CN104753531B - 一种复频超声波电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复频超声波电源，其特征在于：它包括信号发生及功率放大单元、频率跟踪单元和控制单元；信号发生及功率放大单元用于根据控制单元输出的控制信号输出两路超声波信号，并进行信号滤波、功率放大后以驱动复频换能器工作；频率跟踪单元根据信号发生及功率放大单元的输出对复频换能器进行扫频和锁相，并将扫频和锁相过程中的信号反馈给控制单元；控制单元根据频率跟踪单元的反馈信号调整控制信号发生及功率放大单元的输出频率。本发明功能丰富、工作效率高、适用范围广泛、控制方便、性能稳定，因此本发明可以广泛用于功率超声波电源应用领域。

Description

一种复频超声波电源

技术领域

本发明涉及一种电源，特别是关于一种复频超声波电源。

背景技术

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能。近年来，随着科学技术的发展和对超声波研究的不断深入，超声波技术已在众多领域中得到广泛的应用。超声波“空化作用”作为超声波作用于液体时的一种物理效应，被广泛应用于超声波清洗、超声波提取、超声波治疗等领域。

“空化作用”是引发多种物理、化学和生物效应的主要机理。对超声波“空化作用”的理论研究表明，复频超声波通过双频中差频产生低频的特性，改善声场均匀性，消除驻波，较单频超声波可以显著增强“空化作用”效果。而且，其中复频超声波的频率、功率以及两路信号间的相位差是影响“空化作用”效果的重要参数。可以利用具有特定频率、功率和相位差的复频超声波提高在超声波清洗、超声波提取、超声波治疗等领域的工作效率。

超声波电源是超声设备的核心部件之一，其作用是发出超声波信号驱动换能器产生超声振动。在目前的超声设备中，一般采用单频超声波电源，即在同一时刻只能输出一种频率的超声波信号。这种超声波电源只有一路信号发生及功率放大单元和频率跟踪单元，因此只能驱动单频换能器工作，不能实现对复频换能器的双频同时驱动。

专利CN102350409A提出了一种多频同时驱动式的超声发生器及其实现方法，该专利超声波电源包括两路结构相同的超声发生电路和一套驱动复频换能器工作的驱动电路。驱动电路由一个数字信号合成器对两路超声波信号进行合成处理，之后经功率放大并驱动复频换能器工作。信号反馈电路利用不同的带通滤波器从合成信号中分别提取两路超声波的电压、电流反馈信号，并由控制单元对各输出信号的频率和幅值进行调整。该超声波电源输出的两路超声波信号间相互独立，不能通过对两路超声波频率、功率、相位差的协同调整驱动复频换能器工作在最佳状态；在信号反馈电路中，由于带通滤波器中心频率和带宽的限制，电压、电流信号采样需针对不同工作频率范围设计不同的带通滤波器，用来对驱动换能器工作的合成信号进行处理，对超声波电源的工作频率范围和频率跟踪性能有一定的局限性；该超声波电源在工作时需由控制单元输出多路参数对各功能模块进行分别控制，控制策略比较复杂。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够同时输出两路超声波信号，并且两路超声波的频率、功率和相位差均可控制和调整的复频超声波电源。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种复频超声波电源，其特征在于：它包括信号发生及功率放大单元、频率跟踪单元和控制单元；所述信号发生及功率放大单元用于根据所述控制单元输出的控制信号同时输出两路超声波信号，并进行信号滤波、功率放大后以驱动复频换能器工作；所述频率跟踪单元根据所述信号发生及功率放大单元的输出对复频换能器进行扫频和锁相，并将扫频和锁相过程中的信号反馈给所述控制单元；所述控制单元根据所述频率跟踪单元的反馈信号调整所述控制信号发生及功率放大单元的输出频率。

所述信号发生及功率放大单元分为结构相同的两路，每一路均包括一输入端连接所述控制单元的超声波发生模块，每一所述超声波发生模块的输出端依次连接信号滤波器、功放驱动模块、功率放大器和复频换能器；所述超声波发生模块根据所述控制单元发送的控制信号产生相应频率、占空比和具有初始相位的超声波信号，并依次经过所述信号滤波器滤波，滤波后的信号触发所述功放驱动模块工作，所述功放驱动模块为所述功率放大器提供驱动能量，以驱动所述功率放大器进行信号的放大，放大后的信号驱动复频换能器工作。

