自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。超聲波發(fā)生器的發(fā)展與工農(nóng)業(yè)的發(fā)展相伴相生，應(yīng)用十分廣泛，本設(shè)計(jì)的超聲波發(fā)生器是利用單片機(jī)生成初始信號(hào)，然后經(jīng)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(nóng)業(yè)上加以采用。在此對(duì)3個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)：
    (1)信號(hào)發(fā)生模塊。12 MHz的8051單片機(jī)硬件連接及其程序設(shè)計(jì)。
    (2)信號(hào)處理模塊。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)(CD4069非門集成芯片)；倍頻電路設(shè)計(jì)(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(shè)計(jì)(CD4069非門集成芯片)；和頻電路設(shè)計(jì)(CD4081與門集成芯片)；選頻電路設(shè)計(jì)(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(hào)檢測(cè)模塊、數(shù)字示波器的連接。
    在上述研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一臺(tái)超聲波發(fā)生器樣機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)如下：輸入電壓：220 VAC(50 Hz)；開關(guān)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(hào)發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)
    選取一個(gè)8051單片機(jī)芯片，將晶振電路、復(fù)位電路、電源電路連接到單片機(jī)相應(yīng)的引腳上組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。利用單片機(jī)的中斷資源和I／O口資源進(jìn)行相應(yīng)連接并進(jìn)行程序編輯：用P3．2口控制初始信號(hào)的發(fā)射與否，用P0．O口、P0．1口發(fā)射初始信號(hào)，如圖1所示。

2 信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)
2．1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
    如果將兩列波(0．03 MHz)直接從單片機(jī)的輸出口PO．O和P0．1輸出接入后面的5倍頻電路，可能會(huì)由于電流小而不能驅(qū)動(dòng)倍頻電路。從這點(diǎn)來考慮就需要在單片機(jī)與倍頻電路之間接入一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。在單片機(jī)的一個(gè)輸出口接一個(gè)非門，而后接入由4個(gè)非門并聯(lián)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(hào)能量大大提高，起到驅(qū)動(dòng)電路的功能(若用方波發(fā)生器來代替單片機(jī)就可省略驅(qū)動(dòng)電路)。

2．2 倍頻電路的設(shè)計(jì)
    根據(jù)電容電感元件的基本特性，以及電路的相關(guān)知識(shí)可以由已知條件得出：
   
    如圖3所示，當(dāng)在LC并聯(lián)電路中發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，由電路的特性可知：
   
    并聯(lián)諧振具有下列特征：
    (1)諧振時(shí)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(shí)達(dá)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(duì)電源呈現(xiàn)電阻性。諧振時(shí)電路的阻抗摸|Zo|相當(dāng)于一個(gè)電阻。
    (3)諧振時(shí)各并聯(lián)支路的電流為：IL=U／2πfoL；Ic=U／(1／2πfoC)，可見IL=Ic>Io，品質(zhì)因數(shù)Q=IL／Io。
    (4)當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，電路阻抗摸最大，電流通過時(shí)在電路兩端產(chǎn)生的電壓也是最大。當(dāng)電源為其他頻率時(shí)電路不發(fā)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(zhì)因數(shù)Q值越大，選擇性越強(qiáng)。
    通常把晶體管的輸出特性曲線分為3個(gè)工作區(qū)：
    (1)放大區(qū)。輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)，Ic=βIb。放大區(qū)也稱為線性區(qū)，因?yàn)镮c和Ib成正比的關(guān)系。當(dāng)晶體管工作于放大區(qū)時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，即對(duì)NPN型管來說，應(yīng)使Ube>O，Ubc<O。
    (2)截止區(qū)。Ib=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。Ib=0時(shí)，Ic=Iceo。對(duì)NPN型硅管而言，當(dāng)Ube<O．5 V時(shí)，即已經(jīng)開始截止，但是為了截止可靠，常使Ube<O。截止時(shí)集店結(jié)也處于反向偏置。
    (3)飽和區(qū)。當(dāng)Uce<Ube時(shí)，集電結(jié)處于正向偏置，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，Ib的變化對(duì)Ic的影響較小，兩者不成正比，放大區(qū)的β不能適用于飽和區(qū)。飽和時(shí)，發(fā)射結(jié)也處于正向偏置。本實(shí)驗(yàn)是利用三極管的放大作用，進(jìn)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(lián)交流電路。當(dāng)發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，諧振頻率可求得，當(dāng)將振蕩電路與電源接通時(shí)，在擾動(dòng)信號(hào)中只有頻率為f0的分量才發(fā)生并聯(lián)諧振。在并聯(lián)諧振時(shí)，LC并聯(lián)電路的阻抗最大，并且是電阻性的(相當(dāng)于集電極負(fù)載電阻Rc)。因此，對(duì)f0這個(gè)頻率來說，電壓放大倍數(shù)最高，當(dāng)滿足自激振蕩的條件時(shí)，就產(chǎn)生自激振蕩。對(duì)于其他頻率的分量，不能產(chǎn)生并聯(lián)諧振，這就達(dá)到了選頻的目的。在輸出端得到的只是頻率為f0的信號(hào)。當(dāng)改變LC電路的參數(shù)L或C時(shí)，輸出信號(hào)的振蕩頻率也就改變，于是就可以進(jìn)行倍頻，本實(shí)驗(yàn)用的是五倍頻，如圖4所示。

    在實(shí)驗(yàn)中已知頻率和電容參數(shù)計(jì)算電感參數(shù)，由已知條件可得：Ll=L2=11257．9 nH；L3=112．58 nH。
    由單片機(jī)輸出的信號(hào)頻率即在A1點(diǎn)或A2點(diǎn)(0．03 MHz)經(jīng)由5倍頻放大后輸出的信號(hào)頻率應(yīng)為輸入信號(hào)頻率的5倍即為A3點(diǎn)或A4點(diǎn)(O．15 MHz)，仿真結(jié)果如圖5所示。

2．3 整波電路的設(shè)計(jì)
    在本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的是CD4069集成非門電路，非門主要是將輸入信號(hào)波整合成方波以便于后面與門對(duì)波的進(jìn)一步處理。只要工作電壓達(dá)到非門的開啟電壓經(jīng)過這樣的處理就可將輸入波整合成方波，如圖6所示。

    由5倍頻放大器輸出的信號(hào)頻率即在A3點(diǎn)或A4點(diǎn)(0．15 MHz)經(jīng)由兩個(gè)非門后(即在A5點(diǎn)或A6點(diǎn))輸出的信號(hào)應(yīng)為方波，仿真結(jié)果如圖7所示。
2．4 和頻電路的設(shè)計(jì)
    在本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的是CD4081集成與門電路，與門主要是將輸入的兩列方波信號(hào)相互作用后再輸出，而后進(jìn)入后面的5倍頻電路進(jìn)行進(jìn)一步的處理。在本實(shí)驗(yàn)中與門起到了乘法器的作用，并且可以減少雜波的干擾，使實(shí)驗(yàn)效果更加良好。
    其中與門實(shí)現(xiàn)和頻的原理是實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵，下面就對(duì)此做出討論：設(shè)兩列占空比為1；1幅值為1的方波b(t)和x(t)的頻率分別為f0和f1= f0+△，其中f0為標(biāo)準(zhǔn)頻率，f1為待測(cè)頻率，設(shè)f1≥f0且1≤f1／f0<2(同理可證明f0≥f1且1≤f0／fl<2的情況)，△max=max{△}<f0。將兩方波b(t)和x(t)加到與門的輸入端(相乘)，則產(chǎn)生b(t)·x(t)的輸出。兩個(gè)方波按偶函數(shù)展開為：
   
    根據(jù)傅里葉有關(guān)定理知：設(shè)周期為2l周期函數(shù)f(x)滿足收斂定理?xiàng)l件，則它的傅里葉級(jí)數(shù)展開式為：
   

    假設(shè)有兩列波：
方波1可表示為：
    sinω1t+(1/3)sin3ω1t+(1/5)sin5ω1t+…
方波2可表示為：
    sinω2t+(1/3)sin3ω2t+(1/5)sin5ω2t+…
方波1乘以方波2就為ω1+ω2波。
    本實(shí)驗(yàn)中方波1(0．15 MHz)與方波2(0．15 MHz)經(jīng)過與門后就變成0．3 MHz(0．15MHz+0．15MHz)的方波，如圖8所示。

    由非門輸出的信號(hào)頻率即在A5點(diǎn)(0．15MHz)或A6點(diǎn)(0．15MHz)經(jīng)由與門后輸出的信號(hào)應(yīng)為頻率為O．3 MHz的方波(即在A7點(diǎn))，仿真結(jié)果如圖9所示。
2．5 選頻電路的設(shè)計(jì)
    在本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的5倍頻選頻電路和5倍頻倍頻電路的原理相同，如圖10所示。

    由與門輸出的信號(hào)頻率即在A7點(diǎn)(O．3 MHz)經(jīng)過5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為1．5 MFIz，仿真結(jié)果如圖11所示。
2．6 整體電路的設(shè)計(jì)
    整體電路如圖12所示。由單片機(jī)輸出的信號(hào)頻率即在A1點(diǎn)或A2點(diǎn)(O．03 MHz)經(jīng)由5倍頻放大后輸出的信號(hào)頻率應(yīng)為輸入信號(hào)頻率的5倍即為A3點(diǎn)或A4點(diǎn)(0．15 MHz)；經(jīng)由2個(gè)非門后(即在A5點(diǎn)或A6點(diǎn))輸出的信號(hào)應(yīng)為方波；由非門輸出的信號(hào)頻率即在A7點(diǎn)應(yīng)為兩列方波經(jīng)由與門后輸出的信號(hào)應(yīng)為頻率相加的方波(O．3 MHz)；由與門輸出的信號(hào)頻率即在A7點(diǎn)經(jīng)過5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為1．5 MHz(A8點(diǎn))，仿真結(jié)果如圖13所示。

3 信號(hào)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)
    在本設(shè)計(jì)中由信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)出O．03 MHz初始信號(hào)后，經(jīng)過信號(hào)處理模塊后是否達(dá)到預(yù)定要求，這需要經(jīng)過檢測(cè)模塊檢測(cè)最終信號(hào)是否達(dá)到1．5～1_8 MHz的頻率要求。本模塊由數(shù)字示波器來進(jìn)行檢測(cè)的，經(jīng)過查看圖形，設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期要求，如圖14所示。

4 結(jié)語
    本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的農(nóng)用超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、維修便宜，可靠性好，性能穩(wěn)定。該超聲波發(fā)生器不僅可以在農(nóng)業(yè)上用來殺滅水蚤，而且可以一機(jī)多用，因?yàn)樵摍C(jī)的功能完全取決于8051單片機(jī)的所編程序，根據(jù)實(shí)際需要，可以隨時(shí)改變程序設(shè)計(jì)來滿足要求，可移植性好。該超聲波發(fā)生器成本較低，實(shí)用性好，便于在農(nóng)業(yè)上廣泛普及。