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农用超声波发生器的设计

作者:时间:2010-10-05来源:网络收藏

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。的发展与工农业的发展相伴相生,应用十分广泛,本设计的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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/187778.htm



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,UbcO。
(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UbeO.5 V时,即已经开始截止,但是为了截止可靠,常使UbeO。截止时集店结也处于反向偏置。
(3)饱和区。当UceUbe时,集电结处于正向偏置,晶体管工作于饱和状态。在饱和区,Ib的变化对Ic的影响较小,两者不成正比,放大区的β不能适用于饱和区。饱和时,发射结也处于正向偏置。本实验是利用三极管的放大作用,进行5倍频放大并选频,因此是第1种情况。
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。


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