一种超声波电源的负载阻抗跟踪单元的制作方法

本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及一种超声波电源的负载阻抗跟踪单元。

背景技术：

超声波电源，是一种用于产生并向超声波换能器提供超声能量的装置。超声波电源的作用是将市电等输入的电信号转换为与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，将该高频交流电信号作为驱动信号来驱动超声波换能器工作。

超声波电源输出的驱动信号的频率与超声波换能器的谐振频率相等时，超声波换能器的输出功率才最大。超声波换能器在工作时，因为所加负载以及振动系统自身的刚度、温度等发生改变，会造成谐振频率的漂移，如果驱动信号不能随着超声波换能器的谐振频率的变化而改变，那么，超声波换能器的输出功率就会降低。在现有技术中，超声波电源的驱动信号的频率一般是固定不变的，这样，就会使得超声波换能器的输出功率降低。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种超声波电源的负载阻抗跟踪单元，能够提高超声波换能器的输出功率。

本实用新型实施例提供了一种超声波电源的负载阻抗跟踪单元，包括：

采集电路和负载阻抗处理芯片；

所述采集电路，用于对超声波换能器的当前信号波形进行实时采集，将采集到的所述当前信号波形发送给所述负载阻抗处理芯片；

所述负载阻抗处理芯片，用于根据所述当前信号波形生成用于控制超声波换能器的脉冲电信号频率的控制信号；

所述采集电路，包括：

滤波器的输入端与超声波换能器相连，所述滤波器的输出端与第一电容的第一端相连，所述第一电容的第二端与第一电阻的第一端相连，所述第一电阻的第二端分别与第二电容的第一端、第一运算放大器的同相输入端相连，所述第二电容的第二端接地，所述第一运算放大器的输出端分别与所述第一运算放大器的反相输入端、第二运算放大器的同相输入端相连，所述第二运算放大器的反相输入端接地，所述第二运算放大器的输出端与所述负载阻抗处理芯片的第一输入端相连；

第二电阻的第一端与所述超声波换能器相连，所述第二电阻的第二端分别与第三电阻的第一端、第三电容的第一端相连，第三电阻的第二端接地，所述第三电容的第二端与第四电阻的第一端相连，所述第四电阻的第二端分别与第四电容的第一端、第三运算放大器的同相输入端相连，所述第四电容的第二端接地，所述第三运算放大器的输出端分别与所述第三运算放大器的反相输入端、第四运算放大器的同相输入端相连，所述第四运算放大器的反相输入端接地，所述第四运算放大器的输出端与所述负载阻抗处理芯片的第二输入端相连。

进一步地，

进一步包括：脉冲信号输出电路；

所述脉冲信号输出电路，包括：

第一驱动芯片的高端输入引脚与所述负载阻抗处理芯片的第一输出端相连，所述第一驱动芯片的高端输入引脚与第二驱动芯片的低端输入引脚相连；

第二驱动芯片的高端输入引脚与所述负载阻抗处理芯片的第二输出端相连，所述第二驱动芯片的高端输入引脚与第一驱动芯片的低端输入引脚相连；

第五电阻的第一端与所述第一驱动芯片的低端输入引脚相连，所述第五电阻的第二端与第六电阻的第一端相连，所述第六电阻的第二端与所述第二驱动芯片的低端输入引脚相连，所述第五电阻的第二端接第一电压；

所述第一驱动芯片的高端浮动供电引脚与第一二极管的负极相连，所述第一二极管的正极接第二电压；所述第一驱动芯片的高端浮动供电反馈引脚与所述超声波换能器相连，所述第一驱动芯片的低端反馈引脚接第三电压；所述第一驱动芯片的低端供电引脚接所述第二电压；第二二极管的正极与所述第一驱动芯片的高端浮动供电反馈引脚相连，所述第二二极管的负极与所述第一驱动芯片的高端输出引脚相连；第三二极管的正极接地，第三二极管的负极与所述第一驱动芯片的低端输出引脚相连；第五电容的第一端与所述第一驱动芯片的高端浮动供电反馈引脚相连，所述第五电容的第二端与所述第一驱动芯片的高端浮动供电引脚相连；第六电容的第一端与所述第一驱动芯片的低端供电引脚相连，所述第六电容的第二端接所述第三电压；

