4046锁相环功率超声电源的频率跟踪电路.doc

第 30卷第 2期 苏 　州 　大 　学 　学 　报 (工 　科 　版 ) Vol130 No. 2 2010年 4月 JOURNAL OF SUZHOU UN IVERSITY( ENGINEER ING SC IENCE ED ITION) Apr. 2010 文章编号 : 1673 - 047X (2010) - 02 - 0067 - 04 功率超声电源的频率跟踪电路 马 　立 ,李 　艺 ,李祖胜 (苏州大学机电工程学院 ,江苏 苏州 215021) 摘 　要 : 功率超声技术广泛使用在许多领域。由于其核心器件换能器的谐振频率在长时间工作情 况下会漂移 ,就需要超声电源能够跟踪谐振频率的变化。提出一种基于锁相环的频率跟踪技术 ,设 计了频率跟踪电路 ,详细说明电路参数的计算 ,利用仿真验证了设计的可行性 ,为实现频率跟踪提供 了依据。 关键词 : 超声电源 ;频率跟踪 ;锁相环 ; CD4046 中图分类号 : TP29　　　　文献标识码 : A 0　引 　言 功率超声电源广泛使用在超声电机、超声清洗、超声焊接、超声加工等许多领域 ,它是各种超声设备驱动 换能器的关键器件。它产生超声频率的电压波形驱动压电换能器 ,换能器再将电能转换为同频率的机械振 动 ,产生超声波。换能器有其谐振频率 ,当工作在谐振频率下 ,换能器有着最大的功率输出和振幅。由于超声 压电换能器的机械品质因数较小 ,而处于高频振动中的弹性体本身也会发热 ,因此压电换能器的介电系数、等 效电容及漏电阻都会随温度的升高发生变化 ,这将导致谐振频率有 ± 1kHz的变化 ,振幅成指数下降 [ 1 ] 。为了 稳定地驱动换能器 ,有必要根据温度的变化自动跟踪换能器谐振频率的变化。针对在工作中换能器的谐振频 率漂移问题 ,本文提出一种基于锁相环技术的频率跟踪方法 ,利用锁相环芯片 CD4046实现了谐振频率的自 动跟踪 ,解决了这个问题 ,保证了换能器的输出效率。 1　换能器 任何一压电式超声换能器 ,在其谐振频率附近均可等效成图 1 (a)的电学模型。其中 C0 为静态电容 ,它是在远低于谐振频率的频 率上测出的换能器电容 ,是一个真实的电学量。C1 、L1 、R1 为动态电 容、动态电感和动态电阻 ,它们不是真正的电学量 ,而是从换能器的 质量、机械特性和损耗等分别折算过来的等效参数 , 一般常测到的 C1 、L1 、R1 值是其在谐振频率上的值。C0 所在的支路称为静态支路 , C1 、L1 、R1 所在的支路则称为动态支路 [2 ] 。 换能器在其谐振频率附近工作时 , 即 ω = 1 L1 C1 ,动态支路等 　　　( a) 　　( b) 　　　　　( c) 图 1　压电式换能器等效电路 效成电阻为 R1 ,换能器进一步等效如图 1 (b)所示。 工作在谐振频率时 ,由于 C0 的影响 ,整个换能器呈容性 ,需要有电感与换能器匹配才可以谐振 ,从而提高功率 因数。最简单有效地匹配电感与换能器的匹配电路如图 1(c)所示。依参考文献 [2]的结论 ,匹配电感可以计算得 收稿日期 : 2009 - 10 - 20 作者简介 : 马 　立 (1985 - ) ,男 ,硕士研究生 ,主要研究方向为电力电子变换。  　 68 L = 2 1 C0 R 2 C2 2 1 +ω 0 R 1 (1) 由于处于高频振动中的弹性体本身也会发热 ,因此压电换能器的介电系数、等效电容及漏电阻都会随温 度的升高发生变化 ,这将导致谐振频率漂移 ,功率因数降低。为了稳定地驱动换能器 ,保证驱动电路始终处于 谐振状态 ,有必要自动跟踪换能器谐振频率的变化。 2　锁相环原理和电路参数 锁相法是实现频率自动跟踪最理想的方法之一。锁相环 ( PLL) 法的原理就是检测出两组输入信号相位 差的大小和符号 ,用此偏差信号去调节振荡器的频率 ,使相位差减小 ,直至相位差被锁定在零上。它主要由 3 个基本单元构成 :相位比较器 (又称鉴相器 ) PD、压控振荡器 VCO 和外接的 RC无源低通滤波器 LPF[ 3 ] 。 由于锁相环是一个相位反馈系统 ,在环路中流通的 是相位 ,而不是电压 ,因此研究锁相环的相位模型就可得 环路的完整性能。图 2为锁相环的相位模型。 图 2　锁相环的结构图 由图 2可得锁相环的相位传递函数为 H (S ) = Kd · Ko · F (S) S + Kd · Ko · F (S) (2) 式中 , Kd 为鉴相器的鉴相增益 ,也是鉴相器的传递函数; Ko 为压控振荡器的灵敏度 , Ko /S 为 VCO 的传递函 数; F (S)为低通滤波器的传递函数。 1　锁相环 CD4046 CD4046是通用的 CMOS锁相环集成电路 ,