一種陣列式換能器超聲波電源裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電源技術領域，具體涉及一種陣列式換能器超聲波電源裝置。
【背景技術】
[0002]超聲波發生器通常稱為超聲波發生源、超聲波發生器，其作用是把電能轉換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流信號。超聲波電源的原理首先由信號發生器產生一個特定頻率的信號，該信號可以是正弦信號，也可以是脈沖信號，該特定頻率就是換能器工作的頻率。
[0003]目前，國內外超聲波電源的研究大多數側重于變頻率、變功率、阻抗匹配、頻率自動跟蹤以及智能控制等單一換能器的研究，而應用于超聲聚焦、超聲懸浮和機械工程“內加工”領域研究的專用多頻率超聲波電源裝置目前還未見公開，同時利用換能器陣列實現多頻率的超聲聚焦方面應用研究的超聲波電源裝置也未出現。

【發明內容】

[0004]基于上述現有技術，本發明提出一種陣列式換能器超聲波電源裝置，其通過控制換能器陣列實現多頻率的超聲聚焦、超聲懸浮、機械工程“內加工”等領域的應用研究。
[0005]本發明彌補了現有超聲波電源設備在實際專業領域應用中的不足，其所采用的技術方案如下:
[0006]陣列式換能器超聲波電源裝置，包括PC上位機、USB總線、信號發生及功放模塊、相控信號總線、陣列式超聲波換能器等，PC上位機通過USB總線與信號發生及功放模塊相聯，信號發生及功放模塊通過相控信號總線與陣列式超聲波換能器相聯。
[0007]所述的陣列式換能器超聲波電源裝置，信號發生及功放模塊包括STM32F4控制系統、FPGA模塊、高速D/A轉換模塊、四路功放及補償電路，STM32F4控制系統、FPGA模塊、高速D/A轉換模塊、四路功放及補償電路依次相連。
[0008]所述的陣列式換能器超聲波電源裝置，STM32F4控制系統包括STM32控制器、STM32匹配電路、IXD觸摸顯示屏、晶振電路、JTAG接口電路，STM32控制器采用基于Cortex-M4處理器的芯片STM32F407ZGT6，STM32控制器的第一接口連接FPGA模塊，STM32控制器的第二接口連接STM32匹配電路，STM32控制器的第三接口連接IXD觸摸顯示屏，STM32控制器的第四接口連接晶振電路，STM32控制器的第五接口連接JTAG接口電路，STM32控制器通過USB總線接口電路連接USB總線，USB總線進而連接PC上位機，其中，USB總線接口電路與USB總線、USB總線與PC上位機之間均采取雙向通信方式。
[0009]所述的陣列式換能器超聲波電源裝置，FPGA模塊包括FPGA芯片、FPGA配置電路、JTAG接口電路，FPGA芯片的第一接口與FPGA配置電路相連，FPGA芯片的第二接口與JTAG接口電路，FPGA芯片的第三接口與高速D/A轉換模塊相連。
[0010]所述的陣列式換能器超聲波電源裝置，四路功放及補償電路包括驅動電路、電源、調壓整流濾波模塊、保護電路、預放大電路、可控增益放大電路、網絡匹配電路，驅動電路與高速D/A轉換模塊相聯，電源與高壓整流濾波模塊相聯，高頻模擬信號經過驅動電路與調壓整流濾波模塊、預放大電路、可控增益放大電路都相聯，保護電路與調壓整流濾波模塊、預放大電路、可控增益放大電路都相聯，可控增益放大電路與網線匹配電路相聯，網絡匹配電路聯接陣列式超聲波換能器。
[0011]所述的陣列式換能器超聲波電源裝置，陣列式超聲波換能器通過采樣電路與信號放大電路相聯，信號放大電路與帶通濾波電路相聯，帶通濾波電路與STM32控制器相聯。
[0012]該裝置正常工作時，換能器陣列的每個換能器轉換對應固定頻率的高頻電信號，而每個換能器對應的高頻電信號頻率又不盡相同，從而實現超聲波電源換能器陣列的多頻率工作。該裝置的硬件電路如:信號產生模塊、功率放大模塊、匹配電感切換控制模塊、電路采樣模塊、保護電路模塊和上位機的控制顯示模塊均可采用現有技術實現。STM32F4的程序編寫可在軟件Keil uVis1n5上完成，FPGA的程序編寫可在軟件Quartus II上完成，STM32F4和FPGA之間的通信采用基于RS232的串口通信方式完成。
[0013]所述電源裝置的工作方式具體實現過程為:該裝置正常工作時，STM32F4控制系統通過控制FPGA模塊，每個FPGA模塊可以產生四路不同高頻信號，FPGA作為信號發生器通過運行程序產生要求頻率的脈沖電信號，脈沖電信號通過高頻逆變電路后變成和基波同頻的脈沖電信號，同時STM32F4控制對應頻率的匹配電感的切換、PC上位機、LCD觸摸顯示屏的工作，來實現工作頻率的實時狀態顯示，STM32F4通過控制多路多頻率脈沖電信號的相位與延時，使對應信號通過換能器陣列的對應換能器，從而實現陣列式換能器超聲波電源的多頻率超聲聚焦和超聲懸浮。
