Широкодиапазонный ультразвуковой генератор с автоматической настройкой на резонансную частоту пьезопреобразователя

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГЕНЕРАТОР С АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКОЙ НА РЕЗОНАНСНУЮ ЧАСТОТУ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ(71) Заявитель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие КБТЭМ-СО(72) Авторы Ланин Владимир Леонидович Нестерович Владимир Васильевич Петухов Игорь Борисович Школык Святослав Борисович(73) Патентообладатель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие КБТЭМ-СО(57) Широкодиапазонный ультразвуковой генератор с автоматической настройкой на резонансную частоту ультразвукового преобразователя, содержащий микроконтроллер, связанный шиной данных и управления с двумя цифроаналоговыми преобразователями и аналого-цифровым преобразователем, последовательно соединенные сумматор, первый вход которого связан с выходом второго цифроаналогового преобразователя, генератор,управляемый напряжением, умножитель, второй вход которого соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя, усилитель мощности, выход которого соединен последовательно с первичной обмоткой трансформатора тока и заземленным ультразвуковым преобразователем, при этом вторичная обмотка трансформатора тока нагружена на заземленную резистивную нагрузку, незаземленный вывод которой соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя и первым входом программируемого фазовращателя, выход которого соединен через первый усилитель-ограничитель со вторым входом фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом второго усилителя-ограничителя, вход которого соединен с незаземленным выводом ультразвукового преобразователя, при этом выход фазового детектора соединен со входом фильтра низких 87802012.12.30 частот, отличающийся тем, что он содержит дифференциальный усилитель с поданным на его первый вход опорным напряжением и аналоговый ключ, вход которого соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя и выходом дифференциального усилителя, второй вход которого связан с выходом фильтра низкой частоты, при этом выход аналогового ключа соединен со вторым входом сумматора, а управляющий вход аналогового ключа - с первым управляющим выходом микроконтроллера, второй управляющий выход которого соединен со вторым входом программируемого фазовращателя. Полезная модель относится к производству электронных приборов, в частности к оборудованию для присоединения проволочных выводов в различных полупроводниковых приборах и интегральных схемах. Известно устройство и метод настройки ультразвукового генератора 1, содержащее генератор управляемый напряжением, выход которого соединен с входом усилителя мощности, нагруженного через трансформатор на ультразвуковой преобразователь, усилитель среднеквадратичного значения напряжения на нагрузке, усилитель среднеквадратичного значения тока в цепи нагрузки и микропроцессор, входы которого соединены с выходами усилителей среднеквадратичного значения напряжения и тока в цепи нагрузки, а выход с входом генератора управляемого напряжением. Недостатком устройства является недостаточная точность настройки, т.к. в качестве критерия настройки используется проводимость ультразвукового преобразователя на резонансной частоте, зависимость которой от частоты имеет недостаточно высокую крутизну. Вторым недостатком является отсутствие контроля амплитудно-частотной характеристики ультразвукового преобразователя в области резонансной частоты, что не позволяет исключить возможность настройки на дополнительный резонанс, который может появиться при конструктивных особенностях ультразвукового преобразователя и способа зажима его в сварочной головке. Наиболее близким техническим решением является система автоматической настройки ультразвуковых генераторов 2, содержащая микроконтроллер, связанный шиной данных и управления с первым цифроаналоговым преобразователем и через буфер-защелку с выходом цифрового фазового детектора и входом второго цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом сумматора, последовательно соединенного с генератором управляемым напряжением и усилителем мощности, нагруженного на ультразвуковой преобразователь с датчиком тока, при этом выход усилителя мощности соединен с первым входом фазового детектора, второй вход которого связан с датчиком тока. Недостатком данного устройства является то, что критерием настройки на резонанс служит только нулевое значение фазового сдвига между напряжением на ультразвуковом преобразователе и протекающим через него током. Однако амплитудно-частотная характеристика типового ультразвукового преобразователя может содержать в зоне настройки дополнительные резонансы, где фазовый сдвиг между напряжением на ультразвуковом преобразователе и протекающим током также равен нулю. Таким образом, для исключения ошибочной настройки генератора при автоматическом поиске резонансной частоты необходимо