CN101468347B - 超声换能器的自动频率跟踪方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声换能器自动频率跟踪方法及其系统，以直接数字频率合成器作为信号源，直接数字合成器可以是独立的集成芯片，也可以把DDS的数字部分集成与现场可编程逻辑器件FPGA内然后外加数模转换器实现，该设计采用扫频—跟踪策略，由可编程器件实现的自动频率控制器根据取样自换能器端的反馈信号来控制DDS的输出频率，实现全数字化的自动频率跟踪，可使得超声换能器始终工作在其谐振点附近从而获得最佳效率。所述相位比较器，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。
Description
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。
作为上述方法的又一种改进，所述的DDS控制器的输入信号为1位触发启动信号，32位的频率字信号，和16位的控制字信号，串口通信的内容主要是分三次发送，第一个16位发送DDS的控制字，第二个16位和第三个16位发送DDS的频率字，把48位频率字载入DDS以自动改变其输出频率；所述的DDS控制器的输出信号采高速的三线式串口通信，其串口由数据线、时钟线和同步线组成，空闲时，数据线、同步线、时钟线均为高电平；通信时，同步线置低电平，有效数据与时钟线的时钟下降沿对齐，发送16位数据后同步线、数据线和时钟线都置高电平。
作为上述方法的再一种改进，所述串口通信的启动方式为下降沿触发但不可重触发，当系统空闲时，DDS控制器的触发输入端每遇到脉冲的下降沿就启动串口通信，直到串口通信完成后系统空闲时，再遇到脉冲下降沿才会再次重新启动串口通信，而在串口通信期间遇到脉冲下降沿时不会重新启动串口通信。
作为上述方法的还一种改进，所述的相位比较电路输出的相差信号，用于控制DDS控制器的触发启动信号，误差积分器(即图3所示的相差累积模块)输出控制DDS控制器的频率字信号。
本发明还提供了一种超声换能器的自动频率跟踪系统，其特征在于，该系统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，其包括：
一直接数字合成器，用于产生频率可调的正弦波信号，并经功率放大器放大后，以匹配网络驱动超声换能器；
一取样回路，用于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；
一主控单片机，主控单片机根据预定的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，所述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的电流幅值的一半时，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，发出自动跟踪指令；
一相位比较电路，用于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，并把相差信号输入给相差累积电路以产生DDS芯片的频率字，由DDS控制器把该频率字传给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。
作为上述系统的一种改进，所述直接数字合成器是独立的集成芯片；或者把DDS的数字部分集成于现场可编程逻辑器件FPGA内然后外加数模转换器实现。其中，DDS控制器的目的主要是可以很高的通信速率改变DDS输出的信号频率，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。
作为上述系统的又一种改进，所述相位比较电路采大规模可编程器件设计；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。
本发明的一种超声换能器自动频率跟踪方法及其系统，采用DDS和大规模可编程器件，其特征是超声换能器的激励信号由直接数字合成器产生；直接数字合成器可以是独立的集成芯片，也可以把DDS的数字部分集成与现场可编程逻辑器件FPGA内然后外加数模转换器实现。以大规模可编程器件设计专用相位比较器，该相位比较器只对信号的前沿敏感，而与信号的占空比无关，当给相位比较器输入两个频率相同但前沿有延时的信号后，该相位比较器会产生输出信号指示相应的相位差及其方向。
本发明采用先搜索后跟踪的自动频率跟踪的策略，先扫描搜索而后自动跟踪。在换能器每次启动激励之前，主控制器通过DDS控制器指令DDS在预定范围内进行扫频，同时实时监视换能器电流反馈的幅值，搜索谐振点。在搜索到谐振点附近时，停止频率搜索并转入自动跟踪状态，这时由DDS控制器根据相位比较器的输出结果自动调整DDS输出信号的频率以实现自动动态跟踪。
