長(zhǎng)春理工大學(xué) 古先毅

基于FPGA的壓電換能器阻抗檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)春理工大學(xué) 古先毅

本論文首先分析了壓電換能器阻抗受溫度、預(yù)應(yīng)力的影響情況，闡明實(shí)時(shí)檢測(cè)其阻抗的重要性，設(shè)計(jì)了基于FPGA的實(shí)時(shí)檢測(cè)壓電換能器阻抗的硬件電路，主要分為阻抗模檢測(cè)電路、阻抗角檢測(cè)電路，并由FPGA并行控制兩路AD采集阻抗模數(shù)據(jù)及阻抗角數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，提升了實(shí)時(shí)檢測(cè)壓電換能器阻抗的準(zhǔn)確度，為壓電換能器的動(dòng)態(tài)匹配提供可靠的數(shù)據(jù)。

FPGA；壓電換能器；阻抗檢測(cè)

1 引言

隨著壓電換能器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，如超聲清洗、超聲熱鍵合、超聲切割等等，如何高效地驅(qū)動(dòng)壓電換能器始終是研究熱點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)大量文獻(xiàn)大多以研究動(dòng)態(tài)匹配使壓電換能器達(dá)到阻抗匹配的方法為主，自鮑善惠[1]提出了動(dòng)態(tài)匹配的概念，強(qiáng)調(diào)了效率的重要性，國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)態(tài)匹配的研究持續(xù)不斷，朱武[2]等針對(duì)靜態(tài)夾持電容隨溫變化的特性提出通過(guò)切換數(shù)字電感的方式提升匹配效率，孔權(quán)[3]通過(guò)C8051F015在線檢測(cè)阻抗并用步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)達(dá)到諧振和變阻的目的，鐘龍[4]設(shè)計(jì)了基于STM32的動(dòng)態(tài)阻抗匹配超聲波電源，僅跟蹤了諧振頻率，并未動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)匹配電路，楊芳[5]同樣采用單片機(jī)來(lái)檢測(cè)壓電換能器阻抗并通過(guò)切換電感，使壓電換能器實(shí)時(shí)阻抗匹配。壓電換能器應(yīng)用場(chǎng)合不一樣時(shí)，阻抗變化的情況不好一一分析，故本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的壓電換能器檢測(cè)系統(tǒng)，降低阻抗角與阻抗模數(shù)據(jù)可能存在的不對(duì)應(yīng)性，可精確地檢測(cè)壓電換能器阻抗，為調(diào)節(jié)匹配電路提供數(shù)據(jù)依據(jù)，從而提高匹配效率，使壓電超聲換能器高效地工作。

2 壓電換能器實(shí)時(shí)阻抗檢測(cè)意義

壓電換能器的材料為壓電陶瓷，壓電陶瓷只有在某一溫度范圍才具有壓電性能，當(dāng)溫度達(dá)到居里點(diǎn)時(shí)，壓電陶瓷內(nèi)部的電疇結(jié)構(gòu)即告解體，失去壓電性能，因此溫度是影響其電學(xué)性質(zhì)的一大外界因數(shù)，而大功率發(fā)射型換能器在工作時(shí)常常產(chǎn)生大量損耗以熱量形式散失導(dǎo)致壓電換能器阻抗變化，機(jī)械耦合系數(shù)降低等危害，同時(shí)根據(jù)正壓電效應(yīng)，預(yù)應(yīng)力可以使壓電體表面形變從而形成電場(chǎng)，因此預(yù)應(yīng)力也是引起壓電換能器阻抗變化的因素。分析壓電換能器特性常采用力電類(lèi)比等效電路的方法，壓電換能器作為一種電聲相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械振動(dòng)器件，在諧振頻率附近的等效電路如圖1所示[6]：