所述频率跟踪单元包括两电流信号采集模块、两电压信号采集模块、四信号滤波器、一模拟多路开关、一相位关系判断模块、一第一A/D转换器、两相位差信号提取模块和两第二A/D转换器；每一所述功率放大器的输出端各自对应连接一所述电流信号采集模块和一所述电压信号采集模块，每一所述电流信号采集模块和所述电压信号采集模块的输出端均对应连接一所述信号滤波器；每一所述信号滤波器的输出端分成两路：一路连接所述模拟多路开关的输入端，所述模拟多路开关的输出端分别连接所述相位关系判断模块和所述第一A/D转换器，所述相位关系判断模块和所述第一A/D转换器的输出端分别连接所述控制单元；另一路依次连接所述相位差信号提取模块、所述第二A/D转换器和所述控制单元；每一所述电流信号采集模块和所述电压信号采集模块将采集到的两路超声波信号的电流和电压信号传送给相应的所述信号滤波器进行滤波，然后传送给所述模拟多路开关，所述控制单元向所述模拟多路开关发送采样信号切换控制信号，选通通过所述模拟多路开关的一组电流和电压信号，并将输出的电流和电压信号传送给所述相位关系判断模块，实时判断两者的相位关系，并将反映该相位关系的反馈信号传送给所述控制单元，以通过所述控制单元实现信号发生及功率放大单元输出频率的加频或减频；将输出的电流信号传送给所述第一A/D转换器，转换后传输给所述控制单元，所述控制单元根据实时接收的电流值并结合所述相位关系判断模块判断反馈信号快速搜索最大电流值时对应的频率，以形成所述频率跟踪单元的扫频功能，并通过扫频功能分别得到复频换能器的两路谐振频率，所述控制单元根据该频率控制所述信号发生及功率放大单元输出相应的谐振频率，使得复频换能器工作在谐振状态；两路所述相位差信号提取模块提取两路超声波信号各自对应的电流与电压间相位差，并通过所述第二A/D转换器将其转换成反映电流和电压相位差信息的数字量后分别反馈给所述控制单元，以保持复频换能器工作在谐振状态；当任意一路的电压与电流之间相位差信号的数字量超出所述控制单元设定的阈值范围时，复频换能器失谐，所述频率跟踪单元重新进入扫频状态。

所述电流信号采集模块采用电流互感器。

所述电压信号采集模块采用电压互感器。

所述相位关系判断模块采用D触发器。

所述相位差信号提取模块采用数字鉴相器。

所述控制单元包括所述控制芯片、通信模块、按键和显示屏；所述控制芯片分别电连接所述通信模块、所述按键和所述显示屏；用于控制所述信号发生及功率放大单元的频率、相位差和功率初始参数通过从上位机接收的所述通信模块或通过所述按键键入的两者之一的方式传送给所述控制芯片；所述控制芯片根据接收的控制信号进行控制所述信号发生及功率放大单元的输出频率，并根据所述频率跟踪单元的反馈信号调整所述信号发生及功率放大单元的输出频率，并在所述显示屏上显示当前工作状态和两路超声波信号的参数信息。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用同一控制芯片控制信号发生及功率放大单元同时发出两路超声波信号，实现两路超声波信号的频率、功率及之间相位差的控制和调整，因此控制策略简单、方便。采用本发明驱动复频换能器工作充分利用了复频超声波的“空化作用”增强理论，根据复频换能器参数特性的不同和工况的变化，通过对两路超声波频率、功率和之间相位差的控制和调整，找到最佳工作参数，驱动复频换能器达到最佳工作效果。2、本发明所用的控制芯片发出频率、占空比和相位差控制信号，利用数字控制技术对信号发生及功率放大单元的输出信号进行控制，因此输出信号的频率、功率和之间相位差可以精确调整。频率跟踪单元采用电压信号采集模块、电流信号采集模块对应采集两路超声波信号的电压、电流信号，并分别采用相位关系判断模块和相位差信号提取模块对采集的电压、电流信号进行处理后反馈回控制芯片，实现对复频换能器的谐振频率搜索和跟踪。各功能模块对两路超声波信号的频率均没有限制，因此本发明可以根据复频换能器的工作需求，使其工作在较大频率范围内，适用范围广泛。3、本发明的频率跟踪单元由于分为扫频和锁相两部分功能：扫频功能在复频换能器未达到谐振状态时工作，通过模拟多路开关各通道的切换控制，分别由相位关系判断模块判断两路采集信号各自的电压、电流间相位关系，并通过搜索输出最大电流值的方法使两路超声波信号迅速搜索到相应的谐振频率；锁相功能在复频换能器处在谐振状态时工作，通过对两路超声波信号的电压、电流进行实时的相位差信号提取处理，监测本发明两路输出超声波信号的各自电压、电流间相位差是否保持在阈值范围内，通过扫频和锁相功能的切换工作保持复频换能器稳定工作在谐振状态(即最佳状态)，因此具有控制算法简单、频率搜索跟踪迅速和性能稳定的优点。基于上述理由，本发明可以在功率超声波电源应用领域广泛推广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明一种复频超声波电源，它包括信号发生及功率放大单元1、频率跟踪单元2和控制单元3。

