超聲波功率源(或稱發(fā)生器)是一種用于產(chǎn)生并向超聲換能器提供超聲能量的裝置。超聲波發(fā)生器就其激勵(lì)方式有兩種：一種是他激式．另一種是自激式。如果按末級(jí)功放管所采用的器件類型分，又可分四種：電子管式超聲發(fā)生器；可控硅逆變式超聲發(fā)生器；晶體管式超聲發(fā)生器及功率模塊超聲發(fā)生器。電子管式與可控硅逆變式目前基本已淘汰，當(dāng)前廣泛使用的是晶體管式發(fā)生器。
他激式超聲發(fā)生器主要包括兩部分，前級(jí)是振蕩器，后級(jí)是放大器。一般通過輸出變壓器耦合，把超聲能量加到換能器上。而自激式超聲發(fā)生器是把振蕩、功放、輸出變壓器及換能器集為一體，形成一閉環(huán)回路，回路在滿足幅度、相位反饋條件，組成一個(gè)有功率放大的振蕩器。并諧振于換能器的機(jī)械共振頻率上。
本文根據(jù)超聲發(fā)生器特點(diǎn)，主要討論、分析、設(shè)計(jì)超聲發(fā)生器的諧振、功放及匹配等相關(guān)問題。
一、關(guān)于諧振問題<頻率自動(dòng)跟蹤> 
所謂諧振問題就是要求發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率能對(duì)在工作中變化的換能器諧振頻率進(jìn)行跟蹤，也即稱頻率自動(dòng)跟蹤。目前常用的頻率自動(dòng)跟蹤大致有以下幾種方法：

1．聲跟蹤 
以聲耦合方式，從換能器上采集諧振頻率的電訊號(hào)，然后反饋至前級(jí)放大器，使形成自激振蕩器。其原理框圖如圖1．28所示。

圖1．28 聲跟蹤超聲波發(fā)生器原理框圖
由圖1．28看出，電路是個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，電路在通電的瞬間產(chǎn)生一個(gè)沖擊脈沖，此脈沖經(jīng)預(yù)放、功 放去激勵(lì)換能器，換能器按自身固有頻率振動(dòng)。從而在反饋的聲接收器上可得到相同頻率的電訊號(hào)。經(jīng)過電路的移相、選頻、預(yù)放及功放再去激勵(lì)換能器，如果滿足振蕩器的相位，幅度條件，系統(tǒng)將自激振蕩，且振蕩頻率跟蹤在換能器的共振頻率上。
2．電跟蹤
所謂“電跟蹤”又稱反饋?zhàn)约な秸袷幤?。大致有以下幾種形式
(1)阻抗電橋形式的動(dòng)態(tài)反饋系統(tǒng)
阻抗電橋形式的動(dòng)態(tài)反饋系統(tǒng)組成的頻率自動(dòng)跟蹤電路其原理如下；它是利用電橋平衡原理補(bǔ)償換能器電學(xué)臂的無功與有功分量，借助于差動(dòng)變量器提取與換能器機(jī)械臂振蕩電流成正比的反饋電壓，使閉環(huán)系統(tǒng)在換能器機(jī)械共振頻率上自振。本方法對(duì)換能器電參數(shù)的補(bǔ)償有可能做到與頻率無關(guān)，因而在較寬頻段內(nèi)跟蹤良好。

差動(dòng)變量器橋式自動(dòng)頻率跟蹤電路如圖1．29所示。圖中Tf為差動(dòng)變量器，正反饋電壓Uf，由次級(jí)繞組W3引出；初級(jí)繞組W1，W2與阻抗Z1、Z2構(gòu)成電橋四臂，Z1為換能器阻抗(它由機(jī)械臂阻抗Zm和電學(xué)臂阻抗Ze并聯(lián)而成)，Z2為補(bǔ)償元件的阻抗。Z3用于補(bǔ)償電橋的電抗。設(shè)Zm》Ze則Z1 =Ze 。顯然，如滿足條件W1I1=W2I2(W1W2為初級(jí)的匝數(shù))，電橋獲得平衡，Tf次級(jí)繞組反饋電壓Uf=0。此平衡條件又可表為Z2／Ze=W2／W1
X2/Xe=R2/Re=W2/W1=n

即式中Re/Xe分別為Ze和Z2的實(shí)部和虛部。系數(shù)n表示差動(dòng)變量器初級(jí)繞組兩部分的匝數(shù)比，它等于補(bǔ)償元件阻抗與換能器電學(xué)臂之比。
一般情況下，流經(jīng)Zm的電流Im使電橋失去平衡，Tf次級(jí)繞組將感生出正比于換能器機(jī)械臂振蕩電流Im的反饋電壓Uf 