所述第二驱动芯片的高端浮动供电引脚与第四二极管的负极相连，所述第四二极管的正极接所述第二电压；所述第二驱动芯片的高端浮动供电反馈引脚与所述超声波换能器相连，所述第二驱动芯片的低端反馈引脚接所述第三电压；所述第二驱动芯片的低端供电引脚接所述第二电压；第五二极管的正极与所述第二驱动芯片的高端浮动供电反馈引脚相连，所述第五二极管的负极与所述第二驱动芯片的高端输出引脚相连；第六二极管的正极接地，第六二极管的负极与所述第二驱动芯片的低端输出引脚相连；第七电容的第一端与所述第二驱动芯片的高端浮动供电反馈引脚相连，所述第七电容的第二端与所述第二驱动芯片的高端浮动供电引脚相连；第八电容的第一端与所述第二驱动芯片的低端供电引脚相连，所述第八电容的第二端接所述第三电压。

进一步地，

所述第一电容的大小为0.1uf；

所述第二电容的大小为0.33uf；

所述第三电容的大小为0.1uf；

所述第四电容的大小为0.33uf。

进一步地，

所述第一电阻的大小为51kΩ；

所述第二电阻的大小为300kΩ；

所述第三电阻的大小为2.5kΩ；

所述第四电阻的大小为51kΩ。

进一步地，

所述负载阻抗处理芯片包括芯片STM32F103VET6。

进一步地，

所述第一电压为+3.3v；

所述第二电压为+12v；

所述第三电压为-12v。

进一步地，

所述第五电阻的大小是10kΩ；

所述第六电阻的大小是10kΩ。

在本实用新型实施例中，采集电路能够对超声波换能器的当前信号波形进行实时跟踪，负载阻抗处理芯片能够根据超声波换能器的当前信号波形确定超声波换能器对应的当前负载阻抗，进而能够确定与超声波换能器的当前谐振频率相匹配的目标频率，控制超声波电源向超声波换能器输出频率为目标频率的脉冲电信号，使得脉冲电信号的频率与超声波换能器的当前谐振频率相匹配，提高了超声波换能器的输出功率。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种超声波电源的负载阻抗跟踪单元的电路图；

图2是本实用新型实施例提供的另一种超声波电源的负载阻抗跟踪单元的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种超声波电源的负载阻抗跟踪单元，包括：

采集电路和负载阻抗处理芯片；

所述采集电路，用于对超声波换能器的当前信号波形进行实时采集，将采集到的所述当前信号波形发送给所述负载阻抗处理芯片；

所述负载阻抗处理芯片，用于根据所述当前信号波形确定所述超声波换能器对应的当前负载阻抗，根据所述当前负载阻抗确定与所述超声波换能器的当前谐振频率相匹配的目标频率，控制超声波电源向所述超声波换能器输出频率为所述目标频率的脉冲电信号；

所述采集电路，包括：

滤波器U1的输入端与超声波换能器相连，所述滤波器U1的输出端与第一电容C1的第一端相连，所述第一电容C1的第二端与第一电阻R1的第一端相连，所述第一电阻R1的第二端分别与第二电容C2的第一端、第一运算放大器U2的同相输入端相连，所述第二电容C2的第二端接地，所述第一运算放大器U2的输出端分别与所述第一运算放大器U2的反相输入端、第二运算放大器U7的同相输入端相连，所述第二运算放大器U7的反相输入端接地，所述第二运算放大器U7的输出端与所述负载阻抗处理芯片U6的第一输入端相连；

第二电阻R2的第一端与所述超声波换能器相连，所述第二电阻R2的第二端分别与第三电阻R3的第一端、第三电容C3的第一端相连，第三电阻R3的第二端接地，所述第三电容C3的第二端与第四电阻R4的第一端相连，所述第四电阻R4的第二端分别与第四电容C4的第一端、第三运算放大器U8的同相输入端相连，所述第四电容C4的第二端接地，所述第三运算放大器U8的输出端分别与所述第三运算放大器U8的反相输入端、第四运算放大器U5的同相输入端相连，所述第四运算放大器U5的反相输入端接地，所述第四运算放大器U5的输出端与所述负载阻抗处理芯片U6的第二输入端相连。