проводить контроль не только фазового сдвига между напряжением и током,но и проводимости ультразвукового преобразователя. Известно также, что полоса захвата системы фазовой автоподстройки частоты определяется типом фазового детектора, филь 2 87802012.12.30 тром низкой частоты, коэффициентом усиления обратной связи 3 и амплитудночастотной характеристикой ультразвукового преобразователя. Еще одним недостатком прототипа является то, что система контроля частоты может быть неустойчивой при работе с ультразвуковыми преобразователями с ассиметричной амплитудно-частотной характеристикой (разная крутизна характеристики слева и справа относительно резонансной частоты) и для компенсации этой ассиметрии необходимо вводить некоторый фазовый сдвиг между током и напряжением ультразвукового преобразователя на резонансной частоте с помощью фазовращателя. Таким образом, необходим контроль полосы захвата резонансной частоты, в которой гарантирована работа ультразвукового преобразователя на резонансной частоте и отсутствие настройки на паразитные резонансные частоты. Задачей полезной модели является повышение стабильности автоматической настройки ультразвукового генератора на резонансную частоту ультразвукового пьезопреобразователя в широком диапазоне частот и обеспечение возможности контроля полосы захвата резонансной частоты. Поставленная цель достигается тем, что широкодиапазонный ультразвуковой генератор с автоматической настройкой на резонансную частоту пьезопреобразователя, содержащий микроконтроллер, связанный шиной данных и управления с двумя цифроаналоговыми преобразователями и аналого-цифровым преобразователем, последовательно соединенные сумматор, первый вход которого связан с выходом второго цифроаналогового преобразователя, генератор, управляемый напряжением, умножитель, второй вход которого соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя, усилитель мощности, выход которого соединен последовательно с первичной обмоткой трансформатора тока и заземленным ультразвуковым преобразователем, при этом вторичная обмотка трансформатора тока нагружена на заземленную резистивную нагрузку, незаземленный вывод которой соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя и первым входом программируемого фазовращателя, выход которого соединен через первый усилитель-ограничитель со вторым входом фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом второго усилителя-ограничителя, вход которого соединен с незаземленным выводом ультразвукового преобразователя, при этом выход фазового детектора соединен со входом фильтра низких частот, содержит дифференциальный усилитель с поданным на его первый вход опорным напряжением и аналоговый ключ, вход которого соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя и выходом дифференциального усилителя, второй вход которого связан с выходом фильтра низкой частоты, при этом выход аналогового ключа соединен со вторым входом сумматора, а управляющий вход аналогового ключа - с первым управляющим выходом микроконтроллера, второй управляющий выход которого соединен со вторым входом программируемого фазовращателя. Суть полезной модели поясняется фигурами, где на фиг. 1 приведена схема ультразвукового генератора на фиг. 2 - пример программируемого фазовращателя и на фиг. 3 и 4 амплитудно-частотные и фазовые характеристики качественного и ультразвукового преобразователя с дополнительным резонансом соответственно. Широкодиапазонный генератор содержит микроконтроллер 1 (фиг. 1), связанный шиной данных и управления с двумя цифроаналоговыми преобразователями 2 и 3, аналогоцифровым преобразователем 4, последовательно соединенные сумматор 5, первый вход которого связан с выходом второго цифроаналогового преобразователя 3, генератор,управляемый напряжением 6, умножитель 7, второй вход которого соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя 2, усилитель мощности 8, выход которого соединен последовательно с первичной обмоткой трансформатора тока 9 и заземленным ультразвуковым преобразователем 10, при этом вторичная обмотка трансформатора тока 9 нагружена на заземленную резистивную нагрузку 11, незаземленный вывод которой соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя 4 и первым входом программируемого фазовращателя 12, выход которого соединен через первый усилитель 3 87802012.12.30 ограничитель 13 со вторым входом фазового детектора 14, первый вход которого соединен с выходом второго усилителя-ограничителя 15, вход которого соединен с незаземленным выводом ультразвукового преобразователя 10, при этом выход фазового детектора 14 соединен со входом фильтра низких частот 16, дифференциальный усилитель 17 с поданным на его первый вход опорным напряжением и аналоговый ключ 18, вход которого соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя 4 и выходом дифференциального усилителя 17, второй вход которого связан с выходом фильтра низкой частоты 16, при этом выход аналогового ключа 18 соединен со вторым входом