超声波换能器是一种将电能转换成声能的装置,在国民经济建设中它对提高产品质量、降低生产成本、防止环境污染、提高生产效率等具有特殊的潜在能力,因此,被广泛地应用于工业、医疗、生物等领域。目前,随着超声波技术应用范围的不断扩展,现有的超声功率发生技术已经无法满足现代工业中对高频输出、快速响应的性能要求。本文针对目前超声波技术应用面临的问题,在充分研究超声波换能器的基础上,将快速傅里叶变换(FFT)和PID算法相结合,设计了一款基于FPGA的超声功率发生系统。本文主要研究内容如下:(1)优化硬件模块。为产生高频的超声激励信号,选用FPGA作为高频信号发生器,并采用隔离式驱动芯片UCC21520设计全桥驱动电路。同时,针对所使用的超声波换能器设计匹配电路,实现调谐匹配和阻抗匹配。然后通过采样电路对换能器的电压与电流信号进行隔离采样,并利用信号调理电路对隔离采样的信号进行调理。最后利用ADS7883芯片设计高速A/D转化电路,将信号转变成FPGA可以处理的数字信号。(2)优化系统算法。利用FPGA对调理后的电压、电流信号进行FFT,采用这种方式可以将时域信号转变为频域信号。这不仅能够有效地滤除各次谐波对计算结果产生的影响,还可以得到电压、电流信号的基波幅值、谐波幅度和相位信息,进而计算出换能器的有功功率。然后,根据相位关系进行PID控制,通过调节系统的输出频率,使负载换能器始终工作在谐振频率上,保证系统稳定、可靠地运行。(3)搭建实验平台并制作样机。根据系统总体方案搭建实验平台,采用C++语言开发用户控制界面。FPGA利用RS232通信接口与上位机进行通信,将功率发生电路的电压、电流、相位实时显示。通过大量的实验调试,对系统软、硬件进行不断地改善优化,最后完成了样机的制作。