1 引言

壓電陶瓷在交變電場作用下能產生電致伸縮效應 ，壓電陶瓷超聲波換能器在交變電場作用下能產生振動 ，共振時能產生很強的超聲波 。由于壓電陶瓷為容性器件 ，因此在壓電陶瓷超聲波換能器饋電電路中 。常采用電感與壓電陶瓷配合構成 LC 諧振電路 對這類 LC諧振饋電電路 諧振頻率由壓電陶瓷的等效電容值 ，電感值 晶體管的放大倍數 放大電路的工作點 反饋系數 工作溫度等參數決定 由于標稱共振頻率為 28kHz 的壓電陶瓷換能器具有較大離散性 其共振頻率一般在 26 —32kHz 范圍 且共振峰的半寬度一般小于200Hz 因此采用 LC 諧振電路為壓電陶瓷超聲波換能器饋電存在以下問題 一是電路調整難 需調整多個參數才能使換能器工作在共振點 如調整工作點 反饋系數 二是對元器件特性要求高 如晶體管的放大倍數需要篩選 配對的電感值誤差不能太大 三是工作不穩定 環境溫度的變化將使諧振頻率偏離共振點 換能器摩損導致其質量變化 使共振頻率發生變化 這些問題導致存壓電陶瓷超聲波換能器的生產工藝復雜 不利于批量生產利用單片機控制技術可非常簡便地解決這些問題 本文介紹利用 PIC16C712 單片機 PWM技術 變頻技術設計壓電陶瓷超聲波換能器饋電電路的方案 該方案在實際生產中效果良好。

2 電路原理

PIC16C712 是由美國 MICROCHIP 公司生產的 8 位高性能單片機 ,其運行速度快 當振蕩頻率為 20MHz時 ,一個機器周期為 200ns ,片內帶有 4 路 8 位 A/D 轉換器 一路捕捉輸入/比較輸出/PWM脈寬調制輸出 (即 CCP模塊),圖一所示為單片機控制的壓電陶瓷超聲波換能器的饋電電路 PIC16C712 單片機的 CCP模塊設置為 PWM輸出模式,作為換能器的振蕩信號源 輸出信號經 TIP122 達林頓功率管 Q1 驅動, 由高頻變壓器 T1 輸出高頻電壓,加載在壓電陶瓷超聲波換能器上 使換能器產生振蕩 如果 PWM的輸出信號頻率為壓電陶瓷超聲波換能器共振頻率時, 則高頻變壓器初級線圈的電流最大 采樣反饋電阻 Rf 的阻值為 0.05 歐姆 把流經高頻變壓器 T1 初級的電流轉換成電壓信號 高頻變壓器的初級線圈工作電流為 0.5A 2.0A 經過差動運算放大器 IC2放大 ,濾波后的電壓在 0.75V 3.0V范圍, 該信號作為反饋信號 VR 由 PIC16C712 的 RA2 引腳輸入 ,該引腳為模擬量 AN2 輸入端 ,這樣構成一個閉環控制系統.

當 PIC16C712 的 CCP模塊工作于 PWM 模式時, PIC16C712 內有 4 個特殊功能寄存器TMR2 PR2 CCPR1L CCP1CON 用于控制 PWM輸出脈沖的周期和脈沖寬度 其等效電路圖如圖二所示 PWM輸出脈沖信號的周期由以下公式決定: