CN1634669A - 一种共用一个振荡源的超大功率超声波发生器 - Google Patents

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胡艺
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一种共用一个振荡源的超大功率超声波发生器，本发明属于功率超声技术，其主要解决超大功率超声波发生器共用一个振荡源，在宽频带范围内的频率点任意可调问题，本发明的具体技术方案是超大功率超声波发生器由电源电路、时钟电路、信号发生器电路、前置驱动电路、微处理功率调节电路、功率放大及匹配电路和负载电路所组成，信号发生器将时钟信号进行多级分频，根据选择的频点产生从16KHz－2MHz频率范围的控制信号，前置驱动电路将控制信号根据需要转换成1－100路的驱动信号，前置驱动信号经过功率放大和匹配电路获得高电压的输出推动信号提供负载电路并通过对微处理功率控制电路的操作，完成对输出功率的调节、控制。

Description

一种共用一个振荡源的超大功率超声波发生器
                    技术领域
本发明属于功率超声技术，主要用于超大功率的超声波清洗、超声波乳化、超声波药物萃取、超声波污水处理等领域。
                    背景技术
现有的超声波发生器以应用最为广泛的超声波清洗机为例，最小功率为50W，最大功率为40KW；最低频率为16KHz，最高频率为120KHz。
现有的超声波发生器就其中的信号发生器而言，分为自激式振荡和它激式振荡两种方式产生信号源。
现有的超声波发生器就其输出功率调节而言，主要是采用变压器调整功率放大器的工作电压和匹配网络的电感量来完成的。
现有超声波发生所存在技术上的不足之处，在于信号发生器的输出频率不能任意选定，而且频率范围最多只在16KHz-120KHz的区域内。一路信号发生器最大只可以驱动5KW的同源功率放大器，如需生产40KW以上的超声波发生器则需采用多个信号发生器来完成，而这多个信号发生器的同频点、同步的问题很难解决，超声波发生器就不能达到最佳工作状态。
超声波发生器的功率调节，如果采用变压器调整输出电压的方式，对于小功率(＜1KW)的超声波发生器还可以应付，但对于大功率或超大功率的超声波发生器就行不通了，因为采用的变压器不仅体积庞大，而且成本高操作很不方便。如果功率调节采用匹配网络的电感量的方式同样也不适用于大功率和超大功率的超声波发生器，因为采用这种方式的结果会增大发生器的内耗、降低功率输出的转换效率。
                    发明内容
本发明的目的就是针对现有超声波发生器所存在的不足而提出的，其主要解决超大功率超声波发生器共用一个振荡源，在宽频带范围内的频率点任意可调问题。
本发明的具体技术方案是，超大功率超声波发生器由电源电路、时钟电路、信号发生器电路、前置驱动电路、微处理功率调节电路、功率放大及匹配电路和负载电路所组成。
所述的时钟电路产生高精度的时钟信号作为信号发生器的信号源，信号发生器将时钟信号进行多级分频，根据选择的频点产生从16KHz到2MHz频率范围的控制信号。前置驱动电路将控制信号根据需要转换成1-100路的驱动信号，前置驱动信号经过功率放大和匹配电路获得高电压的输出推动信号提供给负载电路(超声波换能器)，从而实现了从电能到声能的转变。通过对微处理功率控制电路的操作，完成对输出功率的调节、控制。
本发明所述的时钟电路和信号发生器电路它以一个高精度的石英晶体振荡器PXO为核心产生40MHz时钟频率信号，信号通过U1f、U1e整形后作为由U2-U5可预置计数器组成的分频锁存电路的时钟信号，每一级的进位信号都作为下一级计数器的片选信号。U2-U4的预置端口P分别与SW1、SW2和SW3相连接，改变SW1-SW3的选择组合即可选择从16KHz-2MHz的工作频率。分频锁存电路根据预置的数值产生相应的频率信号由U5的数据口Q0输出，信号经由U1c整形、反向后送到U7a的①脚，U7a的②脚是外接控制信号，当外接控制信号为高电平时选通U7a此时U7a的输出为选定的频率输出信号，反之为低电平时U7a被禁止输出为高电平。由U7a的3脚输出的频率控制信号加到U6的6路输入端则产生6路的频率控制输出信号至OUT端口，如果增加U6同型号的集成电路则可产生多达100路的频率控制信号，达到多路控制同源、同步的目的。频率选择方式(见附频率表)
所述的前置驱动电路，它由电源变压器产生的15V交流电压经过ZL1桥式整流器变成直流电压通过1C1、1C2滤波加到U9(7809三端稳压器)的输入端，U9的输出端则输出+9V的直流电压经1C3、1C4滤波后作为电路的供电电压，信号发生器OUT端口将小电流的频率信号送至U8(TS2811双路驱动器)的输入端，U8的输出端输出的信号触发IQ1变换成大电流驱动源，并经过T1隔离驱动变压器对功率放大电路提供驱动源。变压器T1不仅产生足够的驱动信号，而且还可以将前级电源与后级功放电源进行隔离，从而消除了因功率放大电路的高电压、大电流所产生的辐射对信号源的干扰，保证了整个发生器的工作稳定性。
所述的功率放大及匹配电路，功率调节电路的控制电压输出端口AC1、AC2，经2ZL1大功率桥式整流器和2C1、2C2滤波后作为功放电路的电源。由前置驱动电路的L端口输出的两路互为反向的驱动信号加到L1-1、L1-2、L2-1、L2-2输入端口，通过2R1、2R3、2R4、2R6的偏值作用加到由TR1-TR4、2R7-2R10组成的放大电路，2D3-2D6为阻尼二级管作用是防止瞬间反向电流对大功率场效应管的击穿破坏。放大后的频率信号经由2L5(扼流圈)加到高频输出变压器2T1上产生最终的高频、高压驱动源。2L5(扼流圈)、电容2C3-2C5以及变压器2T1所组成的匹配网络保证了电路处于最佳工作状态。
所述的负载电路，它由2T1产生的高频高压型号与容性负载的超声波换能器形成高频谐振，从而完成了将电能转变为声能的过程。
所述的微处理功率调节电路，其中，微处理器采用单片可编程芯片97C1051，芯片的XTAL1、XTAL2端口外接6M晶体振荡器，RXD、TXD端口作为功率调节口，P1.0-P1.7端口作显示口，P3.7端口作为控制口。通过SW1、SW2向微处理器发出增大或减小功率的指令，微处理器则从P3.7端口输出功率控制信号到驱动电路U6的输入端，U6的输出端输出的功率控制信号通过限流电阻R22到大功率双向可控硅VR1的控制端，可控硅根据控制信号的作用工作于设定的导通角，通过控制负载的电流大小来达到控制功率的目的。与此同时微处理器的P1.0-P1.7端口输出的显示信号通过U2、U3七段译码驱动电路驱动显示器，将目前输出功率的百分比进行实时显示。整个电路的功率调节和功率显示的范围为0-99％。
本发明与现有的超声波发生器相比较，具有以下优越性：这种振荡源能够满足15KHz-1MHz范围内的任意一种频率要求，这种振荡源为实现多路驱动技术提供了多路输出的基础条件，这种振荡源的输入变压器可以耐受1000V/5s的抗压强度，这种振荡源输出方波波形；这种大功率超声波发生器驱动电路，其特定意义是将一个超声波振荡源输出的振荡信号用N个专用驱动IC转换成N个驱动电路以实现多路功率放大驱动；这种大功率超声波发生器的功放电路，其特定意义是在若干个专用驱动IC的驱动下实现若干路功率放大的实现；这种多路网络匹配其特定意义在于使用每一路功率放大输出与负载相一致，从而实现多路功率放大的合成，由于不同用途的超声波换能器以及多个同一种用途的超声波换能器不可能保证其耐受的功率绝对一致，这种网络匹配可以有效地解决其电感量、电容量的平衡匹配，以实现最佳负载的偶合与谐振。
                    附图说明
图1、超大功率超声波发生器电原理框图；
图2、时钟及信号发生器电路图；
图3、前置驱动电路图；
图4、功率放大及网络匹配电路图；
图5、微处理控制功率调节电路图。
                    具体实施方式
选用超声频率：28KHz
超声功率：1.2KW
机型结构，为金属熔融槽分体式结构。其中，各电路图中的主要器件参数选择如下：
74F14—六反向斯密特触发器
74FCT00—四2输入与非门
7407—六缓冲/驱动器
74F163—4位二进制计数器
CPS2811—两输入两输出驱动器
FR107—快恢复二极管美国仙童公司产
SSH7N90A—场效应管美国仙童公司产
石英晶体振荡器选用40MHz
KBPC2506硅整流桥堆
25A600V台湾产
在15KHz-2MHz宽范围频率源中，选取任意一个频率点的方法，是以短路环对零位点进行短路，1为开路，例如：20.346KHz频点，选110000101001。其它频点选择见选频表。
频率设定对照表
    TS     B11-B0     f(Hz)
    0     11     00  00000000     19531
    1     11     00  00000001     19550
    2     11     00  00000010     19569
    3     11     00  00000011     19589
    4     11     00  00000100     19608
    5     11     00  00000101     19627
    6     11     00  00000110     19646
    7     11     00  00000111     19666
    8     11     00  00001000     19685
    9     11     00  00001001     19704
    10     11     00  00001010     19724
    11     11     00  00001011     19743
    12     11     00  00001100     19763
    13     11     00  00001101     19782
    14     11     00  00001110     19802
