农用超声波发生器的设计

自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。超声波发生器的发展与工农业的发展相伴相生，应用十分广泛，本设计的超声波发生器是利用单片机生成初始信号，然后经过一系列处理电路的作用后生成用来杀灭水蚤的超声波，成本低、效果好，可以在农业上加以采用。在此对3个模块进行设计：

　　(1)信号发生模块。12 MHz的8051单片机硬件连接及其程序设计。

　　(2)信号处理模块。驱动电路设计(CD4069非门集成芯片)；倍频电路设计(S9014或ECGl08三极管、104普通电容、11 257．9 nH自制电感、1 kΩ电阻)；整波电路设计(CD4069非门集成芯片)；和频电路设计(CD4081与门集成芯片)；选频电路设计(S9014或ECGl08三极管、104普通电容、112．58 nH自制电感、1 kΩ电阻)。

　　(3)信号检测模块、数字示波器的连接。

　　在上述研究基础上，设计一台超声波发生器样机，其技术指标如下：输入电压：220 VAC(50 Hz)；开关频率：1．5～1．8 MHz；最大的输出功率：500 W；功率范围：50～500 W。

　　1 信号发生模块的设计

　　选取一个8051单片机芯片，将晶振电路、复位电路、电源电路连接到单片机相应的引脚上组成单片机的最小系统。利用单片机的中断资源和I／O口资源进行相应连接并进行程序编辑：用P3．2口控制初始信号的发射与否，用P0．O口、P0．1口发射初始信号，如图1所示。

　　2 信号处理模块的设计

　　2．1 驱动电路的设计

　　如果将两列波(0．03 MHz)直接从单片机的输出口PO．O和P0．1输出接入后面的5倍频电路，可能会由于电流小而不能驱动倍频电路。从这点来考虑就需要在单片机与倍频电路之间接入一个驱动电路，如图2所示。在单片机的一个输出口接一个非门，而后接入由4个非门并联的电路，由于非门是有源器件，这样就使得输入倍频电路的信号能量大大提高，起到驱动电路的功能(若用方波发生器来代替单片机就可省略驱动电路)。

　　2．2 倍频电路的设计

　　根据电容电感元件的基本特性，以及电路的相关知识可以由已知条件得出：

　　如图3所示，当在LC并联电路中发生并联谐振时，由电路的特性可知：

　　并联谐振具有下列特征：

　　(1)谐振时电路的阻抗摸为|Zo|=1／(RC／L)=L／RC。其值最大，即比非谐振情况下的阻抗摸要大。因此在电源电压U一定的情况下，电路中的电流I将在谐振时达到最小值，即I=IO=U／(L／RC)=U／|Zo|。

　　(2)由于电源电压与电路中电流同相(∮=0)，因此电路对电源呈现电阻性。谐振时电路的阻抗摸|Zo|相当于一个电阻。

　　(3)谐振时各并联支路的电流为：IL=U／2πfoL；Ic=U／(1／2πfoC)，可见IL=Ic>Io，品质因数Q=IL／Io。

　　(4)当电路发生谐振时，电路阻抗摸最大，电流通过时在电路两端产生的电压也是最大。当电源为其他频率时电路不发生谐振，阻抗摸较小，电路两端的电压也较小。这样就起到了选频的作用。电路的品质因数Q值越大，选择性越强。

　　通常把晶体管的输出特性曲线分为3个工作区：

　　(1)放大区。输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区，Ic=βIb。放大区也称为线性区，因为Ic和Ib成正比的关系。当晶体管工作于放大区时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置，即对NPN型管来说，应使Ube>O，Ubc (2)截止区。Ib=0的曲线以下的区域称为截止区。Ib=0时，Ic=Iceo。对NPN型硅管而言，当Ube (3)饱和区。当Uce LC选频电路接在集电极电路中，通过的交流电流为Ic，其两端交流电压为Uce(即为输出电压)，它是并联交流电路。当发生并联谐振时，谐振频率可求得，当将振荡电路与电源接通时，在扰动信号中只有频率为f0的分量才发生并联谐振。在并联谐振时，LC并联电路的阻抗最大，并且是电阻性的(相当于集电极负载电阻Rc)。因此，对f0这个频率来说，电压放大倍数最高，当满足自激振荡的条件时，就产生自激振荡。对于其他频率的分量，不能产生并联谐振，这就达到了选频的目的。在输出端得到的只是频率为f0的信号。当改变LC电路的参数L或C时，输出信号的振荡频率也就改变，于是就可以进行倍频，本实验用的是五倍频，如图4所示。

　　在实验中已知频率和电容参数计算电感参数，由已知条件可得：Ll=L2=11257．9 nH；L3=112．58 nH。

　　由单片机输出的信号频率即在A1点或A2点(0．03 MHz)经由5倍频放大后输出的信号频率应为输入信号频率的5倍即为A3点或A4点(O．15 MHz)，仿真结果如图5所示。

　　2．3 整波电路的设计

在本实验中运用的是CD4069集成非门电路，非门主要是将输入信号波整