先的输入电压)，系统振荡频率降低从而达到跟踪的目的。

差动变量器桥式自动频率跟踪电路优点，在于其对换能器电抗成分的补偿与频率无关，从而保证反馈电压在很宽的频率段内只与机械振荡电流有关，跟踪可靠、失调较小．

(2)负载分压方式的反馈系统。

这种系统如图1．30所示，图中的整个电路形成闭环迥路．电路在通电的瞬间产生一个电脉冲，经功放加至换能器两端，于是换能器受激振动。其振动频率为换能器本身的固有频率，在换能器两端的振荡信号，经分压后送至可调移相器上，再送至功放。当可调移相器调至相位满足自激条件时，系统自激于换能器的固有频率上。换能器谐振频率的微小变化，电路系统均能及时跟踪使工作始终处于最佳状态。

 

图1．30 电压反馈振荡器

(3)锁相式频率自动跟踪

锁相式频率自动跟踪系统与前两种自激系统相比，电路要复杂得多，但能获得较好的频率自动跟踪性能。因此在超声塑料焊接机的发生器中获得越来越广泛的应用。

采用锁相技术进行频率自动跟踪的关键，是如何获得负载电路中电压与电流之间的相位差。压电换能器在谐振频率附近的等效电路如图1．31所示。图中虚线框内为换能器等效回路。C0为换能器静态电容。Rm为机械阻反映到电端的阻(如果忽略机械损耗，即为反映到电端的辐射阻)，Lm为动态等效质量反映到电端的值；Cm为等效力顺反映到电端的动态电容值；L。为换能器工作在谐振状态时的并联匹配电感。

 

1．31 压电换能器等效简图

该迥路的谐振频率

ω2 =1/LoCo =1/LmCm

在谐振状态时，换能器两端电压U=iRm ,

即电压与电流是同相的。当换能器失谐时，u与i不再同相，其电抗与频率特性曲线如图1．32所示。图中ωs为串联谐振频率。ωp为并联谐振频率。

 

图1．32 谐振点附近电抗与频率特性图

 

图1．33为串联谐振频率附近的相频特性。由图1．33可知，当ω<ωs时电路呈容性，i超前u，相位差为负；

图1．32 谐振点附近电抗与频率特性图

当ωs< ω<ωp时电路呈感性，u超前i，相位差为正。当ω＝ωs时，电路呈纯阻特性， i电流与U电压同相位。因此，换能器两端的电压与流过换能器的电流，他们之间的相位差正负、大小，代表激励信号的频率与振动系统固有频率之间的关系。所以，若把电压、电流相位差信号取出，作为激励振动系统谐振频率变化的控制信号，达到频率跟踪的目的。这就是锁相式频率跟踪的基本原理。

 

图l-33 串联谐频附近的相频特性

(3) 锁相式频率自动跟踪电路框图

 

锁相式频率自动跟踪系统实用电路框图如图。图中由相位比较器、电压比较器、低通滤波器、压控振荡器、激励放大器，功率放大器、电流取样及电压取样等组成。这是一个闭环系统。但由于压控振荡器本身可以单独工作。所以，本系统的开环亦能工作。开环时类似于他激式超声波发生器。这与自激式振荡器不一样。本系统利用了末级换能器上的电压和电流之间的相位差，经相位比较后，获得相位误差信号，再经低通滤波之后，去控制压控振荡器的输出信号的频率。使之保持与振动系统机械谐振频率一致。

尽管频率与相位之间有依存变换关系，但两者构成的反馈系统，从控制结果看，是不相同的。频率反馈结果，会导致使输入与输出信号之间的频率差尽可能小，而相位反馈结果使两信号之间相位差尽可能小。根据频率与相位所构成的微分——积分关系，相位反馈系统最终导致两信号频率差为零。

锁相式频率自动跟踪系统的锁相环路有专用集成电路，例如CD4046等。这里不再作详细介绍，请参考有关集成电路数据手册及锁相环原理书籍。

最后，我们总结一下。锁相式频率自动跟踪系统具有如下特点；

(1)由于锁相环是一个极好的带通滤波器，因此，不会产生系统误跟到非谐振的其它频率之

上；

(2)频率自动跟踪系统的控制信号与取样的电压、电波波形之好坏，关系并不大；

(3)输出功率相对较稳定。不会因为负载的变化而发生显著变化，

(4)由于控制系统工作在小信号状态下，所以能长时间连续地工作。