信号发生及功率放大单元1包括两超声波发生模块11、两信号滤波器12、两功放驱动模块13和两功率放大器14。信号发生及功率放大单元1分为结构相同的两路，每一路均包括一输入端连接控制单元3的超声波发生模块11，每一超声波发生模块11的输出端依次连接信号滤波器12、功放驱动模块13、功率放大器14和复频换能器；超声波发生模块11根据控制单元3发送的控制信号产生相应频率、占空比和具有初始相位的超声波信号，并依次经过信号滤波器12滤波，滤波后的信号触发功放驱动模块13工作，功放驱动模块13为功率放大器14提供驱动能量，以驱动功率放大器14进行信号的放大，放大后的信号驱动复频换能器工作。

频率跟踪单元2包括两电流信号采集模块21、两电压信号采集模块22、四信号滤波器23、一模拟多路开关24、一相位关系判断模块25、一第一A/D转换器26、两相位差信号提取模块27和两第二A/D转换器28。

其中，每一功率放大器14的输出端各自对应连接一电流信号采集模块21和一电压信号采集模块22，每一电流信号采集模块21和电压信号采集模块22的输出端均对应连接一信号滤波器23。

每一信号滤波器23的输出端分成两路：

一路连接模拟多路开关24的输入端，模拟多路开关24的输出端分别连接相位关系判断模块25和第一A/D转换器26，且将模拟多路开关24输出电压和输出电流信号传送给相位关系判断模块25，输出电流信号传送给第一A/D转换器26，相位关系判断模块25和第一A/D转换器26的输出端分别连接控制单元3，以形成频率跟踪单元2的扫频功能，通过扫频的形式找到复频换能器的谐振频率，其工作过程为：每一电流信号采集模块21和电压信号采集模块22将采集到的对应输出超声波信号的电流和电压信号传送给相应的信号滤波器23进行滤波，然后传送给模拟多路开关24。控制单元3向模拟多路开关24发送采样信号切换控制信号，选通通过模拟多路开关24的一组电流和电压信号，并将输出的电流和电压信号传送给相位关系判断模块25，实时判断两者的相位关系，并将反映该相位关系的反馈信号传送给控制单元3，以通过控制单元3实现信号发生及功率放大单元1输出频率的加频或减频。将输出的电流信号传送给第一A/D转换器26，转换后传送给控制单元3，控制单元3根据实时接收的电流值并结合上述相位关系判断过程快速搜索最大电流值时对应的频率，以形成频率跟踪单元2的扫频功能，通过扫频功能分别得到复频换能器的两路谐振频率，控制单元3根据该频率控制信号发生及功率放大单元1输出相应的谐振频率，使复频换能器工作在谐振状态。

