一种复频超声波电源的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种电源，特别是关于一种复频超声波电源。
【背景技术】
[0002] 超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得 较集中的声能。近年来，随着科学技术的发展和对超声波研究的不断深入，超声波技术已在 众多领域中得到广泛的应用。超声波"空化作用"作为超声波作用于液体时的一种物理效 应，被广泛应用于超声波清洗、超声波提取、超声波治疗等领域。
[0003] "空化作用"是引发多种物理、化学和生物效应的主要机理。对超声波"空化作用" 的理论研究表明，复频超声波通过双频中差频产生低频的特性，改善声场均匀性，消除驻 波，较单频超声波可W显著增强"空化作用"效果。而且，其中复频超声波的频率、功率W及 两路信号间的相位差是影响"空化作用"效果的重要参数。可W利用具有特定频率、功率和 相位差的复频超声波提高在超声波清洗、超声波提取、超声波治疗等领域的工作效率。
[0004] 超声波电源是超声设备的核屯、部件之一，其作用是发出超声波信号驱动换能器产 生超声振动。在目前的超声设备中，一般采用单频超声波电源，即在同一时刻只能输出一种 频率的超声波信号。该种超声波电源只有一路信号发生及功率放大单元和频率跟踪单元， 因此只能驱动单频换能器工作，不能实现对复频换能器的双频同时驱动。
[0005] 专利CN102350409A提出了一种多频同时驱动式的超声发生器及其实现方法，该 专利超声波电源包括两路结构相同的超声发生电路和一套驱动复频换能器工作的驱动电 路。驱动电路由一个数字信号合成器对两路超声波信号进行合成处理，之后经功率放大并 驱动复频换能器工作。信号反馈电路利用不同的带通滤波器从合成信号中分别提取两路超 声波的电压、电流反馈信号，并由控制单元对各输出信号的频率和幅值进行调整。该超声 波电源输出的两路超声波信号间相互独立，不能通过对两路超声波频率、功率、相位差的协 同调整驱动复频换能器工作在最佳状态；在信号反馈电路中，由于带通滤波器中屯、频率和 带宽的限制，电压、电流信号采样需针对不同工作频率范围设计不同的带通滤波器，用来对 驱动换能器工作的合成信号进行处理，对超声波电源的工作频率范围和频率跟踪性能有一 定的局限性；该超声波电源在工作时需由控制单元输出多路参数对各功能模块进行分别控 审IJ，控制策略比较复杂。
【发明内容】
[0006] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够同时输出两路超声波信号，并且两 路超声波的频率、功率和相位差均可控制和调整的复频超声波电源。
[0007] 为实现上述目的，本发明采取W下技术方案；一种复频超声波电源，其特征在于： 它包括信号发生及功率放大单元、频率跟踪单元和控制单元；所述信号发生及功率放大单 元用于根据所述控制单元输出的控制信号同时输出两路超声波信号，并进行信号滤波、功 率放大后W驱动复频换能器工作；所述频率跟踪单元根据所述信号发生及功率放大单元的 输出对复频换能器进行扫频和锁相，并将扫频和锁相过程中的信号反馈给所述控制单元； 所述控制单元根据所述频率跟踪单元的反馈信号调整所述控制信号发生及功率放大单元 的输出频率。
[000引所述信号发生及功率放大单元分为结构相同的两路，每一路均包括一输入端连接 所述控制单元的超声波发生模块，每一所述超声波发生模块的输出端依次连接信号滤波 器、功放驱动模块、功率放大器和复频换能器；所述超声波发生模块根据所述控制单元发送 的控制信号产生相应频率、占空比和具有初始相位的超声波信号，并依次经过所述信号滤 波器滤波，滤波后的信号触发所述功放驱动模块工作，所述功放驱动模块为所述功率放大 器提供驱动能量，W驱动所述功率放大器进行信号的放大，放大后的信号驱动复频换能器 工作。
