[发明专利]超声换能器的自动频率跟踪方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及超声换能器的领域，特别涉及一种超声换能器的自动频率跟踪方法及其系统。 

背景技术

典型的超声换能器具有很高的品质因数(Q值)，具有陡峭的谐振曲线，只有工作在其谐振频率点才具有大的机械振幅和高的电机转换效率。因此，超声换能器的驱动电路应以其谐振频率信号进行激励。 

然而，实际换能器的谐振频率往往是离散的和变化的。这是因为：(1)换能器在制造过程中材料、工艺的差异；(2)换能器所匹配的负载特性的变化；(3)换能器在使用过程中自身参数随时间、温度等发生改变。所以，换能器的驱动电路应具有自动跟踪其谐振频率变化并始终保持以即时谐振频率信号进行驱动的能力。 

以往典型的自动频率跟踪方案采用锁相环电路实现，一般包括：相位比较器(模拟或数字)和压控振荡器(模拟)或数控振荡器(数字)组成。该传统方案已经从早期的全模拟电路发展为模拟、数字混合电路，如今已经有了全数字化的实现方式。参考文献有：专利权人为宣浩、专利公告号为CN2248118Y的锁相式频率跟踪超声波抛光机；和专利权人为温有奎、专利公告号为CN2160473Y的带自动频率跟踪的换能器。其中，专利CN2248118Y采用压控振荡器产生换能器的激励信号，并对换能器的电流反馈信号进行采样，与压控振荡器产生激励信号作相位比较，检测出两者的相位差，然后，通过控制电路反馈到压控振荡器以实现频率跟踪的目的。 

该方案有四个显著缺点：一是压控振荡器的压频曲线不是完全呈线性变化的，而正弦信号的频率则完全按线性关系计算的，这就导致压控振荡器输出正弦信号频率与换能器的谐振频率存在误差；二是它的相位比较器采用的是异或门，这种相位比较器对两个输入信号的占空比要求比较高，必须保证作为相位比较的电流反馈信号和压控振荡器激励信号的占空比严格相等才可实现精确的频率跟踪，而这通常很难做到；三是由于锁相环是模拟量控制的，不利于对相位差信号进行数字化处理以利于自动频率跟踪；四是当换能器个体差异比较大时，很难用同一电参数的锁相环实现个体差异较大的不同换能器的自动频率跟踪，这非常不利于大规模工业化生产。 

另外，以往对DDS(直接数字合成器，Dirrect Digital Synthesizer)的控制主要通过单片机串口实现，由于单片机串口速率比较低，用它控制DDS做自动频率跟踪存在通信瓶颈，效果很差。

发明内容

本发明的目的在于，为解决用采用锁相环电路实现自动频率跟踪方案中存在的频率跟踪的精度不高造成的换能器无法充分释放功率和相位比较器对两个输入信号的占空比要求比较高的问题，从而提供一种超声换能器的自动频率跟踪方法及其系统。 

为实现上述目的，本发明提供了一种超声换能器的自动频率跟踪方法，该方法以直接数字频率合成器作为信号源，采用扫频-跟踪策略，实现全数字化的自动频率跟踪，其步骤包括如下： 

(1)由直接数字合成器产生频率可调的正弦波信号，经功率放大器放大后，匹配网络驱动超声换能器； 

(2)取样回路从超声换能器的功率输出端取得超声换能器的一组电压和电流反馈信号，该组信号分别经滤波整形电路送到相位比较电路、经幅度调整电路送到主控单片机； 

(3)主控单片机根据换能器本身的工作频率范围控制DDS控制器的触发信号和频率字，并对DDS控制器发出连续频率扫描指令，使DDS控制器输出频率连续变化的正弦波；同时，主控单片机还实时监视换能器的取样电流反馈信号的幅值，当电流反馈信号的幅值大于换能器谐振时电流幅值的一半时，表明主控制器的频率字基本上在换能器的谐振频率点附近时，主控制器就会让DDS控制器停止扫频，对DDS控制器发出自动跟踪指令；换能器不在谐振点工作时，没有电流信号，电流幅值为零，只有换能器工作在谐振点附近才有电流反馈信号，电流幅值不为零，工作频率距离谐振点越近，电流幅值越大； 

(4)相位比较电路对经滤波整形电路处理后的电压和电流反馈信号进行相位比较，然后，把相差信号输入给相差累积电路以产生DDS芯片的频率字，DDS控制器会把该频率字按固定时序传给DDS芯片以自动改变其输出信号的频率，从而，使得超声换能器始终工作在谐振点附近，实现自动频率跟踪。 

作为上述方法的一种改进，所述相位比较电路，利用触发器对上升沿信号的敏感特性给出I_ph和V_ph两个输入信号的上升沿信号到来的时间差，并由Dirrect引脚给出I_ph和V_ph两个输入信号的上升沿到来的先后顺序，如图5所示。