0 引言

    超聲霧化一直被應(yīng)用在眾多方面，如清洗^[1]、醫(yī)療、加濕、工業(yè)等方面。其中，以超聲霧化為代表的氣溶膠制備材料技術(shù)如噴霧干燥、噴霧熱解^[2-3]、液相氣相化學(xué)沉積以及熔融液滴沉積等^[4]應(yīng)用尤其廣泛。通過振蕩器的振蕩，應(yīng)用壓電材料的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲振動(dòng)^[5]，達(dá)到霧化的效果。很多的霧化電路都是利用振蕩電路的自激振蕩產(chǎn)生振蕩信號(hào)，這種設(shè)計(jì)的不足是各元件參數(shù)設(shè)置相對(duì)復(fù)雜致使調(diào)試周期較長(zhǎng)，而且因其不易調(diào)整驅(qū)動(dòng)頻率，所以無法通過對(duì)驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整來尋找到最佳諧振頻率。本文旨在設(shè)計(jì)一種他激振蕩的霧化電路，即基于AD9833芯片的編程生成目標(biāo)信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)電路的輔助增強(qiáng)下刺激振蕩器振蕩。同時(shí)電路通過程序控制可平滑地調(diào)整頻率，并以此特點(diǎn)增加采樣反饋電路使振蕩器始終保持工作在最佳諧振狀態(tài)。

1 電路設(shè)計(jì)方案

    霧化電路主要由五部分組成：頻率合成器模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、振蕩電路模塊、采樣反饋電路模塊與DC電源模塊。

    頻率合成器模塊負(fù)責(zé)合成目標(biāo)頻率的正弦波信號(hào)，并將目標(biāo)信號(hào)傳輸?shù)津?qū)動(dòng)電路；驅(qū)動(dòng)電路模塊負(fù)責(zé)增強(qiáng)信號(hào)的方波特性，使其更好地控制MOS管的開啟與關(guān)斷；振蕩電路模塊主要負(fù)責(zé)刺激壓電晶體的振蕩；采樣反饋電路模塊的設(shè)置有助于霧化電路尋找最佳諧振頻率，當(dāng)振蕩器諧振時(shí)其兩端電壓與電流的相位差幾乎為零，因此通過檢測(cè)振蕩器兩端電壓與電流的相位差來判斷其是否為最佳諧振頻率，如果檢測(cè)到相位差不為零，將信息傳遞給主控制器修改頻率直到相位差接近于零，此時(shí)即為最佳諧振頻率；DC電源模塊主要負(fù)責(zé)為電路整體提供穩(wěn)定的直流電源保護(hù)，此模塊采用LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器功耗小效率高，具有輸出線性好和負(fù)載可調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，輸出電壓范圍為1.2 V~37 V±4%。

2 基于AD9833的頻率合成器設(shè)計(jì)

    為提升霧化效果，本文設(shè)計(jì)的霧化罐將采用4個(gè)霧化片同時(shí)工作，對(duì)應(yīng)需要四塊霧化電路。因此，結(jié)合整體電路的功耗、發(fā)射頻率和控制以及引腳數(shù)目等需求，選擇STM32F系列為主控制器。

2.1 主控制器

    主控制器采用STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是一款基于ARM32位的CortextM3內(nèi)核的單片機(jī)，2.0～3.6 V的寬電壓供電范圍，CPU工作頻率最大可達(dá)72 MHz^[6]。其還擁有20 KB的SRAM存儲(chǔ)器和64 KB的Flash存儲(chǔ)器。STM32F103C8T6滿足對(duì)于霧化電路的開關(guān)以及頻率調(diào)整等控制需求，具有速度快、成本低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 頻率合成器設(shè)計(jì)

