1 引言

压电陶瓷在交变电场作用下能产生电致伸缩效应 ，压电陶瓷超声波换能器在交变电场作用下能产生振动 ，共振时能产生很强的超声波 。由于压电陶瓷为容性器件 ，因此在压电陶瓷超声波换能器馈电电路中 。常采用电感与压电陶瓷配合构成 LC 谐振电路 对这类 LC谐振馈电电路 谐振频率由压电陶瓷的等效电容值 ，电感值 晶体管的放大倍数 放大电路的工作点 反馈系数 工作温度等参数决定 由于标称共振频率为 28kHz 的压电陶瓷换能器具有较大离散性 其共振频率一般在 26 —32kHz 范围 且共振峰的半宽度一般小于200Hz 因此采用 LC 谐振电路为压电陶瓷超声波换能器馈电存在以下问题 一是电路调整难 需调整多个参数才能使换能器工作在共振点 如调整工作点 反馈系数 二是对元器件特性要求高 如晶体管的放大倍数需要筛选 配对的电感值误差不能太大 三是工作不稳定 环境温度的变化将使谐振频率偏离共振点 换能器摩损导致其质量变化 使共振频率发生变化 这些问题导致存压电陶瓷超声波换能器的生产工艺复杂 不利于批量生产利用单片机控制技术可非常简便地解决这些问题 本文介绍利用 PIC16C712 单片机 PWM技术 变频技术设计压电陶瓷超声波换能器馈电电路的方案 该方案在实际生产中效果良好。

2 电路原理

PIC16C712 是由美国 MICROCHIP 公司生产的 8 位高性能单片机 ,其运行速度快 当振荡频率为 20MHz时 ,一个机器周期为 200ns ,片内带有 4 路 8 位 A/D 转换器 一路捕捉输入/比较输出/PWM脉宽调制输出 (即 CCP模块),图一所示为单片机控制的压电陶瓷超声波换能器的馈电电路 PIC16C712 单片机的 CCP模块设置为 PWM输出模式,作为换能器的振荡信号源 输出信号经 TIP122 达林顿功率管 Q1 驱动, 由高频变压器 T1 输出高频电压,加载在压电陶瓷超声波换能器上 使换能器产生振荡 如果 PWM的输出信号频率为压电陶瓷超声波换能器共振频率时, 则高频变压器初级线圈的电流最大 采样反馈电阻 Rf 的阻值为 0.05 欧姆 把流经高频变压器 T1 初级的电流转换成电压信号 高频变压器的初级线圈工作电流为 0.5A 2.0A 经过差动运算放大器 IC2放大 ,滤波后的电压在 0.75V 3.0V范围, 该信号作为反馈信号 VR 由 PIC16C712 的 RA2 引脚输入 ,该引脚为模拟量 AN2 输入端 ,这样构成一个闭环控制系统.

当 PIC16C712 的 CCP模块工作于 PWM 模式时, PIC16C712 内有 4 个特殊功能寄存器TMR2 PR2 CCPR1L CCP1CON 用于控制 PWM输出脉冲的周期和脉冲宽度 其等效电路图如图二所示 PWM输出脉冲信号的周期由以下公式决定: