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、篩子的機械結(jié)構(gòu)以及耦合程度。實際應(yīng)用中，只有在共振頻率附近工作時，換能器才能獲得最大的機電轉(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)某個參數(shù)發(fā)生變化時，換能器的諧振頻率會隨之發(fā)生變化。如果超聲驅(qū)動信號的頻率固定，則換能器容易工作在失諧狀態(tài)。此時，換能器輸出的超聲振動幅度會大大降低，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

掃頻式超聲篩分系統(tǒng)信號源電路設(shè)計原理，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，單片機在一定頻率范圍內(nèi)對換能器掃描，負(fù)載電流達到極致時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)生掃頻超聲波信號驅(qū)動功率放大電路工作。

1.1 掃頻電壓發(fā)生器

為了提高信號源輸出精度，掃頻電壓發(fā)生器電路由STC15F2k63S2 單片機、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IO 連接［9-10］，VREF 引腳接1/2 電源電壓，單片機控制通道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，單片機輸入的數(shù)據(jù)從0～65 525 范圍內(nèi)變化時，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，VOUT輸出周期為T 的方波信號。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，其波形仿真圖如圖3 所示。

當(dāng)電容C1充電時，充電電壓由DAC8562 提供；當(dāng)電容充到Vmax時，開始放電，同時通過單片機輸入數(shù)字信號控制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，通過單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出高電平對電容進行充電。如此反復(fù)，電容電壓為一個掃頻電壓經(jīng)過R2輸出。設(shè)A 點電壓為Va，那么VO開路時，Va=VO，有：

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

1.2 精密壓控信號源

精密壓控信號源精密壓控信號源由LM131 組成，其外部電路如圖4 所示。

在電容Ct充電時，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 中心頻率自動鎖頻和自動修正方法

在篩分生產(chǎn)過程中，超聲篩分系統(tǒng)信號源輸出頻率應(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，掃頻式信號源的中心頻率應(yīng)該及時進行修正。根據(jù)換能器特性，當(dāng)驅(qū)動的功率信號與換能器諧振頻率一致時，換能器諧振，此時換能器負(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，同時利用單片機內(nèi)部定時器監(jiān)測換能器電流變化。當(dāng)判斷換能器的電流達到極值時，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，掃描鎖定分為開機和正常工作兩種狀態(tài)。正常工作期間，每隔一段時間進行1 次，用來確定與換能器諧振頻率相一致的中心頻率。自動修正方式在篩分生產(chǎn)過程中實時進行。在此工作方式下，單片機實時監(jiān)測信號源頻率，并與中心頻率比較，同時調(diào)整掃頻電壓發(fā)生器，使壓控振蕩器輸出的信號頻率始終與中心頻率一致。它的工作方式程序設(shè)計流程如圖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)換為單片機可識別的模擬信號，通過AD轉(zhuǎn)換后，利用極值判斷法實現(xiàn)頻率鎖定。系統(tǒng)自動對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)生一個頻帶寬度為W的信號f對換能器負(fù)載掃描，f覆蓋現(xiàn)有篩分換能器諧振頻率。設(shè)掃頻信號源初始頻率為f0，步進頻率Δf，在W內(nèi)超聲波電源驅(qū)動篩分換能器。頻率掃描過程中，有：

式中，n為帶寬W內(nèi)頻點數(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，確定i，則fi=f0+iΔf即為換能器諧振點f01，掃描結(jié)束。篩分換能器在恒流源供電狀態(tài)下，驅(qū)動電路端電壓與頻率對應(yīng)關(guān)系如圖7 所示。

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

3 應(yīng)用測試

應(yīng)用中信號源要求掃頻輸出為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，掃頻電壓發(fā)生器輸出電壓范圍在2.2～3.3 V。當(dāng)時間為5 ms 時，可求出Vi。根據(jù)電路設(shè)計需要，為了得到中心電壓為2.7 V±0.5 V 的100 Hz 三角波信號，單片機需要每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)開機或更換換能器時進行，選擇不同掃頻范圍W、掃頻速度vf和步進頻率Δf對自動鎖頻時間和鎖頻精度影響較大。不同W、vf、Δf對應(yīng)的鎖頻時間和鎖頻精度，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際應(yīng)用頻率，頻率鎖定操作中為了縮短鎖定時間，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，頻率修正不是隨時發(fā)生。實際應(yīng)用中，當(dāng)換能器諧振頻率發(fā)生較大溫漂進行自動頻率修正時，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間為2 h 自修正1 次。經(jīng)應(yīng)用測試，在自動鎖定和自動修正后，信號源中心頻率與換能器諧振頻率誤差在30 Hz 以內(nèi)，達到了實際應(yīng)用要求。實測數(shù)據(jù)見表2。

表1 鎖頻時間與精度

表2 掃頻式信號源中心頻率與換能器實際誤差

4 結(jié)語

掃頻信號源采用D-A 轉(zhuǎn)換電路、精密壓控振蕩電路以及單片機內(nèi)部A-D 電路，利用換能器諧振頻率自鎖定方法，使得信號源中心頻率跟蹤精度高、鎖定時間短，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。