    15     11     00  00001111     19822
    16     11     00  00010000     19841
    17     11     00  00010001     19861
    18     11     00  00010010     19881
    19     11     00  00010011     19900
    20     11     00  00010100     19920
    21     11     00  00010101     19940
    22     11     00  00010110     19960
    23     11     00  00010111     19980
    24     11     00  00011000     20000
    25     11     00  00011001     20020
    26     11     00  00011010     20040
    27     11     00  00011011     20060
    28     11     00  00011100     20080
    29     11     00  00011101     20101
    30     11     00  00011110     20121
    31     11     00  00011111     20141
    32     11     00  00100000     20161
    33     11     00  00100001     20182
    34     11     00  00100010     20202
    35     11     00  00100011     20222
    36     11     00  00100100     20243
    37     11     00  00100101     20263
    38     11     00  00100110     20284
    39     11     00  00100111     20305
    40     11     00  00101000     20325
    TS     B11-B0     f(Hz)
    41     11     00 00101001     20346
    42     11     00 00101010     20367
    43     11     00 00101011     20387
    44     11     00 00101100     20408
    45     11     00 00101101     20429
    46     11     00 00101110     20450
    47     11     00 00101111     20471
    48     11     00 00110000     20492
    49     11     00 00110001     20513
    50     11     00 00110010     20534
    51     11     00 00110011     20555
    52     11     00 00110100     20576
    53     11     00 00110101     20597
    54     11     00 00110110     20619
    55     11     00 00110111     20640
    56     11     00 00111000     20661
    57     11     00 00111001     20683
    58     11     00 00111010     20704
    59     11     00 00111011     20725
    60     11     00 00111100     20747
    61     11     00 00111101     20768
    62     11     00 00111110     20790
    63     11     00 00111111     20812
    64     11     00 01000000     20833
    65     11     00 01000001     20855
    66     11     00 01000010     20877
