杭州应用声学研究所 浙江杭州 310023
摘要：将压电式超声换能器作为对象，对超声电源进行了有效设计，此超声电源有着比较大的优势，其性能比较优越。在此中，对dsPIC30F4011单片机进行了充分应用，将其作为控制核心。同时，对PWM技术进行了有效应用，为超声电源输出功率等的可调性提供了有效保障。在本文中，对系统总体设计、超声电源主电路设计dsPIC30F4011单片机主控部分设计分别进行了探究。
关键词：压电式；脉冲超声波发生器；激励电源；设计
近年来，我国科学技术迅猛发展，在多种领域中都对超声波进行了充分应用，对人们的生活和生产等产生了非常重要的影响。在超声换能器中，超声电源占据着至关重要的位置，能够为其提供电能，对压电超声换能器进行有效激励，使其发生相应转换，实现超声电源产生的电能向机械能的转换。当下，对于超声电源来说，均是将换能器作为重要依据，完成高度定制化设计[1]。
一、系统总体设计
从本质上讲，超声电源是一个功率信号发生器，从中产生一个同脉冲信号相同的正弦，然后对其进行功率放大处理，通过此操作之后，在网络匹配单元中通过阻抗匹配，使输出的最终阻抗成为纯阻性，同时，对大功率电信号激励探头产生相应作用，使其产生机械振动，由此，产生超声波。
在系统中，主要包括两个方面的内容，分别是dsPIC30F4011单片机主控部分和超声电源主电路。对 dsPIC30F4011单片机进行有效应用，使其作用得到充分发挥，产生PWM调制信号，然后，使其经过两路AD，完成对PWM频率和占空比的调节，与此同时，对1602液晶进行相应应用，主要将两部分内容显示在上面，分别是超声电源的频率和功率等级。dsPIC30F4011单片机输出PWM调制信号，然后通过隔离电路和驱动电路，将其输送到超声电源的核心电路逆变电路控制功率开关管的通断，完成直流电压向脉冲电压的转变，在此基础上，通过合理的阻抗匹配网络得到驱动换能器的正弦交流电压[2]。
二、超声电源主电路设计
（一）首先，对超声电源主电路结构进行相应阐述。在超声电源主电路中包括了多个部分，主要包括隔离电路、驱动电路、逆变电路和阻抗匹配电路。其工作有着相应顺序和流程，单片机产生PWM波，然后通过隔离和驱动电路，将其输送到逆变电路，在此使其作用得到有效发挥，对功率开关管进行相应驱动，再是逆变电路输出脉冲波，使其通过阻抗匹配电路，对压电超声波换能器产生一定激励作用[3]。
然后，对超声电源核心电路逆变电路设计进行相应研究。此电路能够通过功率开关管的通断完成直流电压向脉冲电压的转变。从功率开关管的角度来说，当其处于开关状态的时候，其功率消耗低转换功率高，可以完成大功率输出。将电路结构作为主要依据，对逆变电路进行相应分类，能够将其分成三种类型，分别是推挽式逆变、半桥逆变和全桥逆变。其中，半桥逆变电路结构是比较简单的，同时，其抗磁通不平衡能力比较强，在此系统中，对半桥逆变电路进行了充分应用。
上图中，C1、C2与Q1、Q2组成桥路，C1与C2是相等的，将Q1、Q2导通降压设定成V。两只功率开关管Q1、Q2在一堆方波脉冲PWM1_15V、PWM2_15V的触发下轮流掉导通和截止，由此实现直流电压向高频电波的转换。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆然后，对其工作流程进行相应阐述和分析：在Q1导通、Q2截止的时候，由于C1与C2是相等的，所以，V0=VCC/2-V。在Q1截止，Q2开通的时候，V0=-（VCC/2-V），在这个时候，P2端输出变成负数。然后，电路再进入Q1导通、Q2截止的状态中，电路的工作依照这个顺序和流程进行循环。此处，两只功率管之能够交替进行导通和截止，是不能够同时导通的。这种现象的存在是有着相应原因的，主要是如果两只功率管在同一时间导通的话，或在瞬时间造成一个大电流流过开关管，非常容易将管子烧毁，并且可能会波及到其他的部件。在此情况下，需要将开关管Q1、Q2的动态响应时间作为重要依据和参照，在PWM1_15V和PWM2_15V之间进行死区时间的设置[4]。
