功率超声相位差测量的设计与仿真分析
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摘要：本文利用VerilogHDL设计了可综合的功率超声相位差测量系统，从定性和定量两方面解决了判定功率超声设计中的电压与电流信号超前滞后关系的问题，并为电流过零点的误差处理了流水线处理方式。
关键词：功率超声 换能器调谐 相位差测量
1、研究背景
近年来，功率超声得到了极大的发展，在超声清洗、超声焊接等方面得到了广泛的应用。在超声电源设计中，调谐设计是极其重要的内容。调谐成功与否的判定要靠超声换能器上的电压与电流信号的相位差来判定，工程实践中，通常允许相位差信号处于一定的范围内即可。
2、超声换能器调谐原理
压电换能器工作在谐振状态时的等效电路如图1 （a） 所示。
为静态夹持电容，为动态电感，为动态电容，为包含负载和损耗在内的等效电阻，当换能器串联支路谐振时，即换能器工作在串联谐振频率，与电抗抵消，则等效电路为图1-b。为外部串联的匹配电感，其作用是与静态夹持电容所产生的电抗相抵消。与抵消滞后，整个换能器回路只剩下等效电阻，如图1-d整个电路表现为纯阻性，换能器处于谐振状态。
功率超声电源实质是一个开关电源，送出的信号为方波，而从超声器采集的信号为正弦波信号，将采集到的正弦波信号通过比较器将之变为方波，以方便进行处理。
超声电源相位差测量系统要解决两个问题，第一，要确定电压与电流的超前与滞后关系，即要通过超前与滞后的状态来判定超声换能器在此时表现出的是电容特性还是电感特性；第二，要判断两个信号相位差的大小，即超前（滞后）值的问题。
为了解决这个问题，本文利用了VerilogHDL语言来设计FPGA中的算法。
首先，我们来处理第一个问题如图2所示。
图中，U与I分别代表的是电压信号与电压信号。在信号U的上升沿去读取I信号的值，就可以判定信号U与I的关系，如图1所示，在U信号的上升沿读取I的值，并将结果送到信号Q，则通过Q的值就可以判定电压与电流的滞后关系。从图中仿真结果可以看出，在信号U的前三个周期，电流信号均滞后电压信号。在信号的U的上升沿，将信号I的值赋值给Q，则Q=0；在信号U的后三个周期，电流信号均超前电压信号。在信号的U的上升沿，将信号I的值赋值给Q，则Q=1。可以得出这样的结论，当Q=0时，表示电流信号滞后电压信号，换能器表现出电感特性；当Q=1时，表示电流信号超前电压信号，换能器表现出电容特性。
通过Q的值，可以判定换能器特性，进而为后续的调谐设计提供依据。
在处理完电压、电流信号超前滞后信号的判定滞后，我们来处理相位差大小的问题。从图中可以直观的看出，所谓信号的相位差，就是经过比较器转换的方波信号在高低电平时间到来上的差异，可以简单的用异或运算来处理。异或运算的规则是输入的两路信号同为1或者同为0时，得到的结果为0；输入的两路信号一个为1，一个为0时，得到的结果为1如图3所示。
从上图中可以看出，电压信号U与电流信号I经过以后运算后，其相位差已经被取出，即通过信号XOR为高电平的时间长短，可以衡量出信号U与I的一个。
在进行完上述工作之后，我们已经解决了两个基本的问题。由于大功率超声信号源的信号频率在18K～22KHz，故在上述算法的仿真中，将信号U与I的频率都设定在20KHz。将上述算法利用VerilogHDL进行编程，并下载到CPLD中，经过试验验证，上述算法设计完全正确。
在得到信号XOR之后，可以直接用XOR去驱动电机，拖动磁芯，改变调谐回路中的L的值，从而使换能器调谐。
上述情况是在理想状态下得到的，但是在实际中，正弦波在过零点的时候往往存在一定的抖动现象，带来的直接后果就是电流信号I在通过过零比较器后往往会存在一定的错误信号，而这个错误的信号，系统本身并不能识别，因此，需要在后续的设计中，进行一些容错处理如图4所示。
从图中可以看出，由于信号I由正弦波通过比较器转换而来，而在过零点存在一定的抖动，造成的后果就是信号I由原来非常规则的方波信号，变成了有一定错误的方波信号，而随之而来的问题就是XOR信号也出现了问题。
因此，如前所述，需要进行容错设计。在实际中，电流信号的错误集中在正弦的过零点附近，并且，错误信号所占的时间非常的短暂，因此，在实际设计中，可以考虑取某个周期内的XOR最大值作为正确的信号差值，要达到此功能，可以通过Pipeline流水线技术来实现如图5所示。
在本文中，我们设计了一个10级流水线，时钟信号作用线，将每次采集到的数据送到流水线上，而我们所要用值，就是这十个数据中的最大值。如图所示，data_in信号为新采集的数据，即为XOR信号的时间长度。在仿真时，对data_in信号赋初值170，表示采集的到XOR信号长度为170个时钟脉冲，而处于仿真图最下边的是data_max，就是流水线中的数据的最大值。可以看到，在data_in信号（数字化后的XOR时间长度）不断变化的情况下，data_max的值相对固定，都为最新采集到的十个数据的最大值。因此，通过流水线Pipeline，完全达到了我们的设计目的。需要注意的是，由于采用了流水线技术，并且需要比较流水线中的值。
4、结语
本文在分析换能器调谐的基础上，设计了基于VerilogHDL编程，并且在FPGA上实施的功率超声的相位差测量方案，方案中，成功的解决了相位差测量的两个基本问题，即电压电流超前滞后定性问题与超前滞后量的大小问题，引入了Pipeline流水线技术解决在过零点电流信号因为抖动出现的反复过零问题，用此算法，可以正确有效地测量出相位差信号。
参考文献
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