另一路依次连接相位差信号提取模块27、第二A/D转换器28和控制单元3，形成频率跟踪单元2的锁相功能，以实时监测复频换能器是否保持工作在谐振状态，其工作过程为：两路相位差信号提取模块27提取两路超声波信号各自对应的电流与电压间相位差，并通过第二A/D转换器28将其转换成反映电流和电压相位差信息的数字量后分别反馈给控制单元3，以实时监测复频换能器是否工作在谐振状态；当任意一路的电流与电压之间相位差信号的数字量超出控制单元3设定的阈值范围时，复频换能器失谐，频率跟踪单元2重新进入扫频状态。

上述频率跟踪单元2以复频换能器工作在谐振状态时工作电流最大的特性为依据，结合基于相位信息的频率跟踪技术原理为设计基础。

上述实施例中，电流信号采集模块21可以采用电流互感器。电压信号采集模块22可以采用电压互感器。相位关系判断模块25可通过D触发器实现。相位差信号提取模块27可以通过数字鉴相器实现。

控制单元3包括控制芯片31、通信模块32、按键33和显示屏34。

其中，控制芯片31用于控制超声波发生模块11的输出频率、根据频率跟踪单元2反馈的信号控制超声波发生模块11的输出频率进行调整以及判断复频换能器是否工作在谐振状态，其可以是单片机、DSP(digital signal processor，数字信号处理器)、FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)和ARM处理器等各类带有寄存器的嵌入式控制单元；控制芯片31分别电连接通信模块32(信号输入输出口即芯片引脚)、按键33和显示屏34。

通信模块32可以是串口、以太网、蓝牙等任何上位机通信方式，通过通信模块32与上位机相连进行通讯，接收上位机发出的频率、相位差和功率初始控制参数。

按键33用于选择本发明的工作模式为单频或复频同时驱动状态，并可以通过按键33设置或调整两路超声波信号的频率、功率和相位差参数。

显示屏34用于查看本发明的当前工作状态和两路超声波信号的参数信息。

本发明工作时：

1)本发明上电后，通过按键33键入或由上位机输入并通过通信模块32发送给控制芯片31控制信号发生及功率放大单元1发生超声波信号的初始控制参数：第一路超声波频率f₁、第二路超声波频率f₂，第一路超声波功率p₁、第二路超声波功率p₂和两路超声波信号间的相位差且若两路输出信号为同频率信号，其间相位差只有一个，即为预设相位差若两路输出信号为二倍频关系，其间相位差有两个值，其中初相位为预设相位差依此类推。

上述超声波频率的设置是根据所连接的复频换能器的设计频率而定。

2)控制芯片31将接收的初始控制参数转换成超声波发生模块11可识别的控制信号，即将第一路超声波频率f₁、第二路超声波频率f₂对应转换成第一路频率控制信号f₁₁、第二路频率控制信号f₂₂，两路超声波发生模块11根据所接收的频率控制信号输出不同频率的超声波信号；将第一路超声波功率p₁、第二路超声波功率p₂对应转换成第一路占空比控制信号p₁₁、第二路占空比控制信号p₂₂，通过对功率参数的调整可以改变输出超声波信号的占空比，进而实现对超声波信号输出功率的控制；将两路超声波信号间的相位差转换成第一路超声波信号的相位控制信号和第二路超声波信号的相位控制信号的相位控制信号根据给定相位控制信号的不同，两路超声波发生模块11输出的两路超声波信号具有一定的相位差

3)控制芯片31将第一路频率控制信号f₁₁、第一路占空比控制信号p₁₁和相位控制信号发送给其中一个超声波发生模块11；将第二路频率控制信号f₂₂、第二路占空比控制信号p₂₂和相位控制信号发送给另一超声波发生模块11。

控制芯片31输出控制信号更新时钟给超声波发生模块11，用于控制超声波发生模块11对输入的控制信号进行更新，即控制超声波发生模块11同时产生对应新的频率、占空比和相位关系的两路超声波信号。

根据超声波发生模块11发出两路具有预设频率、占空比和相位差的超声波信号，经相应信号滤波器12滤波后发送给功放驱动模块13，功放驱动模块13驱动功率放大器14将超声波信号进行放大，以驱动所连接的复频换能器工作。