сумматора 5, а управляющий вход аналогового ключа - с первым управляющим выходом микроконтроллера 1, второй управляющий выход которого соединен со вторым входом программируемого фазовращателя 12. Широкодиапазонный ультразвуковой генератор работает следующим образом. При включении генератора или внешней команды инициализации процедуры калибровки перед началом работы микроконтроллер 1 подает логический сигнал на управляющий вход аналогового ключа 18 и размыкает его. Далее, по шине данных и управления микроконтроллер заносит в первый цифроаналоговый преобразователь 2 код выходной амплитуды, например 1/3 максимальной выходной амплитуды ультразвукового генератора. Аналоговый сигнал цифроаналогового преобразователя 2 поступает на второй вход умножителя 7, который умножает амплитуду синусоидального напряжения с выхода генератора, управляемого напряжением 6, поступающего на первый вход умножителя 7. Затем микроконтроллер 1 устанавливает код начала заданного диапазона прокачки частоты во второй цифроаналоговый преобразователь 3. Далее с заданной дискретностью микроконтроллер увеличивает (или уменьшает) код начала диапазона прокачки частоты цифроаналогового преобразователя 3. Выходное аналоговое напряжение цифроаналогового преобразователя 3 поступает на первый вход сумматора 5, на втором входе которого напряжение отсутствует, т.к. аналоговый ключ 18 разомкнут сигналом с первого выхода микроконтроллера 1. Нарастающее (или спадающее) напряжение с выхода сумматора 5 поступает на вход генератора, управляемого напряжением 6, который под воздействием этого управляющего напряжения изменяет частоту синусоидального сигнала. Задаваемый диапазон прокачки частоты может определяться заданием окна прокачки микроконтроллером, т.е. кодом, записываемым в цифроаналоговый преобразователь 3, например 60-70 кГц, 90-100 кГц и т.д. Максимальная частота центра окна прокачки зависит от типа используемого генератора, управляемого напряжением, и может распространяться, например, до 300 кГц. Известно, что типовая амплитудно-частотная характеристика ультразвукового преобразователя имеет вид, как на фиг. 3. Из фиг. 3 видно, что частота резонанса ультразвукового преобразователя равна примерно 96,5 кГц, а импеданс порядка 30 Ом. Частота антирезонанса соответствует примерно 100,5 кГц с импедансом порядка 10 кОм. Из фазочастотной характеристики на фиг. 3 видно, что в этих характерных точках фазовый угол между напряжением и током, протекающим через ультразвуковой преобразователь, равен нулю. Допустим, что диапазон прокачки частоты ультразвукового генератора задан в диапазоне 90-102 кГц. В течение прокачки от начала диапазона (90 кГц) до его конца (102 кГц) амплитуда тока через ультразвуковой преобразователь 10 в точке минимального импеданса будет иметь максимальное значение, а в точке антирезонанса - минимальное значение. Сигнал тока через ультразвуковой преобразователь снимается с резистора 11 и поступает на первый вход аналого-цифрового преобразователя 4, и по заданной программе микроконтроллера определяется частота при максимальном значении тока. Код этой частоты фиксируется на входе цифроаналогового преобразователя 2 и не изменяется при работе ультразвукового генератора. В это же время сигнал тока с резистора 11 поступает на первый вход программируемого фазовращателя 12, где фаза тока изменяется на 90 по отношению к напряжению на ультразвуковом преобразователе 10. Выходной синусоидальный сигнал с программируемого фазовращателя 12 поступает на 4 87802012.12.30 вход первого усилителя-ограничителя 13, который формирует прямоугольные импульсы,поступающие на второй вход фазового детектора 14. Одновременно синусоидальный сигнал напряжения на ультразвуковом преобразователе 10 поступает на вход второго усилителя-ограничителя 15, с выхода которого прямоугольные импульсы поступают на первый вход фазового детектора 14. Т.к на частоте резонанса фазовый сдвиг между напряжением и током равен нулю и учитывая фазовый сдвиг токового сигнала на 90 программируемым фазовращателем 12, на входах фазового детектора будут присутствовать два прямоугольных сигнала, сдвинутых относительно друг друга на 90. Пример программируемого фазовращателя 12 показан на фиг. 2 и представляет собой повторитель на операционном усилителе 5 с фазосдвигающейцепью, состоящей из программируемого потенциометра 2 и конденсатора 4. Резисторы 1 и 3 образуют обратную связь. При поступлении на вход программируемого фазовращателя синусоидального тока, где- амплитуда тока,- круговая частота,- время, на выходе будет синусоидальный сигнал, где- фазовый угол сдвига, определяемыйцепью программируемый потенциометр 2 и конденсатор 4 (фиг. 2). Учитывая частотную зависимость фазового сдвига фазовращателя, и исключения необходимости ручной подстройки при использовании ультразвуковых преобразователей в широком диапазоне частот вцепи используется программируемый потенциометр 2 для обеспечения фиксированного фазового сдвига, не зависящего от