基于AVR与DDS技术的超声波电源研制

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                    　　摘要：设计了一种在500kHz内频率任意可调、3.2瓦内功率任意可调、且具备工作过程频率自动跟踪的超声电源。综合应用 AVR单片机与 DDS频率合成技术，能够调节输出频率并驱动换能器的多阶工作频率；采用触发器跟踪与电流最大值等跟踪方法，实现对换能器工作频率的实时精确跟踪，满足压电换能器的稳定谐振工作的要求。此外，本超声电源具备多种波型输出、 LCD显示、键盘输入、自动扫频等多种功能，可应用于半导体芯片引线键合、医疗超声、超声金属加工等领域。
　　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。





　　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。





　　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。
　　4 结语
　　采用AVR与DDS技术开发一种新型的超声波电源。具有500kHz范围频率任意输出，且工作频率下自动跟踪功能。此外，具有多种波型输出、上位机控制、LCD显示、键盘输入、自动扫频等多种功能。实验表明，该电源输出波型稳定，频率跟踪精确，可应用于半导体芯片引线键合、医疗超声、超声金属加工等领域。
　　本文作者创新点：该电源具有多种功能，有多种频率跟踪方式，频率跟精度高，能通过上位机编程或手动按键控制。