圖1 壓電換能器等效電路

其中C0是靜態(tài)電容，Cm是動(dòng)態(tài)電容，Lm是動(dòng)態(tài)電感，Rm是動(dòng)態(tài)電阻。

等效電路中的各參量變化受溫度與預(yù)應(yīng)力等因數(shù)的變化，文獻(xiàn)[7]給出了等效參量隨溫度及預(yù)應(yīng)力變化的情況，靜態(tài)電容隨溫度升高而增大，隨預(yù)應(yīng)力增大而增大，動(dòng)態(tài)電容隨溫度升高而增大，動(dòng)態(tài)電感隨溫度升高而減小，動(dòng)態(tài)電阻隨溫度升高而增大，預(yù)應(yīng)力合理時(shí)動(dòng)態(tài)電阻最小。因此在不同的情況下壓電換能器實(shí)際阻抗變化不同，所以靜態(tài)阻抗匹配難以滿足要求，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)其阻抗后動(dòng)態(tài)切換匹配電感實(shí)現(xiàn)效率最大化，若測(cè)量所得的阻抗不準(zhǔn)確，而導(dǎo)致切換串聯(lián)匹配電感不相符，效率可能降至更低，因此精確檢測(cè)壓電換能器阻抗在動(dòng)態(tài)匹配時(shí)至關(guān)重要。

3 壓電換能器阻抗檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

測(cè)量阻抗的方法主要有諧振法、電橋法、矢量法。諧振法和電橋法需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，不支持在線檢測(cè)，雖然測(cè)量精度較高，但不能滿足壓電換能器實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求，因此選擇矢量法在線檢測(cè)壓電換能器的阻抗，測(cè)量精度高，可基本滿足一般檢測(cè)要求。在正弦交流電路中，等效電路阻抗值為電壓向量與電流向量的比值，其表達(dá)式為：

圖2 阻抗檢測(cè)電路框圖

功率放大器放大激勵(lì)信號(hào)用以驅(qū)動(dòng)壓電換能器，采樣電阻選用1Ω/5W的功率電阻，則采樣電阻上的電壓大小即為實(shí)際電流的大小，該信號(hào)相位即是電流相位。衰減電路用以調(diào)節(jié)信號(hào)幅度，使其滿足AD采樣芯片的輸入范圍。濾波電路為低通濾波器用以濾除高頻干擾，降低干擾造成采樣有誤。AD采樣芯片選用AD9280，AD9280是一款單芯片、8位、32MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），采用單電源供電，內(nèi)置一個(gè)片內(nèi)采樣保持放大器和基準(zhǔn)電壓源。它采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，數(shù)據(jù)速率達(dá)32MSPS，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保證無(wú)失碼。大部分功率型壓電換能器的工作頻率均小于1MHz，根據(jù)采樣定理的要求，此芯片可滿足對(duì)阻抗模檢測(cè)的需求。為簡(jiǎn)化電路，除了電壓信號(hào)在采樣之前經(jīng)過(guò)10倍衰減外，電流、電壓信號(hào)的ADC采樣電路可一致均如圖3所示。

圖3 AD采樣電路

阻抗角是計(jì)算過(guò)零比較得到加載在壓電換能器上的電壓電流信號(hào)的相位差，通過(guò)角度轉(zhuǎn)換得到阻抗角，得到相位差的方法通常有函數(shù)計(jì)算法、DFT變換法和過(guò)零計(jì)數(shù)法，前兩者通常用軟件實(shí)現(xiàn)，計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，F(xiàn)PGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)算法復(fù)雜，而過(guò)零計(jì)數(shù)法可通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，精度高，成本低。

圖4 過(guò)零計(jì)數(shù)法過(guò)程

本文過(guò)零計(jì)數(shù)法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程大致如圖4所示，首先采樣得到電流正弦波信號(hào)a及電壓正弦波信號(hào)b，再通過(guò)過(guò)零比較器整形成電流方波信號(hào)c及電壓方波信號(hào)d，再將信號(hào)c和信號(hào)d異或后得到相位差信號(hào)e。同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)算相位差信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間，計(jì)數(shù)記為Np，而對(duì)整個(gè)信號(hào)周期計(jì)數(shù)記為Nf，則相位角為：

實(shí)際運(yùn)用時(shí)大部分大功率壓電超聲換能器的諧振頻率小于1MHz，本論文設(shè)計(jì)電路時(shí)選擇響應(yīng)時(shí)間小于1us的過(guò)零比較器較為合適，LM393為雙路通用比較器芯片，可同時(shí)對(duì)電壓信號(hào)及電流信號(hào)進(jìn)行過(guò)零比較，此芯片高增益，寬頻帶，相應(yīng)速度快，OD門(mén)輸出，輸出負(fù)載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上，不受Vcc端電壓值的限制，使用比較靈活。電壓電流信號(hào)過(guò)零比較電路如下圖5所示，圖5中電位器RP2及RP3用作調(diào)節(jié)比較器的參考電壓，以防信號(hào)零點(diǎn)偏移，導(dǎo)致輸出的波形不準(zhǔn)確。

