農用超聲波發生器的設計

自19世紀末到20世紀初，在物理學上發現了壓電效應與反壓電效應之后，人們解決了利用電子學技術產生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發展與推廣超聲技術的歷史篇章。超聲波發生器的發展與工農業的發展相伴相生，應用十分廣泛，本設計的超聲波發生器是利用單片機生成初始信號，然后經過一系列處理電路的作用后生成用來殺滅水蚤的超聲波，成本低、效果好，可以在農業上加以采用。在此對3個模塊進行設計：
(1)信號發生模塊。12 MHz的8051單片機硬件連接及其程序設計。
(2)信號處理模塊。驅動電路設計(CD4069非門集成芯片)；倍頻電路設計(S9014或ECGl08三極管、104普通電容、11 257．9 nH自制電感、1 kΩ電阻)；整波電路設計(CD4069非門集成芯片)；和頻電路設計(CD4081與門集成芯片)；選頻電路設計(S9014或ECGl08三極管、104普通電容、112．58 nH自制電感、1 kΩ電阻)。
(3)信號檢測模塊、數字示波器的連接。
在上述研究基礎上，設計一臺超聲波發生器樣機，其技術指標如下：輸入電壓：220 VAC(50 Hz)；開關頻率：1．5～1．8 MHz；最大的輸出功率：500 W；功率范圍：50～500 W。

1 信號發生模塊的設計
選取一個8051單片機芯片，將晶振電路、復位電路、電源電路連接到單片機相應的引腳上組成單片機的最小系統。利用單片機的中斷資源和I／O口資源進行相應連接并進行程序編輯：用P3．2口控制初始信號的發射與否，用P0．O口、P0．1口發射初始信號，如圖1所示。

2 信號處理模塊的設計
2．1 驅動電路的設計
如果將兩列波(0．03 MHz)直接從單片機的輸出口PO．O和P0．1輸出接入后面的5倍頻電路，可能會由于電流小而不能驅動倍頻電路。從這點來考慮就需要在單片機與倍頻電路之間接入一個驅動電路，如圖2所示。在單片機的一個輸出口接一個非門，而后接入由4個非門并聯的電路，由于非門是有源器件，這樣就使得輸入倍頻電路的信號能量大大提高，起到驅動電路的功能(若用方波發生器來代替單片機就可省略驅動電路)。

2．2 倍頻電路的設計
根據電容電感元件的基本特性，以及電路的相關知識可以由已知條件得出：

如圖3所示，當在LC并聯電路中發生并聯諧振時，由電路的特性可知：

并聯諧振具有下列特征：
(1)諧振時電路的阻抗摸為|Zo|=1／(RC／L)=L／RC。其值最大，即比非諧振情況下的阻抗摸要大。因此在電源電壓U一定的情況下，電路中的電流I將在諧振時達到最小值，即I=IO=U／(L／RC)=U／|Zo|。
(2)由于電源電壓與電路中電流同相(∮=0)，因此電路對電源呈現電阻性。諧振時電路的阻抗摸|Zo|相當于一個電阻。
(3)諧振時各并聯支路的電流為：IL=U／2πfoL；Ic=U／(1／2πfoC)，可見IL=Ic>Io，品質因數Q=IL／Io。
(4)當電路發生諧振時，電路阻抗摸最大，電流通過時在電路兩端產生的電壓也是最大。當電源為其他頻率時電路不發生諧振，阻抗摸較小，電路兩端的電壓也較小。這樣就起到了選頻的作用。電路的品質因數Q值越大，選擇性越強。
通常把晶體管的輸出特性曲線分為3個工作區：
(1)放大區。輸出特性曲線的近于水平部分是放大區。在放大區，Ic=βIb。放大區也稱為線性區，因為Ic和Ib成正比的關系。當晶體管工作于放大區時，發射結處于正向偏置，集電結處于反向偏置，即對NPN型管來說，應使Ube>O，UbcO。
(2)截止區。Ib=0的曲線以下的區域稱為截止區。Ib=0時，Ic=Iceo。對NPN型硅管而言，當UbeO．5 V時，即已經開始截止，但是為了截止可靠，常使UbeO。截止時集店結也處于反向偏置。
(3)飽和區。當UceUbe時，集電結處于正向偏置，晶體管工作于飽和狀態。在飽和區，Ib的變化對Ic的影響較小，兩者不成正比，放大區的β不能適用于飽和區。飽和時，發射結也處于正向偏置。本實驗是利用三極管的放大作用，進行5倍頻放大并選頻，因此是第1種情況。
LC選頻電路接在集電極電路中，通過的交流電流為Ic，其兩端交流電壓為Uce(即為輸出電壓)，它是并聯交流電路。當發生并聯諧振時，諧振頻率可求得，當將振蕩電路與電源接通時，在擾動信號中只有頻率為f0的分量才發生并聯諧振。在并聯諧振時，LC并聯電路的阻抗最大，并且是電阻性的(相當于集電極負載電阻Rc)。因此，對f0這個頻率來說，電壓放大倍數最高，當滿足自激振蕩的條件時，就產生自激振蕩。對于其他頻率的分量，不能產生并聯諧振，這就達到了選頻的目的。在輸出端得到的只是頻率為f0的信號。當改變LC電路的參數L或C時，輸出信號的振蕩頻率也就改變，于是就可以進行倍頻，本實驗用的是五倍頻，如圖4所示。