逆变电路的输出频率也就是驱动波形PWM1_15V和PWM2_15V的频率，输出频率P0=V02/Z，Z所代表的是超声换能器的阻抗。V0=VCC.?.n，?所表示的是驱动方波的占空比，n所表示的是变压器原副边电压比。因为VCC和n都是定值，所以，在此系统中对调节占空比的方式进行了充分应用，由此对超声电源的功率进行相应调整。
三、dsPIC30F4011单片机主控电路设计
（一）首先，对半桥逆变电路的驱动波形PWM的产生进行相应分析。dsPIC30F4011单片机主控电路有自身需要承担的工作，主要是产生两路调制PWM波。此PWM波也有着比较重要的作用和功能，能够对超声电源核心电路半桥逆变电路进行有效驱动，所以，其能够对半桥逆变电路对于驱动波形的要求和规定进行有效满足。主要包括三个方面的内容：其一，频率和占空比之间是相等的；其二，两路PWM相位是有着相应差距的，两者之间相差180度。其三，这两种PWM波之间也有着相应死区时间。要对此死区时间进行相应确定，需要将逆变电路应用的功率开关管的相应特征作为重要依据和参照。在此系统功率开关管中所应用的是SGH80N60UFD，此种开关管的导通和截止的响应时间最长是353ns，所以，死区时间必须要比此时间大，这样的要求是有着相应原因的，其发挥着非常重要的作用和影响，主要是能够对两种功率管进行相应管理和控制，避免其出现在同一时间导通的现象和问题。除此之外，对驱动芯片有可能带来的响应延时进行充分考虑也是非常必要的，在此系统中，对死区时间进行了相应设计，使其保持在1μs，能够在比较大的程度上为系统的稳定性和安全性提供重要保障。
（二）然后，对单片机其他控制部分的设计进行相应说明。在本系统中，对超声电源进行了相应设计，能够对电源的频率和功率的可调性进行有效实现。超声电源所输出的频率是驱动波形PWM的频率，那么，超声电源的功率是：
P0=VCC2.?2.n2/Z
在以上式子中，逆变电路的供电电压和变压器的原副边比均是定值。在此条件下，超声电源的输出功率与PWM的占空比之间有着比较密切的联系，与此同时，同超声换能器的阻抗有着相应关系。在将超声电源与不同种类的超声换能器相互连接的时候，超声电源的功率有着相应差异。所以，在此系统中，对PWM的占空比进行了充分应用，将其作为重要依据和参照，对功率进行相应比对和衡量。
结语：
在此系统中，对dsPIC30F4011单片机进行了全面应用，同时将半桥逆变电路作为重要基础，在此条件下开展相应设计，对超声电源进行了设计，此种超声电源有着比较鲜明的优势和功能，其性能是非常优越的。除此之外，对PWM调制技术也进行了有效应用，使其作用和影响得到充分发挥，为超声电源频率和功率的可调性提供重要保障。
参考文献
[1]姚俊，陈骥，张旭茹，赵晓明. 压电式脉冲超声波发生器激励电源的设计[J]. 电子设计工程，2015，23（24）：56-59.
[2]曹帅，李守军，刘大明. 浅析超声波位置传感器的原理及应用[J]. 甘肃科技纵横，2012，41（05）：34-35.
[3]赵清万，尤靖辉. 浅谈传感器在监理检验行业中的应用及作用[J]. 化工管理，2013，（22）：138-141.
[4]胡晓，巴力登. 基于AT89C52的超声波测距系统设计[J]. 工业控制计算机，2014，27（02）：125-126.
论文作者:王钊利
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/28
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