    頻率合成器是通信、雷達(dá)和電子對(duì)抗等設(shè)備的重要組成部分，其輸出信號(hào)的穩(wěn)定與準(zhǔn)確程度直接影響通信、電子對(duì)抗等系統(tǒng)的整體性能^[7]。本文以可編程芯片AD9833為核心設(shè)計(jì)了一種頻率合成器，頻率合成器可通過數(shù)碼管來顯示相對(duì)應(yīng)的芯片編號(hào)、頻率數(shù)值以及幅值。其中，AD9833芯片包含一個(gè)16位的控制寄存器可控制生成波形的種類，兩個(gè)28位的頻率寄存器可以決定信號(hào)頻率，兩個(gè)12位的相位寄存器確定初相位。在不同的主頻時(shí)鐘下，其精度可達(dá)到0.01 Hz或0.004 Hz。另外，AD9833芯片是運(yùn)用DDS技術(shù)來進(jìn)行頻率的合成。

2.3 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）原理

    DDS(Direct Digital Synthesis)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)和傳統(tǒng)頻率合成器的信號(hào)產(chǎn)生方法有著一定的區(qū)別。利用該技術(shù)可獲得高頻率精度和高相位精度的矩形、正弦信號(hào)^[8]。

    正弦波幅值是非線性的，但相位是線性的，按相位將一個(gè)周期（360°）分成n等份，將這n個(gè)相位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的n個(gè)幅值存儲(chǔ)在DDS芯片內(nèi)部ROM中查詢表^[9]，不同的頻率控制字會(huì)引起累加器相位增量不同，這樣通過查詢表就得到不同頻率的數(shù)字正弦序列^[10]，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換（D/A為10位）、低通濾波便可生成正弦波信號(hào)，圖1即為DDS的原理框圖。

    輸出波形頻率值的計(jì)算公式為：

其中k為頻率控制字，f_mclk為參考時(shí)鐘頻率。

    AD9833生成的信號(hào)頻率最高可達(dá)12.5 MHz。其不僅可以生成正弦波還可以通過控制其內(nèi)部寄存器生成方波和三角波信號(hào)，完全滿足本霧化電路的設(shè)計(jì)需求。

    通過大量的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，若通過AD9833直接生成方波，由于需要生成的信號(hào)頻率過高，結(jié)果導(dǎo)致生成的方波發(fā)生變形，并不是標(biāo)準(zhǔn)的方波，不利于驅(qū)動(dòng)MOS管的開關(guān)，最終導(dǎo)致MOS管的燒毀或者霧化電路突然性的不工作等后果。因此本文提出一種新的優(yōu)化方案，選擇使用1.7 MHz、2.4 MHz、3.0 MHz三種高頻率正弦波，并通過光耦和驅(qū)動(dòng)電路來增強(qiáng)信號(hào)的方波特性來達(dá)到要求，經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)表明這種方式生成的波形的方波特性優(yōu)于前方案，良好的方波特性促使MOS管的工作更加穩(wěn)定，使外接信號(hào)可以更充分地激勵(lì)壓電晶體振蕩，最終縮短了起振時(shí)間、提升了霧化效果。

3 核心驅(qū)動(dòng)及采樣反饋電路設(shè)計(jì)

3.1 核心驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

    此部分驅(qū)動(dòng)電路是整個(gè)振蕩器部分的關(guān)鍵，核心驅(qū)動(dòng)電路接收頻率合成器生成的高頻正弦波信號(hào)并進(jìn)行一系列的增強(qiáng)，提升其方波特性，加快信號(hào)高電平與低電平的轉(zhuǎn)換時(shí)間，達(dá)到有效驅(qū)動(dòng)MOS管工作的作用。其對(duì)信號(hào)方波特性增強(qiáng)效果的好壞直接影響霧化電路的工作性能，因此本文提出了以下的設(shè)計(jì)。