[0014]所述的電源裝置還配置有電源操控面板，該電源操控面板設有電源開關按鍵、復位按鍵、工作指示燈、報警指示燈、LCD觸摸顯示屏等，電源正面操控面板的右側自上到下依次是工作指示燈和電源開關按鍵；電源正面操控面板的左側自上到下依次是報警指示燈和復位按鍵；電源正面操控面板的中間部分是4.7英寸的LCD電容型觸摸顯示屏，主要用于顯示超聲波電源工作時各個換能器對應電路的實時取樣電壓和電流值，實時顯示各超聲波換能器的工作頻率值等數據，其中，各個換能器的工作實時數據可以通過點擊LCD電容觸摸屏實時的調出查看。
[0015]所述的PC上位機與STM32F4嵌入式系統之間的通信采用USB總線的通信方式實現，PC上位機主要用于實時顯示從反饋系統采集過來的電源電路電壓、電流和電路信號的波形與數據，實時顯示換能器陣列中各個換能器的工作頻率的波形與數據，便于我們實時監測電源電路以及換能器陣列的工作狀態。同時PC上位機可外接鍵盤和鼠標。
[0016]所述的超聲波電源電路主要由控制系統配置電路、電源開關電路、復位電路、晶振電路、接口電路、調壓整流濾波電路、功率放大電路、驅動電路、保護電路、顯示電路、濾波電路、信號放大電路及網絡匹配電路等構成，控制系統配置電路包括STM32F4控制系統的匹配電路和FPGA的配置電路；電源開關電路和復位電路分別通過電源開關按鍵和復位按鍵與STM32F4控制系統相連接；晶振電路包括STM32F4控制器的晶振電路和FPGA的晶振電路，STM32F4的外部時鐘通過晶振電路與對應的驅動芯片引腳連接，內部時鐘在控制電路上電后自動運行；接口電路包括USB總線接口電路、JTAG接口電路、CAN接口電路、COM接口電路以及FPGA的VGA接口電路；調壓整流濾波電路的輸入端接220V交流市電，整流濾波電路輸出端經耦合電容與Buck斬波電路相連，Buck斬波電路的M0S開關管的柵極與經驅動電路的高頻脈沖電信號相連，Buck斬波開關電路的輸出端經穩壓濾波后與功率放大電路相連；功率放大電路主要包括預放大電路和可控增益放大電路；驅動電路的輸入端與FPGA的高頻脈沖控制信號輸出端相連，Buck斬波開關電路MOS開關管的柵極和功率放大電路MOS開關管的柵極都與驅動電路的輸出端相連；顯示電路包括LCD觸摸顯示屏驅動電路和PC上位機驅動顯示電路；功率放大電路中的高頻脈沖控制信號經過網絡匹配電路后傳到陣列式超聲換能器中對應的換能器中，換能器將電能轉換為機械能，也就是將高頻電信號轉化為了高頻超聲波；STM32F4控制系統通過調整FPGA模塊的工作頻率、時間延遲、相位延遲來控制換能器陣列不同換能器作用信號的開關延遲時間和相位延遲時間，從而實現多頻率的超聲聚焦、超聲懸浮。
[0017]所述的超聲波換能器陣列主要由64個壓電換能器組成，其排列方式可以是8*8的矩形陣列組成，也可以是圓球面形的排列方式，根據實驗分析可知，采用圓球面形的排列方式對于實現多頻率聚焦的效果更好。換能器陣列的每個換能器的驅動電路是相互獨立的，每個換能器的諧振頻率又不盡相同，但所有換能器的控制信號都是由STM32F4嵌入式系統發出的，所以換能器陣列的每個換能器既相互獨立又相互協調，最終實現多頻率超聲波的聲波聚于一塊焦域。
[0018]本發明通過陣列式換能器超聲波電源驅動換能器陣列實現多頻率超聲波的聲波聚焦、超聲懸浮等功能，適用于科學研究場所和實驗平臺的搭建，采用模塊化設計，機體及電路結構容易實現，具有較廣的應用前景，彌補了目前利用換能器陣列實現多頻率的超聲聚焦方面應用研究的空白。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明一種優選實施例的總體結構方框示意圖。
[0020]圖2為本發明的信號發生及功放模塊的方框示意圖。
[0021]圖3為本發明超聲波換能器相控陣列的正面結構示意圖。
[0022]圖4為本發明超聲波換能器相控陣列的側面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖及實施例，對本發明作進一步的說明。
[0024]如圖1所示，本實施例陣列式換能器超聲波電源裝置，包括PC上位機1及與其相連的USB總線2 ;其中:USB總線2通信連接有數個信號發生及功放模塊3，信號發生及功放模塊3通過相控信號總線4連接陣列式超聲波換能器5。本實施例，信號發生及功放模塊3由16個功能相同的信號發生及功放模塊31組成，每一信號發生及功放模塊31主要由STM32F4控制系統6、