CN102694485A

CN102694485A - 宽频段数字集成化超声波通用电源模块

Info

Publication number: CN102694485A
Application number: CN2011100686027A
Authority: CN
Inventors: 刘伟志
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明涉及一种宽频段超声波电源模块，其特征表现为采用表面贴片式高保真数字音响集成电路技术，其结构设计成将全部超声波电路置于既担当散热器又起屏蔽作用的金属盒中的通用型电源模块。通过改变可预置的内部电路参数的设置和输入、输出接口电路与外部的连接方式实现对很宽的频率范围(15KHz～60KHz)的覆盖和兼顾不同的阻抗匹配。达到同一台超声波电源兼顾匹配不同种类的、不同工作频率的压电式超声波换能器的目地。独立的超声波电源模块通过电路接口与换能器和控制面板连接，便于拆卸和安装。配上标准的控制面板可以单独使用，将超声波电源模块安放在用户的设备或流水线上使用也很方便，做到一机多能。

Description

宽频段数字集成化超声波通用电源模块

技术领域：

本发明涉及一种超声波电源，尤其是一种能够通过调整电源模块内部电路参数的预置和与外部连接的接口电路达到兼顾匹配不同频率(15KHz～60KHz)、不同种类压电式换能器的数字集成化超声波通用型电源模块。

背景技术：

当今世界，人们的生产、生活中越来越离不开超声波的应用。从老百姓日常生活中常用到的家用加湿器(超声波雾化)、家用洗碗机、洗衣机(超声波清洗)，到工业上用到的超声焊接、超声钻孔、超声抛光、超声车削、超声压光等等，再到医疗器械上用到的超声碎石、超声手术刀、超声溶栓等等，五花八门、各式各样。超声波的应用几乎到了无处不在的地步。

自上个世现50年代，超声波技术才逐步成熟，开始在人们的日常生产、生活中得到实际应用。以此同时，伴随着电子科学、材料科学的飞速发展，超声波发生器也经历了从电子管电路发展到晶体管电路再到模拟集成电路直到现在的数字集成电路形式这样一系列电路形式的发展、演变过程。现如今除了电子管电路形式的超声波电源几乎被淘汰，其他不同电路形式的超声波电源还都在使用。总之，超声波电源系统更加完善、性能更加稳定。

理想的的超声波电源应该具备频率自动跟踪能力、电路谐波失真小、电源转换效率高、适应范围广、性能稳定、可靠等特性。Hi-Fi音响功放集成电路因其独特的高保真度，高稳定性，系统的总谐波失真只有万分之几的特性，更是制做超声波电源的理想电路。大家都知道，所谓音频范围是指20Hz～20KHz频率区间段。我们通常加工用到的超声波频率范围而是在20KHz～50KHz频率区间段，高于音频范围。但这不要紧，因为性能优异的高保真音响功放集成电路截止频率都高达50KHz以上，完全涵盖了功率超声应用所涉及的频率范围。而且音响集成电路内部本身就内置了自动增益控制电路(AGC)、自动频率控制电路(AFC)、负载过载保护电路、短路保护电路、温度过热保护电路等等。用它制作超声波电源，可以起到事半功倍的作用。