4)由于本发明所连接的复频换能器的谐振频率与设计频率间可能存在一定的偏差，并且复频换能器受工况因素的影响，其工作时的谐振频率会发生波动，因此需要进行扫频得到谐振频率，并通过锁相功能监测复频换能器是否保持工作在谐振状态，从而稳定工作，另外复频换能器的两组谐振频率相互独立，因此需要对两路输出分别进行扫频和锁相。

①在复频换能器未工作在谐振状态时：

频率跟踪单元2中的电流信号采集模块21和电压信号采集模块22从信号发生及功率放大单元1输出端采集两路超声波信号的电流信号i₁、i₂，电压信号u₁、u₂，并分别通过对应的信号滤波器23滤去干扰。

控制芯片31控制模拟多路开关24切换采集两路超声波信号，一方面将通过模拟多路开关24的超声波信号的u和i传送给相位关系判断模块25，实时判断两者间的相位关系，并根据其相位关系对信号发生及功率放大单元1的输出频率进行加频或减频；另一方面将通过的超声波信号的i传送给第一A/D转换器26，经过第一A/D转换器26转换为相应的数字量，并实时传送给控制芯片31。

相位关系判断模块25将u和i进行比较，并将二者的相位关系反馈信号发送给控制芯片31，控制芯片31根据反馈信号控制信号发生及功率放大单元1的输出频率进行加频或减频。进行加频或减频时，控制芯片31将相应的控制信号传送给超声波发生模块11，然后输出控制信号更新时钟给超声波发生模块11，实现两路超声波信号的同时发生，循环往复，直到第一A/D转换器26中接收的电流信号i为最大电流值，此时对应的输出频率即为复频换能器的其中一路谐振频率，并将该谐振频率存储在控制芯片31的寄存器中。

一路超声波信号扫频结束后，控制单元3中的控制芯片31控制模拟多路开关24切换输出从另一路超声波信号采集的电流和电压信号，对输出信号的扫频过程与第一路相同。两路输出均完成扫频后，由控制单元3中的控制芯片31控制信号发生及功率放大单元1按预设相位关系输出扫频得到的相应谐振频率。

②在复频换能器工作在谐振状态时：

两路相位差信号提取模块27实时处理采集的电流信号i₁、i₂和电压信号u₁、u₂，提取两路超声波信号各自对应的电流、电压间相位差信号，即i₁与u₁间相位差和i₂与u₂间相位差，通过第二A/D转换器28将其转换成反映电流和电压相位差信息的数字量后分别反馈给控制芯片31，当任意一路的电流与电压之间相位差信号的数字量超出控制芯片31内预置的阈值范围时，复频换能器失谐，频率跟踪单元2重新进入扫频状态。

上述实施例中，本发明所连接的复频换能器可以采用两个单频换能器进行替代，其工作过程相同，故不再详述。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种复频超声波电源，其特征在于：它包括信号发生及功率放大单元、频率跟踪单元和控制单元；

所述信号发生及功率放大单元用于根据所述控制单元输出的控制信号同时输出两路超声波信号，并进行信号滤波、功率放大后以驱动复频换能器工作，所述信号发生及功率放大单元分为结构相同的两路，每一路均包括一输入端连接所述控制单元的超声波发生模块，每一所述超声波发生模块的输出端依次连接信号滤波器、功放驱动模块、功率放大器和复频换能器；所述超声波发生模块根据所述控制单元发送的控制信号产生相应频率、占空比和具有初始相位的超声波信号，并依次经过所述信号滤波器滤波，滤波后的信号触发所述功放驱动模块工作，所述功放驱动模块为所述功率放大器提供驱动能量，以驱动所述功率放大器进行信号的放大，放大后的信号驱动复频换能器工作；

所述频率跟踪单元根据所述信号发生及功率放大单元的输出对复频换能器进行扫频和锁相，并将扫频和锁相过程中的信号反馈给所述控制单元，所述频率跟踪单元包括两电流信号采集模块、两电压信号采集模块、四信号滤波器、一模拟多路开关、一相位关系判断模块、一第一A/D转换器、两相位差信号提取模块和两第二A/D转换器；