частотного диапазона. Как было описано выше, на входе фазового детектора 14 (фиг. 1) присутствуют два сигнала прямоугольной формы, один из которых сдвинут относительно другого на 90. При использовании в качестве фазового детектора 14 наиболее распространенной схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ на его выходе будет прямоугольный сигнал удвоенной частоты 3. Этот сигнал усредняется и фильтру ется фильтром низких частот 16, на выходе которого будет сигнал с амплитудой и , где 2 и - амплитуда выходных импульсов с фазового детектора 14. Выходной сигнал с фильтра низких частот поступает на второй вход дифференциального усилителя 17, на первый вход которого поступает опорное напряжение 0, равное напряжению с выхода фильтра низких частот. Дифференциальный усилитель 17, производя вычитание входных сигналов, будет иметь на выходе сигнал, равный нулю. При необходимости микроконтроллер может управляющим сигналом провести коррекцию фазового угла, изменяя значение программируемого потенциометра 2 (фиг. 2), чтобы на выходе дифференциального усилителя 17 (фиг. 1) был сигнал, равный нулю. Возможна также предварительная калибровка фазовращателя 12 в широком диапазоне частот при чисто резистивной нагрузке ультразвукового генератора. В этом случае фазовый сдвиг между напряжением и током в нагрузке будет равен нулю. Результаты калибровки, т.е. значение программируемого потенциометра 2 (фиг. 2), могут быть занесены в память микроконтроллера 1 и задаваться в зависимости от используемого диапазона частот. Выходной сигнал дифференциального усилителя 17 (фиг. 1) поступает на второй вход аналого-цифрового преобразователя 4, который преобразует сигнал в цифровую форму и передает ее микроконтроллеру. Таким образом, к данному моменту частота ультразвукового генератора соответствует точке резонанса и на выходе дифференциального усилителя присутствует сигнал, равный нулю. Затем по команде микроконтроллера с его первого выхода на управляющий вход аналогового ключа 18 поступает сигнал, который его замыкает. Микроконтроллер 1 через аналого-цифровой преобразователь 4 анализирует сигналы о токе через ультразвуковой преобразователь и выходном сигнале дифференциального усилителя 17 при замкнутой петле обратной связи и сравнивает с данными, полученными при разомкнутой петле (когда аналоговый ключ 18 разомкнут). В случае совпадения данных микроконтроллер выполняет следующую процедуру контроля полосы захвата, в противном случае - выдает сигнал об ошибке, который может быть передан управляющему компьютеру установки или вывести соответствующее сообщение на дисплей (для простоты не показано). 5 87802012.12.30 Контроль полосы захвата производится следующим образом. По команде микроконтроллера 1 с первого выхода на аналоговый ключ 18 поступает сигнал, который его размыкает. Микроконтроллер 1 с помощью цифроаналогового преобразователя 3 уменьшает частоту генератора, управляемого напряжением 6, относительно резонансной на заданную величину, например на 2 кГц. При этом на выходе фазового детектора возникает сигнал ошибки, поскольку возникает фазовый сдвиг между напряжением и током, протекающим через ультразвуковой преобразователь. Соответственно на выходе фильтра низких частот 16 изменяется сигнал на величину рассогласования. Дифференциальный усилитель 17, производя операцию вычитания, будет иметь на выходе сигнал компенсации. Полярность этого сигнала компенсации может быть положительной или отрицательной в зависимости от уменьшения или увеличения разности от резонансной частоты. Затем, по команде с первого выхода микроконтроллера 1 на управляющий вход аналогового ключа 18 поступает сигнал, замыкающий его. Сигнал компенсации с выхода дифференциального усилителя 17 через замкнутый аналоговый ключ 18 поступает на второй вход сумматора 5, выходной сигнал которого изменяется, в результате чего восстанавливается частота резонанса. Контроль восстановления резонансной частоты осуществляет микроконтроллер 1 через информацию, поступающую через аналого-цифровой преобразователь 4, как было описано выше. В случае успешного восстановления резонанса аналогичным образом производится микроконтроллером 1 увеличение частоты относительно резонанса на заданную величину,например на 2 кГц, и производится контроль восстановления. В случае изменения частоты или импеданса относительно исходных данных при замкнутой петле обратной связи выдается сигнал ошибки. При отсутствии ошибки настройка ультразвукового генератора считается успешной и в цифроаналоговый преобразователь 3 записывается код, соответствующий резонансной частоте. Таким образом, предлагаемая полезная модель повышает стабильность настройки на резонансную частоту и контролирует полосу захвата, а также отсутствие паразитных резонансов, как на фиг. 4. Данное техническое решение может использоваться также в качестве диагностирующего средства ультразвуковых преобразователей при их производстве. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7