本人从上世纪1990年开始，在北京市电加工研究所工作期间，着手研究将高保真模拟音响集成电路技术引用到超声波电源中获得成功。先后开发出了BDC-50型、BDDC-150型、BDDC-300型等系列超声波整形抛光机和BDCX系列超声波立式清洗机，用于金刚石拉丝模具的整形、抛光。取代了老式的超声波加工设备，开创了第四代制造拉丝模具设备(注：第一代为古老的机械研磨方式的抛光机；第二代为电子管式超声波电源+磁致伸缩式超声换能器的超声抛光机；第三代为半导体分立元件式超声波电源+压电式换能器的超声抛光机；第四代为模拟集成电路超声波电源+压电式换能器的超声抛光机)和加工技术的新时代。其中BDC-50型超声波加工机攻克了超声波柔性抛光技术的难题。打破了当时所谓的压电式超声波机不能加工天然金刚石和人造单晶金刚石拉丝模具的传统束缚。要知道在1990年以前加工天然金刚石和人造单晶金刚石拉丝模具这类易碎、易裂材料，大家公认的方法只能用磁致伸缩式换能器的超声波修模机(第二代抛光机)，或者干脆采用古老的机械研磨的方式(第一代抛光机)来完成的。采用第四代制造金刚石拉丝模具设备加工出的拉丝模具孔型得到了很大的改善，尺寸精度达到了亚微米级，表面粗糙度超过镜面水平。1995年获得了国家实用新型专利(专利号：ZL 93205879.5)。1997年《柔性超声抛光技术和设备的研制和应用》作为《大颗粒人造单晶金刚石特种加工技术》的重要组成部分之一获得北京市科学进步一等奖。2002年6月份《机械与金属》杂志发表了《第四代制造金刚石拉丝模具设备》这篇文章。直到今日，采用高保真模拟音响集成电路技术的超声波抛光机和清洗机还广泛应用在电线、电缆行业以及不锈钢丝、电焊条等行业拉丝模具的制造和维修。取得了很好的经济效益。

尽管超声波电路形式五花八门、各式各样，但不管是分立元件电路形式的超声波电源还是集成电路形式的超声波电源，受传统的设计理念束缚，超声波电源和换能器之间的匹配都是一对一的。换句话说他们之间的关系是一把钥匙配一把锁的关系，设计之初就缺乏通用性和互换性的考虑。同一台电源别说匹配不同频率之间、不同种类的超声换能器，就是同一种超声换能器有时由于不同批次之间的差异过大，更换超声换能器都会影响机器的正常工作。另一方面，超声波设备出厂后，用户是不能对其做任何改动的，这样对使用者来说有局限性。随着超声波技术的应用领域越来越广，用户的需求也是五花八门，并且这种需求有时是在不断变化之中的。有时用户的需求可以通过超声波电源生产厂家标准配置的控制面板来实现，但有时候用户的需求靠厂家基本配置的控制面板无法满足工作需要，而是用户要求根据自己的需要改变操作、控制和连接才能适应所做的工作。

发明内容：

本发明提出了一种全新的超声波发生器设计理念，既提供这样一种可通过调整内部电路参数和与外部连接的接口电路的设置实现很宽的频率覆盖范围(15KHz～60KHz)和兼顾匹配不同种类的、不同工作频率的压电式波换能器，使其正常工作的宽频段数字集成化超声波通用电源模块。独立的超声波电源模块通过电路接口与换能器和控制面板连接，便于拆卸和安装。配上标准的控制面板可以单独使用，将超声波电源模块安放在用户的设备或流水线上使用也很方便。可最大限度地满足各个领域超声波技术应用的需要，做到一机多能。

前面提到采用高保真模拟音响集成电路技术的超声波抛光机和超声清洗机广泛应用于电线电缆行业拉丝模具的制造和维修，取得了很好的经济效益。但是随着电子技术的发展，原来的双声道立体声音响变成了现在的杜比5.1声道或者DTS6.1声道音响。由于声道数量增加了，每一声道的功率输出就减小了。实际上现在已经很难找到输出功率能够达到200W的模拟音响功放集成电路了，这就限制了这类超声波发生器的输出功率。另一方面随着时代的发展、科学的进步，当今世界早已从模拟电路时代进入到了数字电路时代。高保真数字音响早已普及到我们每一个人的日常生活当中。由于有前面模拟音响集成电路在超声波电源中成功应用的经验，将高保真数字音响集成电路技术应用到超声波电源中无疑是一个明智的选择。定能取得理想的效果。

现在的高保真数字音响集成电路已由传统的通孔元器件电路焊接形式发展到了表面贴片型元器件(SMD/SMC)组装的电路形式。众所周知，目前绝大部分的超声波电源电路不管是采用分立元件形式的还是集成电路形式的都是通过管脚引线焊接在线路板上的。这种传统的通孔元器件电路焊接形式由于管脚引线的存在，不可避免地会产生寄生电容和电感，影响了电路的高频特性，同时也降低了电路抗电磁干扰和射频干扰的能力。元器件的安装密度低，不利于电源体积的小型化。所以研制一种采用表面贴片型元器件(SMD/SMC)电路形式的数字音响集成电路技术并且具有宽频段(15KHz～60KHz)通用型超声波电源模块。取代现有的超声波电路具有以下优点。