Uf=Im(W1/W3)Rim

式中Rim為振蕩器的輸入電阻。
當(dāng)系統(tǒng)的自激頻率fo=fr(換能器的機(jī)械共振頻率)時(shí)，電流Im。將達(dá)最大值。系統(tǒng)反饋?zhàn)顝?qiáng)， Uf反饋電壓最大，滿足幅度條件，且Uf與Uin同相，也滿足相位條件，系統(tǒng)自激在換能器機(jī)械共振頻率上。假如換能器的機(jī)械共振頻率因某種因素減低了，則fo>fr。，負(fù)載Zm呈感性，Im的相角為負(fù)值，造成Uf滯后于Uin(原先的輸入電壓)，系統(tǒng)振蕩頻率降低從而達(dá)到跟蹤的目的。
差動(dòng)變量器橋式自動(dòng)頻率跟蹤電路優(yōu)點(diǎn)，在于其對(duì)換能器電抗成分的補(bǔ)償與頻率無關(guān)，從而保證反饋電壓在很寬的頻率段內(nèi)只與機(jī)械振蕩電流有關(guān)，跟蹤可靠、失調(diào)較?。?br/>
(2)負(fù)載分壓方式的反饋系統(tǒng)。
這種系統(tǒng)如圖1．30所示，圖中的整個(gè)電路形成閉環(huán)迥路．電路在通電的瞬間產(chǎn)生一個(gè)電脈沖，經(jīng)功放加至換能器兩端，于是換能器受激振動(dòng)。其振動(dòng)頻率為換能器本身的固有頻率，在換能器兩端的振蕩信號(hào)，經(jīng)分壓后送至可調(diào)移相器上，再送至功放。當(dāng)可調(diào)移相器調(diào)至相位滿足自激條件時(shí)，系統(tǒng)自激于換能器的固有頻率上。換能器諧振頻率的微小變化，電路系統(tǒng)均能及時(shí)跟蹤使工作始終處于最佳狀態(tài)。

圖1．30 電壓反饋振蕩器

(3)鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤
鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)與前兩種自激系統(tǒng)相比，電路要復(fù)雜得多，但能獲得較好的頻率自動(dòng)跟蹤性能。因此在超聲塑料焊接機(jī)的發(fā)生器中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。
采用鎖相技術(shù)進(jìn)行頻率自動(dòng)跟蹤的關(guān)鍵，是如何獲得負(fù)載電路中電壓與電流之間的相位差。壓電換能器在諧振頻率附近的等效電路如圖1．31所示。圖中虛線框內(nèi)為換能器等效回路。C0為換能器靜態(tài)電容。Rm為機(jī)械阻反映到電端的阻(如果忽略機(jī)械損耗，即為反映到電端的輻射阻)，Lm為動(dòng)態(tài)等效質(zhì)量反映到電端的值；Cm為等效力順反映到電端的動(dòng)態(tài)電容值；L。為換能器工作在諧振狀態(tài)時(shí)的并聯(lián)匹配電感。

1．31 壓電換能器等效簡(jiǎn)圖

該迥路的諧振頻率

ω2 =1/LoCo =1/LmCm

在諧振狀態(tài)時(shí)，換能器兩端電壓U=iRm ,
即電壓與電流是同相的。當(dāng)換能器失諧時(shí)，u與i不再同相，其電抗與頻率特性曲線如圖1．32所示。圖中ωs為串聯(lián)諧振頻率。ωp為并聯(lián)諧振頻率。

圖1．32 諧振點(diǎn)附近電抗與頻率特性圖 

圖1．33為串聯(lián)諧振頻率附近的相頻特性。由圖1．33可知，當(dāng)ω<ωs時(shí)電路呈容性，i超前u，相位差為負(fù)；
圖1．32 諧振點(diǎn)附近電抗與頻率特性圖
當(dāng)ωs< ω<ωp時(shí)電路呈感性，u超前i，相位差為正。當(dāng)ω＝ωs時(shí)，電路呈純阻特性， i電流與U電壓同相位。因此，換能器兩端的電壓與流過換能器的電流，他們之間的相位差正負(fù)、大小，代表激勵(lì)信號(hào)的頻率與振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率之間的關(guān)系。所以，若把電壓、電流相位差信號(hào)取出，作為激勵(lì)振動(dòng)系統(tǒng)諧振頻率變化的控制信號(hào)，達(dá)到頻率跟蹤的目的。這就是鎖相式頻率跟蹤的基本原理。

圖l-33 串聯(lián)諧頻附近的相頻特性

(3) 鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤電路框圖

鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)用電路框圖如圖。圖中由相位比較器、電壓比較器、低通濾波器、壓控振蕩器、激勵(lì)放大器，功率放大器、電流取樣及電壓取樣等組成。這是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。但由于壓控振蕩器本身可以單獨(dú)工作。所以，本系統(tǒng)的開環(huán)亦能工作。開環(huán)時(shí)類似于他激式超聲波發(fā)生器。這與自激式振蕩器不一樣。本系統(tǒng)利用了末級(jí)換能器上的電壓和電流之間的相位差，經(jīng)相位比較后，獲得相位誤差信號(hào)，再經(jīng)低通濾波之后，去控制壓控振蕩器的輸出信號(hào)的頻率。使之保持與振動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械諧振頻率一致。
盡管頻率與相位之間有依存變換關(guān)系，但兩者構(gòu)成的反饋系統(tǒng)，從控制結(jié)果看，是不相同的。頻率反饋結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致使輸入與輸出信號(hào)之間的頻率差盡可能小，而相位反饋結(jié)果使兩信號(hào)之間相位差盡可能小。根據(jù)頻率與相位所構(gòu)成的微分——積分關(guān)系，相位反饋系統(tǒng)最終導(dǎo)致兩信號(hào)頻率差為零。
鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的鎖相環(huán)路有專用集成電路，例如CD4046等。這里不再作詳細(xì)介紹，請(qǐng)參考有關(guān)集成電路數(shù)據(jù)手冊(cè)及鎖相環(huán)原理書籍。
最后，我們總結(jié)一下。鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)；
(1)由于鎖相環(huán)是一個(gè)極好的帶通濾波器，因此，不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤跟到非諧振的其它頻率之
上；
(2)頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的控制信號(hào)與取樣的電壓、電波波形之好壞，關(guān)系并不大；
(3)輸出功率相對(duì)較穩(wěn)定。不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而發(fā)生顯著變化，
(4)由于控制系統(tǒng)工作在小信號(hào)狀態(tài)下，所以能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)地工作。

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