多频超声波换能器激励锁频及回波电路的设计与实现.pdf

中文摘要 摘 要 超声技术随着现代电子科技的飞速发展得到了广泛的应用，不论是超声加工， 还是超声检测和超声医疗，超声技术发挥的作用越来越大。超声波换能器自身有 一个固定的谐振频率，当换能器在谐振频率下工作时，才能保证其输出功率最大、 效率最高。超声波换能器会在生产加工或者使用过程中随着温度以及环境等变化 出现老化情况，其谐振频率会发生移动，而多频超声波换能器可兼顾检测深度和 分辨率，因此需要对多频超声波换能器谐振频率进行跟踪和锁定，确保超声波换 能器能以谐振频率工作。同时，超声成像技术是超声技术应用里面重要的组成部 分，对超声回波信号进行调制处理是研究超声成像技术的关键方法之一。 本文主要基于 Cortex-M4 架构微处理器 STM32F407ZGT6 搭建多频超声波换 能器激励锁频及回波电路，主要研究内容包括： ① 现有频率跟踪锁定技术频率跟踪锁定速度慢、精度不高、依赖于高性能处 理器、难以锁定多频换能器等缺点，本文根据超声波换能器自身工作特性，利用 超声波换能器工作在谐振频率点时电压电流相位差的关系把高频信号转换成低频 信号，设计了一种能跟踪锁定多频超声波换能器谐振频率方案。该方案通过 DDS 技术产生频率可变的正弦波信号，再经过功率放大模块进行放大，激励超声波换 能器工作在连续波模式，高阶低通滤波器将经过乘法器的混频信号的高频成分滤 除，AD 采样利用平均平滑滤波算法进行滤波处理，进一步提高采样精度，频率跟 踪锁定采用大小步长有哪些信誉好的足球投注网站方法，极大减少频率扫描范围，提高频率跟踪锁定的速 度。对多频超声波换能器谐振频率的跟踪锁定是基于 STM32F407ZGT6 微处理器 并采用 UCOSII 系统进行任务调度和切换。通过 MATLAB 进行原理分析论证， Multisim 对各个模块进行仿真，最后进行板级调试和软硬件联调，实现对超声波换 能器频率进行跟踪锁定。 ② 基于 AD9670 设计的 IQ 调制模块对回波信号进行调制。利用 STM32F407ZGT6 微处理器通过SPI 通讯协议对AD9670 进行配置，结合UCOSII 系统进行任务分配和调度，实现对超声波换能器进行频率跟踪锁定的同时实现对 回波信号的IQ 调制。 经实验验证，设计的多频超声波换能器激励锁频及回波电路能依靠普通性能 的处理器较快速、精确地实现对多频超声波换能器谐振频率进行频率跟踪锁定， 同时实现对回波信号的IQ 调制，输出噪声小、稳定的I 列信号和Q 列信号。 关键词：超声波换能器，多频，频率跟踪锁定，IQ 调制，UCOSII 系统 I 英文摘要 ABSTRACT With the fast development of modern electronic technology ultrasonic technology has been widely used. No matter ultrasonic machining or ultrasonic testing and ultrasonic medical, ultrasonic technology is playing an increasingly important role. Ultrasonic transducer has an inherent resonant frequency, the output power of ultrasonic transducer maximum and most efficient when it works on the resonant frequency. However, the resonant frequency of ultrasonic transducer will be shifted by when it is processed or by the change of environment and temperature,