每一所述功率放大器的输出端各自对应连接一所述电流信号采集模块和一所述电压信号采集模块，每一所述电流信号采集模块和所述电压信号采集模块的输出端均对应连接一所述信号滤波器；每一所述信号滤波器的输出端分成两路：一路连接所述模拟多路开关的输入端，所述模拟多路开关的输出端分别连接所述相位关系判断模块和所述第一A/D转换器，所述相位关系判断模块和所述第一A/D转换器的输出端分别连接所述控制单元；另一路依次连接所述相位差信号提取模块、所述第二A/D转换器和所述控制单元；

每一所述电流信号采集模块和所述电压信号采集模块将采集到的两路超声波信号的电流和电压信号传送给相应的所述信号滤波器进行滤波，然后传送给所述模拟多路开关，所述控制单元向所述模拟多路开关发送采样信号切换控制信号，选通通过所述模拟多路开关的一组电流和电压信号，并将输出的电流和电压信号传送给所述相位关系判断模块，实时判断两者的相位关系，并将反映该相位关系的反馈信号传送给所述控制单元，以通过所述控制单元实现信号发生及功率放大单元输出频率的加频或减频；将输出的电流信号传送给所述第一A/D转换器，转换后传输给所述控制单元，所述控制单元根据实时接收的电流值并结合所述相位关系判断模块判断反馈信号快速搜索最大电流值时对应的频率，以形成所述频率跟踪单元的扫频功能，并通过扫频功能分别得到复频换能器的两路谐振频率，所述控制单元根据该频率控制所述信号发生及功率放大单元输出相应的谐振频率，使得复频换能器工作在谐振状态；

两路所述相位差信号提取模块提取两路超声波信号各自对应的电流与电压间相位差，并通过所述第二A/D转换器将其转换成反映电流和电压相位差信息的数字量后分别反馈给所述控制单元，以保持复频换能器工作在谐振状态；当任意一路的电压与电流之间相位差信号的数字量超出所述控制单元设定的阈值范围时，复频换能器失谐，所述频率跟踪单元重新进入扫频状态；

所述控制单元根据所述频率跟踪单元的反馈信号调整所述信号发生及功率放大单元的输出频率。

2.如权利要求1所述的一种复频超声波电源，其特征在于：所述电流信号采集模块采用电流互感器。

3.如权利要求1所述的一种复频超声波电源，其特征在于：所述电压信号采集模块采用电压互感器。

4.如权利要求2所述的一种复频超声波电源，其特征在于：所述电压信号采集模块采用电压互感器。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种复频超声波电源，其特征在于：所述相位关系判断模块采用D触发器。

6.如权利要求5所述的一种复频超声波电源，其特征在于：所述相位差信号提取模块采用四象限模拟乘法器。

7.如权利要求1或2或3或4或6所述的一种复频超声波电源，其特征在于：所述控制单元包括控制芯片、通信模块、按键和显示屏；所述控制芯片分别电连接所述通信模块、所述按键和所述显示屏；

用于控制所述信号发生及功率放大单元的频率、相位差和功率初始参数通过由所述通信模块从上位机接收或通过所述按键键入的两者之一的方式传送给所述控制芯片；所述控制芯片根据接收的控制信号进行控制所述信号发生及功率放大单元的输出频率，并根据所述频率跟踪单元的反馈信号调整所述信号发生及功率放大单元的输出频率，并在所述显示屏上显示当前工作状态和两路超声波信号的参数信息。

8.如权利要求5所述的一种复频超声波电源，其特征在于：所述控制单元包括控制芯片、通信模块、按键和显示屏；所述控制芯片分别电连接所述通信模块、所述按键和所述显示屏；

用于控制所述信号发生及功率放大单元的频率、相位差和功率初始参数通过由所述通信模块从上位机接收或通过所述按键键入的两者之一的方式传送给所述控制芯片；所述控制芯片根据接收的控制信号进行控制所述信号发生及功率放大单元的输出频率，并根据所述频率跟踪单元的反馈信号调整所述信号发生及功率放大单元的输出频率，并在所述显示屏上显示当前工作状态和两路超声波信号的参数信息。