在本实用新型实施例中，采集电路能够对超声波换能器的当前信号波形进行实时跟踪，负载阻抗处理芯片能够根据超声波换能器的当前信号波形确定超声波换能器对应的当前负载阻抗，进而能够确定与超声波换能器的当前谐振频率相匹配的目标频率，控制超声波电源向超声波换能器输出频率为目标频率的脉冲电信号，使得脉冲电信号的频率与超声波换能器的当前谐振频率相匹配，提高了超声波换能器的输出功率。

在本实用新型实施例中，负载阻抗跟踪单元对超声波换能器的负载阻抗进行实时跟踪，通过超声波换能器的负载阻抗，实时确定超声波电源的频率、占空比、电压并及时控制这些参数的输出，使整个系统处于最佳的工作状态，使超声波电源与超声波换能器相匹配，提高超声波换能器的工作效率。

在本实用新型实施例中，第一电容C1的大小可以为0.1uf，第二电容C2的大小可以为0.33uf，第三电容C3的大小可以为0.1uf，第四电容C4的大小可以为0.33uf。

第一电阻R1的大小可以为51kΩ，第二电阻R2的大小可以为300kΩ，第三电阻R3的大小可以为2.5kΩ，第四电阻R4的大小可以为51kΩ。

负载阻抗处理芯片可以通过ARM来实现，具体地，可以通过芯片STM32F103VET6来实现。

另外，滤波器的VCC引脚与第九电容C9的第一端相连，第九电容C9的第二端接地，滤波器的VCC引脚接+5v电压。滤波器的FILTER引脚与第十电容C10的第一端相连，第十电容C10的第二端接地。

第九电容C9的大小可以为0.33f，第十电容C10的大小可以为1nf。

在本实用新型实施例中，负载阻抗处理芯片向匹配网络输出的用于控制脉冲电信号的频率的控制信号可以是PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号。

在本实用新型一实施例中，所述负载阻抗处理芯片，在执行所述根据所述当前信号波形确定所述超声波换能器对应的当前负载阻抗时，具体用于：

对所述采集电路输入的所述当前信号波形进行傅里叶变换，得到傅里叶变换的第一结果；

对所述第一结果进行数字滤波处理，滤除所述第一结果中的谐频分量，得到数字滤波处理后的第二结果；

根据所述第二结果，确定所述超声波换能器对应的当前负载阻抗。

在本实用新型实施例中，当前信号波形可以包括电压信号、电流信号。具体地，可以通过滤波器的输入端采集电流信号，通过第二电阻R2的第一端采集电压信号。

在本实用新型实施例中，通过对采集到的当前信号波形进行傅里叶变换，再进行频点提取，有效确保了精度，使捕捉到的频率更准确。

在本实用新型一实施例中，负载阻抗跟踪单元进一步包括：脉冲信号输出电路；

所述脉冲信号输出电路，包括：

第一驱动芯片U7的高端输入引脚(HIN引脚)与所述负载阻抗处理芯片U6的第一输出端相连，接收负载阻抗处理芯片输出的第一PWM控制信号，并且所述第一驱动芯片U7的高端输入引脚(HIN引脚)与第二驱动芯片U8的低端输入引脚(LIN引脚)相连；

第二驱动芯片U8的高端输入引脚(HIN引脚)与所述负载阻抗处理芯片U6的第二输出端相连，接收负载阻抗处理芯片输出的第二PWM控制信号，并且所述第二驱动芯片U8的高端输入引脚(HIN引脚)与第一驱动芯片U7的低端输入引脚(LIN引脚)相连；

第五电阻R5的第一端与所述第一驱动芯片U7的低端输入引脚相连，所述第五电阻R5的第二端与第六电阻R6的第一端相连，所述第六电阻R6的第二端与所述第二驱动芯片U8的低端输入引脚相连，所述第五电阻R5的第二端接第一电压；

