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你该知道的超声波发生器知识

来源: | 发布日期:2022-04-20

采用数字电路超声波发生器,可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点,有利于参数整定和变参数调节,便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略,同时可减少元器件的数目、简化硬件结构,从而提高系统的可靠性。此外,还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断,有助于实现超声波发生器的智能化。

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超声波发生器应用数字化控制技术一般有三种形式。

(1)釆用单片机控制

单片机是一种在一块芯片上集成了 CPU、RAM/ROM、定时器/计数器和I/O接口等单元的微控制芯片,具有速度快、功能强、效率高、体积小、性能可靠、抗干扰能力强等优点,在各种控制系统中应用广泛。单片机的CPU经历了由4、8、16、32直至64位的发展过程。主要以美国INTEL公司生产的MCS-51 (8位)和MCS-96(16位)两大系列为代表。在超声波发生器中,单片机主要用作数据采集、运算处理、电压、电流调节、PWM信号的生成、系统状态监控和故障自我诊断等。一般作为整个电路的主控芯片运行,完成多种综合功能。配合D/A转换器和MOSFET功率模块实现脉宽调制。另外,单片机还具有对过流、过热、欠压等情况的中断保护以及监控功能。

单片机控制克服了模拟电路的缺陷,通过数字化的控制方法,得到高精度和高稳定度的控制特性,并可实现灵活多样的控制功能。但是,单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾,而且处理速度也很难满足高频电路的要求,这就使人们转而寻求功能更强的芯片,于是数字信号处理器(DSP)应运而生。

(2)采用数字信号处理器(DSP)控制

数字信号处理器(DSP)是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器。其内部集成了波特率发生器和FIFO缓冲器,提供高速同步串口和标准异步串口,有的芯片内还集成了采样/ 保持和A/D转换电路,并提供PWM信号输出。与单片机相比,DSP具有更快的CPU,更 高的集成度和更大容量的存储器。

DSP属于精简指令系统计算机(RiSC),大多数指令都能在一个周期内完成并可通过并行处理技术,在一个指令周期内完成多条指令。同时,DSP采用改进的哈佛结构,具有独立的程序和数据空间,允许同时存储程序和数据。内置高速的硬件乘法器,增加了多级流水线,使其具有高速的数据运算能力。而单片机为复杂指令系统计算机(CiSC),多数指令要 2〜3个指令周期才能完成。单片机采用诺依曼结构,程序和数据在同一空间存储,同一时 刻只能单独访问指令或数据。单片机的ALU只能做加法,而乘法则需要由软件来实现,因而需要占用较多的指令周期,速度比较慢。与16位单片机相比,DSP执行单指令的时间快 8〜10倍,一次乘法运算时间快16-30倍。

在超声波发生器中,DSP可以完成除功率变换以外的所有功能,如主电路控制、系统实时监控及保护、系统通信等。虽然DSP有着许多优点,但是它也存在一些局限性,如釆样频率的选择、PWM信号频率及其精度、釆样延时、运算时间及精度等,这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。

(3)采用FPGA控制

现场可编程门阵列(FPGA)属于可重构器件,其内部逻辑功能可以根据需要任意设定,具有集成度高、处理速度快、效率高等优点。其结构主要分为三部分:可编程逻辑块、可编程I/O模块、可编程内部连线。由于FPGA的集成度非常大,一片FPGA少则几千个等效门,多则几万或几十万个等效门,所以一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑功能, 替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言(VHDL)来对系统进行设计,釆用三个层次(行为描述、PJL描述、门级描述)的硬件描述和自上至下(从系统功 能描述开始)的设计风格,能对三个层次的描述进行混合仿真,从而可以方便地进行数字电 路设计,在可靠性、体积、成本上具有相当优势。比较而言,DSP适合取样速率低和软件复杂程度高的场合使用;而当系统取样速率高(MHz级),数据率高(20MB/s以上)、条 件操作少、任务比较固定时,FPGA更有优势。

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