    67     11     00 01000011     20899
    68     11     00 01000100     20921
    69     11     00 01000101     20942
    70     11     00 01000110     20964
    71     11     00 01000111     20986
    72     11     00 01001000     21008
    73     11     00 01001001     21030
    74     11     00 01001010     21053
    75     11     00 01001011     21075
    76     11     00 01001100     21097
    77     11     00 01001101     21119
    78     11     00 01001110     21142
    79     11     00 01001111     21164
    80     11     00 01010000     21186
    81     11     00 01010001     21209

Claims (5)

1.一种共用一个振荡源的超大功率超声波发生器，是由电源电路、时钟电路、信号发生器电路、前置驱动电路、微处理功率调节电路、功率放大及匹配电路和负载电路所组成，其特征在于所述的时钟电路产生高精度的时钟信号作为信号发生器的信号源，信号发生器将时钟信号进行多级分频，根据选择的频点产生从16KHz到2MHz频率范围的控制信号，前置驱动电路将控制信号转换成1-100路的驱动信号，前置驱动信号经过功率放大和匹配电路获得高电压的输出推动信号提供给负载电路，并通过微处理功率控制电路，完成对输出功率的调节、控制。
2.根据权利要求1所述的一种共用一个振荡源的超大功率超声波发生器，其特征在于所述的时钟电路和信号发生器电路它以一个高精度的石英晶体振荡器PXO为核心产生40MHz时钟频率信号，信号通过U1f、U1e整形后作为由U2-U5可预置计数器组成的分频锁存电路的时钟信号，每一级的进位信号都作为下一级计数器的片选信号，U2-U4的预置端口P分别与SW1、SW2和SW3相连接，改变SW1-SW3的选择组合即可选择从16KHz-2MHz的工作频率，分频锁存电路根据预置的数值产生相应的频率信号由U5的数据口Q0输出，信号经由U1c整形、反向后送到U7a的1脚，U7a的2脚是外接控制信号，当外接控制信号为高电平时选通U7a此时U7a的输出为选定的频率输出信号，反之为低电平时U7a被禁止输出为高电平，由U7a的3脚输出的频率控制信号加到U6的6路输入端则产生6路的频率控制输出信号至OUT端口。
3.根据权利要求1所述的一种共用一个振荡源的超大功率超声波发生器，其特征在于所述的前置驱动电路，它由电源变压器产生的15V交流电压经过ZL1桥式整流器变成直流电压通过1C1、1C2滤波加到U9(7809三端稳压器)的输入端，U9的输出端则输出+9V的直流电压经1C3、1C4滤波后作为电路的供电电压，信号发生器OUT端口将小电流的频率信号送至U8(TS2811双路驱动器)的输入端，U8的输出端输出的信号触发IQ1变换成大电流驱动源，并经过T1隔离驱动变压器对功率放大电路提供驱动源。变压器T1不仅产生足够的驱动信号，而且还可以将前级电源与后级功放电源进行隔离，从而消除了因功率放大电路的高电压、大电流所产生的辐射对信号源的干扰，保证了整个发生器的工作稳定性。
4.根据权利要求1所述的一种共用一个振荡源的超大功率超声波发生器，其特征在于所述的功率放大及匹配电路，其功率调节电路的控制电压输出端口AC1、AC2，经2ZL1大功率桥式整流器和2C1、2C2滤波后作为功放电路的电源，由前置驱动电路的L端口输出的两路互为反向的驱动信号加到L1-1、L1-2、L2-1、L2-2输入端口，通过2R1、2R3、2R4、2R6的偏值作用加到由TR1-TR4、2R7-2R10组成的放大电路，放大后的频率信号经由2L5(扼流圈)加到高频输出变压器2T1上产生最终的高频、高压驱动源。
5.根据权利要求1所述的一种共用一个振荡源的超大功率超声波发生器，其特征在于所述的微处理功率调节电路，其中，微处理器采用单片可编程芯片97C1051，芯片的XTAL1、XTAL2端口外接6M晶体振荡器，RXD、TXD端口作为功率调节口，P1.0-P1.7端口作显示口，P3.7端口作为控制口，通过SW1、SW2向微处理器发出增大或减小功率的指令，微处理器则从P3.7端口输出功率控制信号到驱动电路U6的输入端，U6的输出端输出的功率控制信号通过限流电阻R22到大功率双向可控硅VR1的控制端，同时微处理器的P1.0-P1.7端口输出的显示信号通过U2、U3七段译码驱动电路驱动显示器口。
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