圖5 過(guò)零比較電路

阻抗檢測(cè)電路實(shí)物如圖6所示，阻抗檢測(cè)電路主要包括FPGA的配置部分、電源部分、阻抗模檢測(cè)部分、阻抗角檢測(cè)部分。

4 基于FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理

本文選用Altera公司的CycloneIV系列的EP4CE6F17C8作為硬件核心，并行控制兩路AD的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)采集其相位關(guān)系，準(zhǔn)確度高，可靠性高。FPGA內(nèi)部時(shí)鐘clk通過(guò)PLL分頻到ADC所需要的采樣時(shí)鐘ADC_CLK，并同時(shí)提供給兩路ADC作為采集時(shí)鐘，在一個(gè)采集周期內(nèi)將電壓信號(hào)及電流信號(hào)采集到FIFO，并分別均方根有效值處理，相除即可得到此次采集周期內(nèi)加載在換能器上的阻抗模，同時(shí)在這個(gè)采集周期內(nèi)電壓及電流相位信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)零計(jì)數(shù)法，采集多組相位數(shù)據(jù)，平均處理后得到此周期的相位角，F(xiàn)PGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)過(guò)程基本框架如圖7所示：

圖6 阻抗檢測(cè)電路

圖7 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用經(jīng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試的某換能器，其諧振頻率為1MHz、阻抗模71Ω，阻抗角為-110.33°，通過(guò)本系統(tǒng)測(cè)量該換能器所得的阻抗模為80Ω。阻抗角為-108°。多次測(cè)量數(shù)據(jù)后，得到此系統(tǒng)阻抗模測(cè)量精度為±10%，阻抗角測(cè)量精度為±2%，可較好地為壓電換能器動(dòng)態(tài)匹配提供實(shí)時(shí)阻抗參數(shù)。

5 結(jié)論

本論文闡明了壓電換能器動(dòng)態(tài)阻抗匹配時(shí)實(shí)時(shí)阻抗檢測(cè)精確度的必要性，設(shè)計(jì)了運(yùn)用矢量法實(shí)時(shí)檢測(cè)壓電換能器阻抗的硬件電路，此電路以FPGA為核心，運(yùn)用了FPGA并行的特點(diǎn)，同時(shí)檢測(cè)同一時(shí)間的阻抗模及阻抗角，提高阻抗模與阻抗角相互對(duì)應(yīng)性，系統(tǒng)阻抗模測(cè)量精度達(dá)到±10%，阻抗角測(cè)量精度達(dá)到±2%。為壓電換能器動(dòng)態(tài)匹配電路總體設(shè)計(jì)鋪墊，使動(dòng)態(tài)匹配更加精準(zhǔn)，提升了壓電換能器發(fā)射效率及其使用壽命。

[1]鮑善惠．壓電換能器的動(dòng)態(tài)匹配[J]．應(yīng)用聲學(xué),1998,17(2)：16-20．

[2]朱武,張佳民,金長(zhǎng)善,蔡鶴皋．基于數(shù)字電感的壓電換能器動(dòng)態(tài)匹配的研究[J]．應(yīng)用聲學(xué),2000,19(2)：31-34．

[3]孔權(quán)．壓電換能器自動(dòng)阻抗匹配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]．重慶：重慶醫(yī)科大學(xué),2009．

[4]鐘龍．基于動(dòng)態(tài)阻抗匹配的超聲電源設(shè)計(jì)與研究[D]．北京：北京交通大學(xué),2015．

[5]楊芳．超聲換能器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)匹配研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015．

[6]牛金海．超聲原理及生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社,2017：83．

[7]胡新偉．大功率壓電超聲換能器的非線性研究[D]．陜西：陜西師范大學(xué),2007．

古先毅（1994—），男，江西贛州人，碩士研究生，研究方向：FPGA設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)。