Page 73 - 《应用声学》2023年第4期

第 42 卷 第 4 期 刘宁庄等： 超声波电源中数字鉴相器设计 735

器。由 FPGA 作为主控制器，换能器的电压信号经 对值为 0.256 ，异或门鉴相器最大误差绝对值为
◦
过换能器两端并联电容分压，电流信号通过电流互 1.094 。
◦
感器再分别经过 AD 采集电路进入主控制器，主控
+
制器对数据进行处理后产生脉冲宽度调制波，经过
驱动电路控制逆变电路完成对整个电源系统频率
的跟踪与调节。图8(b)为系统控制电路实物照片。 Z + +

டื ໚ฉ ᤤԫ ԫԍ Ӝᦡ ૱ᑟ
࣊ႃ ႃ᡹ ႃ᡹ ႃ᡹ ٨ ႃ᡹ ٨ +

᯶ү
ႃ᡹
(a) ฾᧚͌ᄾവی
PWM 100
വڱ
ੳᮠ AD 50
വڱ ᯶ү 0
ᮠဋ ᄱͯ/(O)
ᡲᢎ -50
-100
᧝ᄱ ໚ฉ AD 1.96 1.98 2.00 2.02 2.04 2.06 2.08
ᝏୗࡖ CPU
٨ ٨ ᧔ᬷ
4
ᮠဋ/(10 Hz)
(b) ᄱͯྲভ
(a) ᡔܦฉႃູጇፒ಴ڏ
图 9 测量仿真模型和相位特性
Fig. 9 Measure simulation models and phase char-
acteristics

表 3 鉴相结果
Table 3 Phase detection result

信号 理论相位 数字鉴相器 20 次 异或门鉴相器 20 次
(b) ଍҄ႃ᡹
频率/kHz 差/( ) 测量值的平均值/( ) 测量值的平均值/( )
◦
◦
◦
图 8 超声波电源系统框图与控制电路 19.899 0.858 0.799 1.055
Fig. 8 Ultrasonic power system block diagram 19.904 18.231 18.389 17.156
and control circuit 19.908 32.542 32.403 33.214
选用 20 kHz 的换能器作为实验对象，通过阻 19.913 43.264 43.520 42.970
抗分析仪测量得到换能器等效电路模型的各个 19.918 51.083 51.226 49.989
参数分别为静态电容 C 0 = 18.206 nF、等效电阻 19.923 56.837 56.842 56.578
R 1 = 12.13 Ω、等效电感 L 1 = 61.39 mH、等效 19.928 61.165 61.269 60.956
电容 C 1 = 1.0421 nF。计算可知串联谐振频率为 19.933 64.503 64.612 64.643
19898 Hz，根据等效参数在专业仿真软件中建立仿
2.0
真模型如图 9(a) 所示，图 9(b) 显示了在不同频率的 ஝ߚ᧝ᄱ٨ឨࣀ
1.5
信号驱动下，换能器两端电压、电流相位特性。 1.0 पੋ᫃᧝ᄱ٨ឨࣀ
为测试数字鉴相器性能，在换能器串联谐振点 ᝈए/(O) 0.5
附近，选取一组不同频率的信号驱动换能器，将电 0
压、电流之间的理论相位差分别与数字鉴相器和 -0.5
-1.0
异或门鉴相器的测量值进行对比，具体数据如表 3 19.895 19.900 19.905 19.910 19.915 19.920 19.925 19.930 19.935
所示。 ᮠဋ/kHz
对表 3 鉴相结果中的数据进行误差分析，如 图 10 误差对比分析
图 10 所示。实验测试表明数字鉴相器最大误差绝 Fig. 10 Error comparative analysis