和现有技术相比，本发明的用于驱动超声换能器的新颖的全数字化自动频率跟踪方法及其系统有如下特点：
1.采用DDS和大规模可编程器件的自动频率跟踪系统设计。
(1)本发明中换能器的激励信号由直接数字合成器产生，不同于以往设计中采用传统的锁相环和压控振荡器的方案；本发明中直接数字合成器(DDS)可以是独立的芯片，也可以把DDS的数字部分集成在现场可编程逻辑器件FPGA内，然后外加数模转换器构成功能上的直接数字合成器(DDS)。这种实现方式可以参考图4。
(2)以大规模可编程器件设计专用相位比较器，并对相位差信号作数字化处理。 相位比较器特征在于只对信号的前沿敏感，而与信号的占空比无关，当给相位比较器输入两个频率相同但前沿有延时的信号后，该相位比较器会产生输出信号指示相应的相位差及其方向。
(3)以大规模可编程器件设计专用高速DDS控制器，该控制器随时根据相位比较器的输出结果控制DDS的输出频率从而实现换能器谐振点的实时自动跟踪。
2.先搜索后跟踪的自动频率跟踪系统设计。
由于制造工艺的差异和各种内、外部因素的影响，换能器的起始谐振点具有一定的离散性。为了保证启动过程中的可靠、快速跟踪，本系统设计采用先扫描搜索而后自动跟踪的策略。
(1)在换能器每次启动激励之前，主控制器通过DDS控制器指令DDS在预定范围内进行扫频，同时实时监视换能器电流反馈的幅值，搜索谐振点；
(2)在搜索到谐振点附近时，停止频率搜索并转入自动跟踪状态，这时由DDS控制器根据相位比较器的输出结果自动调整DDS输出信号的频率从而实现自动动态跟踪。
本发明的优点在于：
(1)全数字化、高集成度自动频率跟踪方案
直接数字频率合成器作为信号源，取代了通常模拟压控振荡器，实现了数字控制，工作稳定可靠；
大规模可编程器件设计实现的专门相位比较器和DDS控制器，高度集成化，工作速度快，稳定可靠。
(2)系统控制精度高、跟踪速度快
该系统的频率分辨率和控制精度取决于DDS的分辨率和所采用的可编程器件的动态特性。对于选定器件的系统，其分辨率可根据需要编程调整改变；
该系统的跟踪反应速度取决于系统工作时钟，其上限取决于DDS和可编程器件的最高工作速度(时钟)；
(3)适应性好、跟踪可靠
由于采用扫频—跟踪策略，可适应换能器及其负载等条件差异较大的情况，且一旦发现跟踪失误时可自动恢复。
总之，本发明的全数字化的自动频率跟踪解决方案，其输出频率与频率字严格呈线性变化关系，跟踪精度完全可根据实际需要设定，并设计了专用的高速DDS控制器和全新的相位比较器。以往对DDS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，而我 们设计的高速DDS控制器的串口通信速率最高可达40M，完全彻底地解决了通信瓶颈问题，足以满足自动频率跟踪的要求。另外，我们设计的全新相位比较器只对两个输入信号的上升沿敏感而与占空比无关。此外我们还对相位比较器输出的相位差信号做了数字化处理，这就从根本上大大提高了频率跟踪的精度，从而使换能器的电机转换效率大大提高。另外通过先搜索后跟踪的处理策略使得个体差异较大的不同换能器可以用同一电参数的控制电路实现自动频率跟踪，这非常有利于大规模工业化生产。
附图说明
图1是本发明的基于CPLD器件的解决方案。
图2是本发明的DDS控制器流程图。
图3是本发明的相差累积模块示意图。
图4是本发明的基于FPGA器件的解决方案。
图5是本发明的相位比较器的逻辑图。
具体实施方式
本发明的设计基于超声换能器的激励电压和电流在其谐振频率点具有相同相位的原理，采用当代最先进的直接数字合成(DDS)和大规模可编程器件，实现了一种新颖的全数字化自动频率跟踪方案。
具体的全数字化特性主要表现在：
①作为换能器激励源的DDS采用全数字的串行通信方式控制。
相位比较器给出的相差信号作数字化运算处理后反馈给了DDS以实现频率跟踪，如图3所示。
本发明的核心技术主要是DDS控制器F和只对信号边沿敏感的相位比较器E的设计。DDS控制器F的程序流程图，如图2所示。
本发明的总体框图，如图1所示，具体工作过程如下：
(1)直接数字合成器(DDS)A产生某一频率的正弦波信号，功率放大器B将其放大后经匹配网络驱动超声换能器I；
(2)取样回路C从功率输出端取得换能器I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D送到相位比较电路E和经幅度调整电路H送到主控单片机G；
(3)主控单片机G对DDS控制器F发出连续频率扫描指令，令DDSA在预定的 频率范围内输出不同频率的正弦波进行扫描，同时主控单片机G对取样电流反馈信号进行监视，直到搜索接近到换能器的谐振频率点；
(4)当搜索频率接近到换能器的谐振点后，停止搜索，主控单片机G向DDS控制器F发出自动跟踪指令，DDS控制器F从该频率点开始自动跟踪换能器的谐振频率；
