压电器件的参数测试与驱动系统研究

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压电超声换能器作为一种压电器件,它的能量由超声波信号发生器提供。一个输出响应快且稳定的超声波信号发生器,是驱动换能器的基本要求。本文从换能器的等效电路模型出发,以导纳圆为依据,分析了换能器在谐振频率附近的等效电参数与频率之间的关系。同时确定了换能器发生谐振时,换能器中的电流几乎达到最大,而电压和电流的相位差几乎为零。据此,本文采用动态谐振法来测量需要的参数。选取电流和相位差作为控制系统的反馈量。整个系统的控制核心是AVR单片机与FPGA,信号的生成用DDS集成芯片,幅值控制则是由DAC和模拟乘法器构成。并完成了相应的单片机程序、FPGA程序和上位机程序的编写。单一的电流反馈不能很快确定频率改变的方向,而换能器的谐振频率和反谐振频率对应的相位差都为零。如果只以相位差作为反馈,又有可能会误跟踪到反谐振频率上。本文选择电流和相位差都作为反馈量,并对频率跟踪算法进行设计。考虑到相位差与频率的非线性关系,对应不同的相位差选择不同的比例增益,得到合适的步进频率,加快跟踪速度。最后,用本系统完成器件测试,效果良好。用示波器捕捉电流输出波形,稳定时间在2-3ms之间。
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