采用數(shù)字電路超聲波發(fā)生器，可以消除溫度漂移等常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點(diǎn)，有利于參數(shù)整定和變參數(shù)調(diào)節(jié)，便于通過(guò)程序軟件的改變方便地調(diào)整控制方案和實(shí)現(xiàn)多種新型控制策略，同時(shí)可減少元器件的數(shù)目、簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。此外，還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)儲(chǔ)存和故障自動(dòng)診斷，有助于實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)生器的智能化。

超聲波發(fā)生器應(yīng)用數(shù)字化控制技術(shù)一般有三種形式。

（1）釆用單片機(jī)控制

單片機(jī)是一種在一塊芯片上集成了CPU、RAM/ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和I/O接口等單元的微控制芯片，具有速度快、功能強(qiáng)、效率高、體積小、性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各種控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。單片機(jī)的CPU經(jīng)歷了由4、8、16、32直至64位的發(fā)展過(guò)程。主要以美國(guó)INTEL公司生產(chǎn)的MCS-51（8位）和MCS-96（16位）兩大系列為代表。在超聲波發(fā)生器中，單片機(jī)主要用作數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理、電壓、電流調(diào)節(jié)、PWM信號(hào)的生成、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和故障自我診斷等。一般作為整個(gè)電路的主控芯片運(yùn)行，完成多種綜合功能。配合D/A轉(zhuǎn)換器和MOSFET功率模塊實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。另外，單片機(jī)還具有對(duì)過(guò)流、過(guò)熱、欠壓等情況的中斷保護(hù)以及監(jiān)控功能。

單片機(jī)控制克服了模擬電路的缺陷，通過(guò)數(shù)字化的控制方法，得到高精度和高穩(wěn)定度的控制特性，并可實(shí)現(xiàn)靈活多樣的控制功能。但是，單片機(jī)的工作頻率與控制精度是一對(duì)矛盾，而且處理速度也很難滿足高頻電路的要求，這就使人們轉(zhuǎn)而尋求功能更強(qiáng)的芯片，于是數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）應(yīng)運(yùn)而生。

（2）采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）控制

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是近年來(lái)迅速崛起的新一代可編程處理器。其內(nèi)部集成了波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器，提供高速同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口，有的芯片內(nèi)還集成了采樣/ 保持和A/D轉(zhuǎn)換電路，并提供PWM信號(hào)輸出。與單片機(jī)相比，DSP具有更快的CPU，更高的集成度和更大容量的存儲(chǔ)器。

DSP屬于精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RiSC），大多數(shù)指令都能在一個(gè)周期內(nèi)完成并可通過(guò)并行處理技術(shù)，在一個(gè)指令周期內(nèi)完成多條指令。同時(shí)，DSP采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增加了多級(jí)流水線，使其具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。而單片機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CiSC），多數(shù)指令要2?3個(gè)指令周期才能完成。單片機(jī)采用諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)在同一空間存儲(chǔ)，同一時(shí) 刻只能單獨(dú)訪問(wèn)指令或數(shù)據(jù)。單片機(jī)的ALU只能做加法，而乘法則需要由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而需要占用較多的指令周期，速度比較慢。與16位單片機(jī)相比，DSP執(zhí)行單指令的時(shí)間快 8?10倍，一次乘法運(yùn)算時(shí)間快16-30倍。

在超聲波發(fā)生器中，DSP可以完成除功率變換以外的所有功能，如主電路控制、系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控及保護(hù)、系統(tǒng)通信等。雖然DSP有著許多優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在一些局限性，如釆樣頻率的選擇、PWM信號(hào)頻率及其精度、釆樣延時(shí)、運(yùn)算時(shí)間及精度等，這些因素會(huì)或多或少地影響電路的控制性能。

（3）采用FPGA控制

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）屬于可重構(gòu)器件，其內(nèi)部邏輯功能可以根據(jù)需要任意設(shè)定，具有集成度高、處理速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)主要分為三部分：可編程邏輯塊、可編程I/O模塊、可編程內(nèi)部連線。由于FPGA的集成度非常大，一片F(xiàn)PGA少則幾千個(gè)等效門，多則幾萬(wàn)或幾十萬(wàn)個(gè)等效門，所以一片F(xiàn)PGA就可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯功能， 替代多塊集成電路和分立元件組成的電路。它借助于硬件描述語(yǔ)言（VHDL）來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，釆用三個(gè)層次（行為描述、PJL描述、門級(jí)描述）的硬件描述和自上至下（從系統(tǒng)功 能描述開始）的設(shè)計(jì)風(fēng)格，能對(duì)三個(gè)層次的描述進(jìn)行混合仿真，從而可以方便地進(jìn)行數(shù)字電 路設(shè)計(jì)，在可靠性、體積、成本上具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。比較而言，DSP適合取樣速率低和軟件復(fù)雜程度高的場(chǎng)合使用；而當(dāng)系統(tǒng)取樣速率高（MHz級(jí)），數(shù)據(jù)率高（20MB/s以上）、條 件操作少、任務(wù)比較固定時(shí)，F(xiàn)PGA更有優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：湯梓紅