(5)相位比较电路E对来自换能器I并经滤波整形电路D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L以产生DDS的频率字，DDS控制器F会把频率字以40M的速率传给DDS芯片A以改变直其输出信号的频率，从而使得超声换能器I始终工作在谐振点附近。
如图4所示，本发明的一种变形形式，即采用FPGA器件实现自动频率跟踪。它与前面所述方法的主要区别如下：
(1)DDS的数字部分集成在FPGA芯片内，而模拟部分通过一个外加的数模转换器实现。
(2)DDS控制逻辑F和前面所说的DDS控制器也是有区别的，这里的DDS控制逻辑主要由编程者设计的DDS控制接口决定。
Claims (8)
1.一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：
(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)主控单片机根据预定的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芯片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的电流幅值的一半时，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；
(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。
2.根据权利要求1所述的超声换能器的自动频率跟踪方法，其特征在于：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。
3.根据权利要求1或2所述的超声换能器的自动频率跟踪方法，其特征在于：
所述的DDS控制器的输入信号为1位触发启动信号，32位的频率字信号，和16位的控制字信号，串口通信的内容主要是分三次发送，第一个16位发送DDS的控制字，第二个16位和第三个16位发送DDS的频率字，把48位频率字载入DDS以自动改变其输出频率；
所述的DDS控制器的输出信号采高速的三线式串口通信，其串口由数据线、时钟线和同步线组成，空闲时，数据线、同步线、时钟线均为高电平；通信时，同步线置低电平，有效数据与时钟线的时钟下降沿对齐，发送16位数据后同步线、数据线和时钟线都置高电平。
4.根据权利要求1或2所述的超声换能器的自动频率跟踪方法，其特征在于：所述串口通信的启动方式为下降沿触发但不可重触发，当系统空闲时，DDS控制器的触发输入端每遇到脉冲的下降沿就启动串口通信，直到串口通信完成后系统空闲时，再遇到脉冲下降沿才会再次重新启动串口通信，而在串口通信期间遇到脉冲下降沿时不会重新启动串口通信。
5.根据权利要求1或2所述的超声换能器的自动频率跟踪方法，其特征在于：所述的相位比较电路输出的相差信号，用于控制DDS控制器的触发启动信号，所述的相位比较电路的误差积分器用于输出控制DDS控制器的频率字信号。
6.一种超声换能器的自动频率跟踪系统，其特征在于，该系统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，其包括：
一直接数字合成器，用于产生频率可调的正弦波信号，并经功率放大器放大后，以匹配网络驱动超声换能器；
一取样回路，用于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；
一主控单片机，主控单片机根据预定的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，所述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的电流幅值的一半时，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，发出自动跟踪指令；
一相位比较电路，用于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，并把相差信号输入给相差累积电路以产生DDS芯片的频率字，由DDS控制器把该频率字传给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。
7.根据权利要求6所述的超声换能器的自动频率跟踪系统，其特征在于，所述直接数字合成器是独立的集成芯片；或者把DDS的数字部分集成于现场可编程逻辑器件FPGA内然后外加数模转换器实现。
8.根据权利要求6所述的超声换能器的自动频率跟踪系统，其特征在于，所述相位比较电路采用大规模可编程器件设计；该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。
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