復頻超聲波電源的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種電源，特別是關于一種復頻超聲波電源。
【背景技術】
[0002] 超聲波是一種頻率高于20000赫茲的聲波，它的方向性好，穿透能力強，易于獲得 較集中的聲能。近年來，隨著科學技術的發展和對超聲波研宄的不斷深入，超聲波技術已在 眾多領域中得到廣泛的應用。超聲波"空化作用"作為超聲波作用于液體時的一種物理效 應，被廣泛應用于超聲波清洗、超聲波提取、超聲波治療等領域。
[0003] "空化作用"是引發多種物理、化學和生物效應的主要機理。對超聲波"空化作用" 的理論研宄表明，復頻超聲波通過雙頻中差頻產生低頻的特性，改善聲場均勻性，消除駐 波，較單頻超聲波可以顯著增強"空化作用"效果。而且，其中復頻超聲波的頻率、功率以及 兩路信號間的相位差是影響"空化作用"效果的重要參數。可以利用具有特定頻率、功率和 相位差的復頻超聲波提高在超聲波清洗、超聲波提取、超聲波治療等領域的工作效率。
[0004] 超聲波電源是超聲設備的核心部件之一，其作用是發出超聲波信號驅動換能器產 生超聲振動。在目前的超聲設備中，一般采用單頻超聲波電源，即在同一時刻只能輸出一種 頻率的超聲波信號。這種超聲波電源只有一路、信號發生及功率放大單元和頻率跟蹤單元， 因此只能驅動單頻換能器工作，不能實現對復頻換能器的雙頻同時驅動。
[0005] 專利CN102350409A提出了一種多頻同時驅動式的超聲發生器及其實現方法，該 專利超聲波電源包括兩路結構相同的超聲發生電路和一套驅動復頻換能器工作的驅動電 路。驅動電路由一個數字信號合成器對兩路超聲波信號進行合成處理，之后經功率放大并 驅動復頻換能器工作。信號反饋電路利用不同的帶通濾波器從合成信號中分別提取兩路超 聲波的電壓、電流反饋信號，并由控制單元對各輸出信號的頻率和幅值進行調整。該超聲 波電源輸出的兩路超聲波信號間相互獨立，不能通過對兩路超聲波頻率、功率、相位差的協 同調整驅動復頻換能器工作在最佳狀態；在信號反饋電路中，由于帶通濾波器中心頻率和 帶寬的限制，電壓、電流信號采樣需針對不同工作頻率范圍設計不同的帶通濾波器，用來對 驅動換能器工作的合成信號進行處理，對超聲波電源的工作頻率范圍和頻率跟蹤性能有一 定的局限性；該超聲波電源在工作時需由控制單元輸出多路參數對各功能模塊進行分別控 制，控制策略比較復雜。

【發明內容】

[0006] 針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種能夠同時輸出兩路超聲波信號，并 且兩路超聲波的頻率、功率和相位差均可控制和調整的復頻超聲波電源。
[0007] 為實現上述目的，本實用新型采取以下技術方案：一種復頻超聲波電源，其特征 在于：它包括信號發生及功率放大單元、頻率跟蹤單元和控制單元；所述信號發生及功率 放大單元用于根據所述控制單元輸出的控制信號同時輸出兩路超聲波信號，并進行信號濾 波、功率放大后以驅動復頻換能器工作；所述頻率跟蹤單元根據所述信號發生及功率放大 單元的輸出對復頻換能器進行掃頻和鎖相，并將掃頻和鎖相過程中的信號反饋給所述控制 單元；所述控制單元根據所述頻率跟蹤單元的反饋信號調整所述控制信號發生及功率放大 單元的輸出頻率。
[0008] 所述信號發生及功率放大單元分為結構相同的兩路，每一路均包括一輸入端連接 所述控制單元的超聲波發生模塊，每一所述超聲波發生模塊的輸出端依次連接信號濾波 器、功放驅動模塊、功率放大器和復頻換能器；所述超聲波發生模塊根據所述控制單元發送 的控制信號產生相應頻率、占空比和具有初始相位的超聲波信號，并依次經過所述信號濾 波器濾波，濾波后的信號觸發所述功放驅動模塊工作，所述功放驅動模塊為所述功率放大 器提供驅動能量，以驅動所述功率放大器進行信號的放大，放大后的信號驅動復頻換能器 工作。
