李維　洪喜　盧佳　郭堯

摘 要超聲波發(fā)生器的發(fā)展關(guān)系到超聲技術(shù)的水平，鎖相控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)生器性能突破的瓶頸和關(guān)鍵技術(shù)。本文在介紹超聲波發(fā)生器的發(fā)展和控制方案的基礎(chǔ)上，對鎖相控制方案做了詳細(xì)探討，針對控制電路等關(guān)鍵技術(shù)做了具體分析。

【關(guān)鍵詞】超聲技術(shù) 超聲波發(fā)生器 鎖相控制

超聲波發(fā)生器的作用是驅(qū)動換能，為了要保證系統(tǒng)芯片輸入/輸出端口的鍵合，必須要保證鍵合設(shè)備的以諧振的狀態(tài)進(jìn)行工作。在此過程中，決定鍵合系統(tǒng)工作的性能的關(guān)鍵是鎖相控制技術(shù)，因而鎖相控制技術(shù)的研究對于超聲波發(fā)生器的發(fā)展有著極其重要的意義。

1 超聲波發(fā)生器的發(fā)展及控制方案

1.1 超聲波發(fā)生器的發(fā)展

超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)生產(chǎn)是為了提供超聲能量，供能的對象是超聲波換能器，目的是為了讓其產(chǎn)生諧振頻率。超聲波發(fā)生器主要分類兩類：一類是自激式超聲波發(fā)生器，另一類是他激式超聲波發(fā)生器。前者整體包括換能部分，功率放大部分，輸出變壓部分和信號發(fā)生部分，所有的部分組成一個封閉的整體，作用于發(fā)生器，使其產(chǎn)生足夠的動力，保證換能器可以產(chǎn)生諧振頻率；而后者整體包括前后兩級，功能分別是產(chǎn)生信號和放大功率，然后經(jīng)過變壓器的作用，為換能器提供產(chǎn)生諧振頻率的能量。

超聲波發(fā)生器的技術(shù)更迭發(fā)展與電子元件的發(fā)展密不可分，跟隨電子元件的類型特性的變化而進(jìn)步。總的來說，超聲波發(fā)生器的發(fā)展階段主要有三個：第一個是電子管階段，這一階段的超聲波發(fā)生器是最初級的，存在很多缺點(diǎn)，目前已被淘汰；第二個階段是晶體管階段，這種超聲波發(fā)生器相較于電子管較成熟，而且成本不高，但是本身體積龐大，性能不理想；第三個階段是功率模塊階段，主要通過MOS和GBT這兩種開關(guān)器件來控制輸出功率，方便易用，體積不大，重量小，性能好。

1.2 控制方案

超聲波發(fā)生器的能量轉(zhuǎn)換是通過超聲換能器來實(shí)現(xiàn)的，要保證超聲設(shè)備的諧振目標(biāo)，這就要求超聲波發(fā)生器所發(fā)出的信號頻率跟蹤換能器的諧振頻率。目前研究中主要有幾種常用的跟蹤控制方案： 第一種方案是通過聲音跟蹤，獲得諧振頻率的信號發(fā)送給振蕩器；第二種是電跟蹤，該種跟蹤方式是基于電子元件和控制的基礎(chǔ)理論，其中最具代表性的也是最關(guān)鍵的技術(shù)是鎖相式控制跟蹤，這種跟蹤方式的性能相對較優(yōu)。

2 鎖相控制技術(shù)

2.1 基本原理

鎖相控制方式的基本原理其實(shí)就是通過同步鎖定兩個周期信號的相位，來準(zhǔn)確的控制頻率，本質(zhì)上是控制相位的系統(tǒng)，叫做鎖相環(huán)。其主要有以下特點(diǎn)：一方面是誤差較小，通過窄帶寬的性質(zhì)過濾不相干信號，減少干擾和誤差；另一方面穩(wěn)定性較好，這指的是輸出的功率，當(dāng)負(fù)載變化時，其變化相對穩(wěn)定。