[0009] 所述频率跟踪单元包括两电流信号采集模块、两电压信号采集模块、四信号滤波 器、一模拟多路开关、一相位关系判断模块、一第一A/D转换器、两相位差信号提取模块和 两第二A/D转换器；每一所述功率放大器的输出端各自对应连接一所述电流信号采集模块 和一所述电压信号采集模块，每一所述电流信号采集模块和所述电压信号采集模块的输出 端均对应连接一所述信号滤波器；每一所述信号滤波器的输出端分成两路；一路连接所述 模拟多路开关的输入端，所述模拟多路开关的输出端分别连接所述相位关系判断模块和所 述第一A/D转换器，所述相位关系判断模块和所述第一A/D转换器的输出端分别连接所述 控制单元；另一路依次连接所述相位差信号提取模块、所述第二A/D转换器和所述控制单 元；每一所述电流信号采集模块和所述电压信号采集模块将采集到的两路超声波信号的电 流和电压信号传送给相应的所述信号滤波器进行滤波，然后传送给所述模拟多路开关，所 述控制单元向所述模拟多路开关发送采样信号切换控制信号，选通通过所述模拟多路开关 的一组电流和电压信号，并将输出的电流和电压信号传送给所述相位关系判断模块，实时 判断两者的相位关系，并将反映该相位关系的反馈信号传送给所述控制单元，W通过所述 控制单元实现信号发生及功率放大单元输出频率的加频或减频；将输出的电流信号传送给 所述第一A/D转换器，转换后传输给所述控制单元，所述控制单元根据实时接收的电流值 并结合所述相位关系判断模块判断反馈信号快速捜索最大电流值时对应的频率，W形成所 述频率跟踪单元的扫频功能，并通过扫频功能分别得到复频换能器的两路谐振频率，所述 控制单元根据该频率控制所述信号发生及功率放大单元输出相应的谐振频率，使得复频换 能器工作在谐振状态；两路所述相位差信号提取模块提取两路超声波信号各自对应的电流 与电压间相位差，并通过所述第二A/D转换器将其转换成反映电流和电压相位差信息的数 字量后分别反馈给所述控制单元，W保持复频换能器工作在谐振状态；当任意一路的电压 与电流之间相位差信号的数字量超出所述控制单元设定的阔值范围时，复频换能器失谐， 所述频率跟踪单元重新进入扫频状态。
[0010] 所述电流信号采集模块采用电流互感器。
[0011] 所述电压信号采集模块采用电压互感器。
[0012] 所述相位关系判断模块采用D触发器。
[0013] 所述相位差信号提取模块采用数字鉴相器。
[0014] 所述控制单元包括所述控制巧片、通信模块、按键和显示屏；所述控制巧片分别电 连接所述通信模块、所述按键和所述显示屏；用于控制所述信号发生及功率放大单元的频 率、相位差和功率初始参数通过从上位机接收的所述通信模块或通过所述按键键入的两者 之一的方式传送给所述控制巧片；所述控制巧片根据接收的控制信号进行控制所述信号发 生及功率放大单元的输出频率，并根据所述频率跟踪单元的反馈信号调整所述信号发生及 功率放大单元的输出频率，并在所述显示屏上显示当前工作状态和两路超声波信号的参数 f目息。
[0015] 本发明由于采取W上技术方案，其具有W下优点；1、本发明由于采用同一控制巧 片控制信号发生及功率放大单元同时发出两路超声波信号，实现两路超声波信号的频率、 功率及之间相位差的控制和调整，因此控制策略简单、方便。采用本发明驱动复频换能器工 作充分利用了复频超声波的"空化作用"增强理论，根据复频换能器参数特性的不同和工况 的变化，通过对两路超声波频率、功率和之间相位差的控制和调整，找到最佳工作参数，驱 动复频换能器达到最佳工作效果。2、本发明所用的控制巧片发出频率、占空比和相位差控 制信号，利用数字控制技术对信号发生及功率放大单元的输出信号进行控制，因此输出信 号的频率、功率和之间相位差可W精确调整。频率跟踪单元采用电压信号采集模块、电流信 号采集模块对应采集两路超声波信号的电压、电流信号，并分别采用相位关系判断模块和 相位差信号提取模块对采集的电压、电流信号进行处理后反馈回控制巧片，实现对复频换 能器的谐振频率捜索和跟踪。各功能模块对两路超声波信号的频率均没有限制，因此本发 明可W根据复频换能器的工作需求，使其工作在较大频率范围内，适用范围广泛。3、本发明 的频率跟踪单元由于分为扫频和锁相两部分功能：扫频功能在复频换能器未达到谐振状态 时工作，通过模拟多路开关各通道的切换控制，分别由相位关系判断模块判断两路采集信 号各自的电压、电流间相位关系，并通过捜索输出最大电流值的方法使两路超声波信号迅 速捜索到相应的谐振频率；锁相功能在复频换能器处在谐振状态时工作，通过对两路超声 波信号的电压、电流进行实时的相位差信号提取处理，监测本发明两路输出超声波信号的 各自电压、电流间相位差是否保持在阔值范围内，通过扫频和锁相功能的切换工作保持复 频换能器稳定工作在谐振状态（即最佳状态），因此