[0009] 所述頻率跟蹤單元包括兩電流信號采集模塊、兩電壓信號采集模塊、四信號濾波 器、一模擬多路開關、一相位關系判斷模塊、一第一A/D轉換器、兩相位差信號提取模塊和 兩第二A/D轉換器；每一所述功率放大器的輸出端各自對應連接一所述電流信號采集模塊 和一所述電壓信號采集模塊，每一所述電流信號采集模塊和所述電壓信號采集模塊的輸出 端均對應連接一所述信號濾波器；每一所述信號濾波器的輸出端分成兩路：一路連接所述 模擬多路開關的輸入端，所述模擬多路開關的輸出端分別連接所述相位關系判斷模塊和所 述第一A/D轉換器，所述相位關系判斷模塊和所述第一A/D轉換器的輸出端分別連接所述 控制單元；另一路依次連接所述相位差信號提取模塊、所述第二A/D轉換器和所述控制單 元；每一所述電流信號采集模塊和所述電壓信號采集模塊將采集到的兩路超聲波信號的電 流和電壓信號傳送給相應的所述信號濾波器進行濾波，然后傳送給所述模擬多路開關，所 述控制單元向所述模擬多路開關發送采樣信號切換控制信號，選通通過所述模擬多路開關 的一組電流和電壓信號，并將輸出的電流和電壓信號傳送給所述相位關系判斷模塊，實時 判斷兩者的相位關系，并將反映該相位關系的反饋信號傳送給所述控制單元，以通過所述 控制單元實現信號發生及功率放大單元輸出頻率的加頻或減頻；將輸出的電流信號傳送給 所述第一A/D轉換器，轉換后傳輸給所述控制單元，所述控制單元根據實時接收的電流值 并結合所述相位關系判斷模塊判斷反饋信號快速搜索最大電流值時對應的頻率，以形成所 述頻率跟蹤單元的掃頻功能，并通過掃頻功能分別得到復頻換能器的兩路諧振頻率，所述 控制單元根據該頻率控制所述信號發生及功率放大單元輸出相應的諧振頻率，使得復頻換 能器工作在諧振狀態；兩路所述相位差信號提取模塊提取兩路超聲波信號各自對應的電流 與電壓間相位差，并通過所述第二A/D轉換器將其轉換成反映電流和電壓相位差信息的數 字量后分別反饋給所述控制單元，以保持復頻換能器工作在諧振狀態；當任意一路的電壓 與電流之間相位差信號的數字量超出所述控制單元設定的閾值范圍時，復頻換能器失諧， 所述頻率跟蹤單元重新進入掃頻狀態。
[0010] 所述電流信號采集模塊采用電流互感器。
[0011] 所述電壓信號采集模塊采用電壓互感器。
[0012] 所述相位關系判斷模塊采用D觸發器。
[0013] 所述相位差信號提取模塊采用數字鑒相器。
[0014] 所述控制單元包括所述控制芯片、通信模塊、按鍵和顯示屏；所述控制芯片分別電 連接所述通信模塊、所述按鍵和所述顯示屏；用于控制所述信號發生及功率放大單元的頻 率、相位差和功率初始參數通過從上位機接收的所述通信模塊或通過所述按鍵鍵入的兩者 之一的方式傳送給所述控制芯片；所述控制芯片根據接收的控制信號進行控制所述信號發 生及功率放大單元的輸出頻率，并根據所述頻率跟蹤單元的反饋信號調整所述信號發生及 功率放大單元的輸出頻率，并在所述顯示屏上顯示當前工作狀態和兩路超聲波信號的參數 信息。
[0015] 本實用新型由于采取以上技術方案，其具有以下優點：1、本實用新型由于采用同 一控制芯片控制信號發生及功率放大單元同時發出兩路超聲波信號，實現兩路超聲波信號 的頻率、功率及之間相位差的控制和調整，因此控制策略簡單、方便。采用本實用新型驅動 復頻換能器工作充分利用了復頻超聲波的"空化作用"增強理論，根據復頻換能器參數特性 的不同和工況的變化，通過對兩路超聲波頻率、功率和之間相位差的控制和調整，找到最佳 工作參數，驅動復頻換能器達到最佳工作效果。2、本實用新型所用的控制芯片發出頻率、占 空比和相位差控制信號，利用數字控制技術對信號發生及功率放大單元的輸出信號進行控 制，因此輸出信號的頻率、功率和之間相位差可以精確調整。頻率跟蹤單元采用電壓信號采 集模塊、電流信號采集模塊對應采集兩路超聲波信號的電壓、電流信號，并分別采用相位關 系判斷模塊和相位差信號提取模塊對采集的電壓、電流信號進行處理后反饋回控制芯片， 實現對復頻換能器的諧振頻率搜索和跟蹤。各功能模塊對兩路超聲波信號的頻率均沒有限 制，因此本實用新型可以根據復頻換能器的工作需求，使其工作在較大頻率范圍內，適用范 圍廣泛。3、本實用新型的頻率跟蹤單元由于分為掃頻和鎖相兩部分功能：掃頻功能在復頻 換能器未達到諧振狀態時工作，通過模擬多路開關各通道的切換控制，分別由相位關系判 斷模塊判斷兩路采集信號各自的電壓、電流間相位關系，并通過搜索輸出最大電流值的方 法使兩路超聲波信號迅速搜索到相應的諧振頻率；鎖相功能在復頻換能器處在諧振狀態時 工作，通過對兩路超聲波信號的電壓、電流進行實時的相位差信號提取處理，監測本實用新 型兩路輸出超聲波信號的各自電壓、電流間相位差是否保持在閾值范圍內，通過掃頻和鎖 相功能的切換工作保持復頻換能器穩定工作在諧振狀態（即最佳狀態