圖1所示的是鎖相控制的原理圖，采樣的電壓和電流首先要經(jīng)過波形轉(zhuǎn)換，輸入PC鑒相器，PC鑒相器對其進(jìn)行處理計(jì)算，向LF低通過濾器輸入相位誤差信號，在此信號中的高頻成分被過濾掉，產(chǎn)生的是控制電壓，該控制電壓與VCO壓控振蕩器的震蕩頻率有關(guān)，為了控制電流和電壓的同相位狀態(tài)。當(dāng)震蕩頻率與諧振頻率不相同時，就需要控制電壓來拉平，達(dá)到同相位的目的。

2.2 控制電路

鎖相跟蹤控制電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可以通過窄帶寬的性質(zhì)過濾不相干信號，減少其他外界環(huán)境因素的干擾，降低誤差產(chǎn)生的幾率。具體包括以下幾方面的工作：

2.2.1 自激信號的產(chǎn)生

自激信號通過傳感器采集輸入電流，經(jīng)過過濾轉(zhuǎn)換成電壓。通過整流，產(chǎn)生自激信號用來反映電流相位。主要用到的是二極管，將其進(jìn)行反并聯(lián)，再并聯(lián)電流樣本的電容電阻，這種做法不僅可以降低比較器兩端的電壓差值，對保護(hù)器是一種保護(hù)措施；還可以在剛啟動的時得到較強(qiáng)的電流信號，從而使得靈敏度提高。候反饋電流由電流互感器采樣后輸入，濾波后由功率電阻轉(zhuǎn)化

2.2.2 他激信號的產(chǎn)生

圖2展示的是他激信號EXT的產(chǎn)生原理圖，他激信號是一個方波的信號，主要通過壓控振蕩器從VCOUT輸出。它的頻率在一定的區(qū)間內(nèi)，輸出的頻率主要通過改變電位器的輸入壓來實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 控制信號的產(chǎn)生

該信號的產(chǎn)生來源于與自激信號相同的信號源，只不過它要經(jīng)過不同的轉(zhuǎn)換過程，即交流電首先要轉(zhuǎn)換成直流電，這一步要通過單相半波整流電路的作用；然后通過特定的操作轉(zhuǎn)變成正電平，該操作是整形濾波；最后通過與參考電壓進(jìn)行比較，得到最終的控制信號。

2.2.4 電子開關(guān)

鎖相控制電路中，選用的與非門電子開關(guān)，與非門總共有四個，將3.2.1、3.2.2、3.2.3所產(chǎn)生的信號作為輸入信號，最終輸出的信號遵循公式1的邏輯關(guān)系：

（1）

2.2.5 頻率跟蹤電路

為了保證輸入信號的相位等于輸出信號的相位，鎖相控制頻率跟蹤電路中所使用的是PCII鑒相器，該鑒相器有兩個輸入信號一個輸出信號，當(dāng)輸入信號1與輸入信號2同步時候，結(jié)果所輸出的信號為高阻；當(dāng)輸入信號1要比輸入信號2提前時候，結(jié)果所輸出的信號為高電平；當(dāng)輸入信號2比輸入信號1提前時候結(jié)果所輸出的信號為低電平。

3 結(jié)語

超聲技術(shù)快速發(fā)展，超聲波發(fā)生器對于其發(fā)展起到非常重要的作用，而鎖相控制方式又是關(guān)系到超聲波發(fā)生器性能的重點(diǎn)。因此，提出良好的控制方案，關(guān)注鎖相控制的關(guān)鍵技術(shù)，勢必會提升超聲波發(fā)生器的頻率追蹤控制性能，促進(jìn)超聲波發(fā)生器的進(jìn)一步發(fā)展。

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作者單位

長春光華微電子設(shè)備工程中心有限公司 吉林省長春市 130000