[发明专利]一种高分辨超声波频率源信号处理装置及方法

说明书

本发明公开了一种高分辨超声波频率源信号处理装置及方法，步骤1：根据平滑后的相位差与设定的相位差比较门限，调节频率控制字K；步骤2：根据调节后的频率控制字K，利用查找表的方式生成正弦波；步骤3：将正弦波与比较电平进行电平比较并产生数字方波，数字方波经功率放大与隔离电路处理后驱动超声波换能器；步骤4：根据超声波换能器电压、电流信号对步骤1中平滑后的相位差进行迭代，循环重复步骤1‑3。本发明具有超声波频率分辨率高、快速自动跟频、配置灵活、整机发热量小等优势，能够应用于各种类型的超声波发生器。

技术领域

本发明涉及一种高分辨超声波频率源信号处理装置及方法，属于超声波发生器技术领域。

背景技术

超声波发生器，又称超声波电源或超声波功率电源，是大功率超声系统的核心部件之一。目前，市场上以模拟体制为主的超声波发生器，其常会出现功率管发热量大、使用寿命短、技术状态不稳定、可靠性差等问题。

数字式超声波发生器作为替代产品，主要用于口罩、塑料、化纤等物料的焊接，现有数字式超声波发生器采用纯单片机控制的发生器，且在信号处理方法上还有不足，导致数字脉冲分辨率低、鉴相精度低、跟频速度慢、信号处理方式配置不灵活等缺点。所以本领域技术人员急需要数字式超声波发生器进行重新设计，用于解决以上不足。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高分辨超声波频率源信号处理装置及方法，采用FPGA作为数字式超声波发生器的主处理器，实现数字脉冲输出至功率放大电路，同时利用FPGA数字信号处理可以对超声波换能器的电压-电流向量之间的相位差进行精确测量，从而实现实时控制数字脉冲的频率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高分辨超声波频率源信号处理装置，包括如下模块：

参数接收模块用于将比较电平输出到给整形模块，将频率控制字K初值、相位差比较门限参数输出到频率控制字K自动调节模块；

参考时钟模块用于接收外部晶振的时钟脉冲，并作为计数/转换模块的参考时钟；

频率控制字K自动调节模块用于根据均值滤波模块输出的平滑后的相位差，对当前频率控制字K进行增大或减小的调节，并将调节后的频率控制字K输入到DDS模块；

DDS模块用于根据频率控制字K，利用查找表的方式，生成正弦波；

整形模块用于将正弦波与比较电平进行电平比较并产生数字方波，正弦波高于比较电平时输出高电平，正弦波低于比较电平时输出低电平；

带通滤波器模块用于接收换能器电压和电流的逻辑电平方波进行滤波，还原成高信噪比的电压和电流正弦波；

零电平比较器用于将电压和电流正弦波变换成占空比50％的标准数字方波；

异或运算模块对电压和电流的标准数字方波进行异或逻辑运算，得到异或后的方波，并记录每个方波对应的电压和电流相位超前或滞后关系；

计数/转换模块用于以异或后的方波为计数使能信号，在一个振荡周期内利用高频的参考时钟对每个方波进行计数，得到每个方波计数值；

均值滤波模块用于利用滑窗求均值的方法对连续多个振荡周期内测量得到的方波计数值进行平均，得到平滑后的相位差，并输出到频率控制字K自动调节模块。

作为优选方案，所述频率控制字K调节步骤如下：

当相位差大于预先设定的相位差比较门限时，且当U相位超前I相位时，对频率控制字K的值减1；当U相位滞后I相位时，对频率控制字K的值加1；

当相位差不大于预先设定的相位差比较门限时，则不改变当前频率控制字K的值。