    其中，在電路前端采用光耦合器6N137用于控制電路和外部電路的隔離，6N137光耦合器具有高速、兼容以及溫度、電壓和電流補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，因此6N137光耦除了隔離的作用還有著對(duì)信號(hào)上拉的作用，可以用于初步增強(qiáng)信號(hào)的方波特性。在信號(hào)經(jīng)過光耦上拉的基礎(chǔ)之上，驅(qū)動(dòng)電路的后面部分將對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步增強(qiáng)，其中12 V的直流電壓輸入既提升了信號(hào)的電壓幅度也起到了一定的上拉作用，之后的兩個(gè)三極管的推挽相連也縮短了信號(hào)高低電平的轉(zhuǎn)換時(shí)間，很好地提升了信號(hào)的方波特性。圖2即為驅(qū)動(dòng)電路的硬件電路圖。

3.2 采樣反饋電路模塊設(shè)計(jì)

    該霧化電路采用程序控制，可實(shí)現(xiàn)頻率的實(shí)時(shí)調(diào)整，因此在此基礎(chǔ)之上增加了采樣反饋電路的設(shè)計(jì)，通過采集振蕩器兩端電壓與電流相位差，反饋給主控制器，不斷調(diào)整輸入頻率至最佳諧振頻率。因?yàn)閷?shí)際電路中很難達(dá)到相位差為零，因此設(shè)定閾值，如果相位差低于閾值即認(rèn)定此時(shí)為最佳諧振頻率。圖3為采樣反饋電路工作流程圖。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

    圖4即為通過示波器（固緯GDS-2202數(shù)字示波器）顯示的針對(duì)三種頻率信號(hào)增強(qiáng)其方波特性的效果圖。其中，圖4(a)為AD9833芯片最初生成的頻率1.7 MHz的正弦波波形圖；圖4(b)為將生成的正弦波經(jīng)光耦上拉調(diào)整后的波形圖；圖4(c)為正弦波經(jīng)過光耦和驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)增強(qiáng)后，并最終用于驅(qū)動(dòng)MOS管的波形圖。圖4(d)、(e)、(f)為信號(hào)頻率2.4 MHz相對(duì)應(yīng)的波形圖。圖4(g)、(h)、(i)為信號(hào)頻率3.0 MHz相對(duì)應(yīng)的波形圖?？梢钥闯?，經(jīng)過一系列的信號(hào)調(diào)整與增強(qiáng)，最終可以將高頻正弦波信號(hào)近乎調(diào)整為方波信號(hào)，達(dá)到有效驅(qū)動(dòng)MOS管開關(guān)的目的。通過實(shí)驗(yàn)證明，采用芯片生成高頻正弦波信號(hào)并增強(qiáng)其方波特性這種方法使振蕩器起振速度更快、霧化電路工作更加穩(wěn)定。

    通過測(cè)試，霧化頻率為1.7 MHz、2.4 MHz、3.0 MHz三種型號(hào)的霧化電路均可正常工作，起振速度快，振蕩效果良好，霧化量滿足要求。

    表1中的第一列為三種頻率型號(hào)的振蕩器，本文設(shè)計(jì)的霧化電路實(shí)現(xiàn)了一塊霧化電路適用于多個(gè)頻率振蕩器。第二列為經(jīng)過采樣反饋電路調(diào)整后使振蕩器達(dá)到最佳諧振狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率。第三、四列為霧化電路使振蕩器霧化的工作電壓范圍，當(dāng)工作電壓達(dá)到起振電壓后振蕩器開始振蕩，隨著電壓的升高霧化量增加，直至其所能承受的最高電壓。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種通過程序調(diào)整外接信號(hào)頻率的霧化電路，利用外接信號(hào)激勵(lì)振蕩器工作。它可控制四塊霧化電路同步工作，包含1.7 MHz、2.4 MHz、3.0 MHz三種工作頻率。通過采樣反饋及時(shí)尋找最佳諧振頻率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的實(shí)時(shí)調(diào)整。該設(shè)計(jì)提高了霧化電路的穩(wěn)定性能，縮短了電路的調(diào)試周期，精簡(jiǎn)了電路結(jié)構(gòu)。

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作者信息:

孫成勝，張紅民，龔恒翔，巴忠鐳

(重慶理工大學(xué)，重慶400054)