所述第一驱动芯片U7的高端浮动供电引脚(VB引脚)与第一二极管D1的负极相连，所述第一二极管D1的正极接第二电压；所述第一驱动芯片U7的高端浮动供电反馈引脚(VS引脚)与所述超声波换能器相连，所述第一驱动芯片U7的低端反馈引脚(COM引脚)接第三电压；所述第一驱动芯片U7的低端供电引脚(VCC引脚)接所述第二电压；第二二极管D7的正极与所述第一驱动芯片U7的高端浮动供电反馈引脚(VS引脚)相连，所述第二二极管D2的负极与所述第一驱动芯片U7的高端输出引脚(HO引脚)相连；第三二极管D3的正极接地，第三二极管D3的负极与所述第一驱动芯片U7的低端输出引脚(LO引脚)相连；第五电容C5的第一端与所述第一驱动芯片U7的高端浮动供电反馈引脚(VS引脚)相连，所述第五电容C5的第二端与所述第一驱动芯片U7的高端浮动供电引脚(VB引脚)相连；第六电容C6的第一端与所述第一驱动芯片U7的低端供电引脚(VCC引脚)相连，所述第六电容C6的第二端接所述第三电压；

所述第二驱动芯片U8的高端浮动供电引脚(VB引脚)与第四二极管D4的负极相连，所述第四二极管D4的正极接所述第二电压；所述第二驱动芯片U8的高端浮动供电反馈引脚(VS引脚)与所述超声波换能器相连，所述第二驱动芯片U8的低端反馈引脚(COM引脚)接所述第三电压；所述第二驱动芯片U8的低端供电引脚(VCC引脚)接所述第二电压；第五二极管D5的正极与所述第二驱动芯片U8的高端浮动供电反馈引脚(VS引脚)相连，所述第五二极管D5的负极与所述第二驱动芯片U8的高端输出引脚(HO引脚)相连；第六二极管D6的正极接地，第六二极管D6的负极与所述第二驱动芯片U8的低端输出引脚(LO引脚)相连；第七电容C7的第一端与所述第二驱动芯片U8的高端浮动供电反馈引脚(VS引脚)相连，所述第七电容C7的第二端与所述第二驱动芯片U8的高端浮动供电引脚(VB引脚)相连；第八电容C8的第一端与所述第二驱动芯片U8的低端供电引脚(VCC引脚)相连，所述第八电容C8的第二端接所述第三电压。

在本实用新型实施例中，第一驱动芯片可以通过芯片IR2113来实现，第二驱动芯片可以通过芯片IR2113来实现。

第一电压可以是+3.3v，第二电压可以是+12v，第三电压可以是-12v。

另外，第一驱动芯片的VSS引脚接第三电压，第一驱动芯片的VDD引脚接第二电压。第二驱动芯片的VSS引脚接第三电压，第二驱动芯片的VDD引脚接第二电压。

第五电阻R5的大小可以是10kΩ，第六电阻R6的大小可以是10kΩ。

如图2所示，本实用新型实施例提供的一种超声波电源的负载阻抗跟踪单元的电路图，图中示出了脉冲信号输出电路和负载阻抗处理芯片。负载阻抗处理芯片通过第一输出端和第二输出端向第一驱动芯片和第二驱动芯片发送控制信号，使得脉冲信号输出电路输出频率为目标频率的脉冲电信号。

超声波换能器的当前信号波形包括超声波换能器的当前电流波形，超声波换能器的当前电压波形。

本实用新型各个实施例至少具有如下有益效果：

1、在本实用新型实施例中，采集电路能够对超声波换能器的当前信号波形进行实时跟踪，负载阻抗处理芯片能够根据超声波换能器的当前信号波形确定超声波换能器对应的当前负载阻抗，进而能够确定与超声波换能器的当前谐振频率相匹配的目标频率，控制超声波电源向超声波换能器输出频率为目标频率的脉冲电信号，使得脉冲电信号的频率与超声波换能器的当前谐振频率相匹配，提高了超声波换能器的输出功率。

2、在本实用新型实施例中，负载阻抗跟踪单元对超声波换能器的负载阻抗进行实时跟踪，通过超声波换能器的负载阻抗，实时确定超声波电源的频率、占空比、电压并及时控制这些参数的输出，使整个系统处于最佳的工作状态，使超声波电源与超声波换能器相匹配，提高超声波换能器的工作效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。