本发明涉及的超声波电源模块，采用表面贴片式数字音响集成化电路技术，与传统电路结构形式相比，因为减少了引线分布的影响，降低了线路板寄生电容和电感，所以高频特性得到了很大改善，并增强了电路抗电磁干扰和射频干扰的能力。贴片电路安装密度高，电源体积大大减小。电源模块全部装在一个金属盒中，以外部的连接通过输入输出电路接口完成。金属盒即是功放管的散热器，又起到给电路屏蔽的作用。最大限度地减少了外界的电磁干扰。

其结构设计成具有丰富的外接控制接口的独立型标准化通用模块，通过电路接口与换能器和控制面板连接，便于拆卸和安装。配上标准的控制面板可以单独使用，将超声波电源模块安放在用户的设备或流水线上使用也很方便。随心所欲，适用于各个领域超声波技术的应用。

本数字集成化超声波电源通用模块具有非常宽的频率覆盖范围(15KHz～60KHz)和频率自动跟踪能力。同一台超声波电源能够很好地匹配不同种类、不同频率的超声波换能器，使其正常工作。而这一切都可以由用户在现场通过超声波通用电源模块上的可预置电路来完成的。

附图说明：

图1：宽频段数字集成化超声波电路模块原理方框图

图2：采用宽频段数字集成化电路模块的超声波电源原理方框图

具体实施方式：

图1所示的宽频段数字集成化超声波通用电源模块工作原理是这样的：控制面板经接口电路传过来的预置信号和自动频率跟踪电路产生的频率信号经频率合成器生成超声基本信号，经信号处理器变成幅度可调的正弦波信号，经PWM电路生成一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，这一信号分别经过功率驱动器、功率放大器放大后，经输出、匹配电路这一大功率PWM波形中的超声信息被还原出来并经过输出电路接口传送给换能器。图2是采用宽频段数字集成化超声波通用电源模块的超声波电源原理方框图。其中电源的频率设置、功率调节、低压电源、高压电源、功率显示、频率显示和超声换能器都是通过电源模块上的输入、输出接口连接的。

以宽频段数字集成化超声波通用电源模块技术为核心的超声波电源，可以匹配各种不同形式的压电式换能器并开发出的系列超声波加工设备，广泛应用于超声车削、超声波金属表面光整、超声切割、拉丝模的整形抛光、超声应力去除、超声振动筛、超声清洗、超声医疗器械等领域。

Claims

1.本发明涉及一种宽频段超声波电源通用模块，包括信号处理电路、频率合成电路、PWM电路、功率驱动、功率放大、输出匹配电路、自动频率跟踪电路和输入、输出接口电路，其特征表现为将表面贴片式高保真数字音响集成电路技术应用于超声波电源电路中。

2.根据权利要求1所述的宽频段超声波电源通用模块，其特征表现为结构设计成将权利要求1所包含的全部电路内容置于既担当散热器又起到屏蔽作用的金属盒中。

3.根据权利要求1所述的宽频段超声波电源通用模块，其特征表现为采用了安装密度高，无引线分布电容和电感的、抗电磁干扰和射频干扰能力强的表面安装贴片式高保真数字音响集成电路技术。

4.根据权利要求1所述的宽频段超声波电源通用模块，其特征表现为通过调整电源模块内部电路参数的预置和与外部连接的接口电路实现很宽的频率覆盖范围(15KHz～60KHz)和兼顾不同的阻抗匹配，达到同一台超声波电源能够带动不同种类的、不同工作频率的超声波换能器，使其正常工作的目的。

5.根据权利要求1所述的宽频段超声波电源通用模块，其特征表现为独立的超声波电源模块通过电路接口与换能器和控制面板连接，便于拆卸和安装。配上标准的控制面板可以单独使用，将超声波电源模块安放在用户的设备或流水线上使用也很方便。可最大限度地满足各个领域超声波技术应用的需要，做到一机多能。