超聲發生器是超聲加工系統的重要部分，其性能的好壞直接影響著產品的加工質量。在超聲加工系統中，為了獲得最大振幅以提高加工質量，工作中應調整超聲發生器的頻率，使其與換能器振動系統的諧振頻率相同。但加工過程中諸多因素的改變使換能器的諧振頻率發生變化（如圖1所示）,當超聲發生器具有頻率自動跟蹤性能后，系統就總是工作在諧振狀態；為使超聲設備工作穩定，許多場合要求換能器輸出的功率與負載大小成比例，例如當換能器從重載突然變為空載時，其機械負載阻急劇變小，使得發生器和換能器極易損壞，我們研制的新型多功能發生器內部有一穩速電路，使功放的功率隨負載的變化而變化；為了現場了解系統的工作狀態，特別加入了機械振幅監控裝置，使得操作人員可以方便地管理和操作設備。

圖1 換能器振動系統的頻率特性

　電路原理與裝置

　　如圖2所示，發生器可分為主電路、采樣電路、頻率跟蹤、穩速電路以及振幅監測電路。

圖2 超聲發生器系統結構圖

　主電路
　　壓控振蕩選用的是ICL8083,按圖3所示接線時，可得到頻率可控的正弦波，其中輸入電壓V即是鑒相電路的輸出，其壓控制特性曲線如圖4示。

圖3 壓控振蕩電路圖

圖4 壓控特性

圖5 換能器等效電路

圖6 鑒相電路簡圖

   頻率跟蹤電路
　　頻率跟蹤電路由單壓取樣、鑒相電路組成。換能器和超聲發生器連接的等電路圖如圖5所示。輸出變壓器B的左端接超聲發生器的功率輸出端，L₀為匹配電感，使換能器處與諧振狀態，虛框中為換能器的等效電路。當其處于諧振狀態時，虛框部分呈純阻性，電壓和電流相位相同；當處于失諧狀態時，電路呈感性或容性，這時電壓和電流相位不同。通過鑒相電路可以把這一相位差轉換為一信號電壓，當這一電壓加在8083的7、8腳時即可改變超聲發生器的頻率，使換能器處于諧振狀態，鑒相電路簡圖如圖6所示。U和i分別為由采樣電路得到的換能器兩端的電壓和通過其的電流，經電壓比較器A₁、A₂和異或門A₄及D觸發器A₅處理后各點波形如圖7。其中異或門A₄的輸出經由兩個電容構成的濾波電路后，變成一平滑的直流電壓，而且其大小隨相位差（異或門輸出高電平的寬度）的增大而增大。當電壓落后電流時，D觸發器輸出高電平，這時A₃為一放大倍數為“1”的反向器（和運放相連的電阻應相對較大，否則三極管導通時電路將失去作用）；反之，A₃為一放大倍數為“1”的跟隨器。由此可知，鑒相電路可控制系統頻率向諧振頻率靠近直至達到諧振頻率。電壓和電流采樣電路如圖8所示，由于換能器的電壓和電流是主電路的強電信號，本電路采用光電耦連接強弱電，使主電路和控制電路隔離，同時也有濾波的作用，強電采樣用的是電壓互感器和電流互感器。電路中均采用40系列的COMS芯片，這樣不僅電路穩定，而且異或門的輸出電壓范圍較大，可以達到8083的要求，中間省去放大電路，使得電路簡化。

圖7 各點波形

圖8 電壓、電源采樣電路

  穩速電路
　　當超聲加工系統穩定重載工作時，主電路電流為一穩定值且應達到最大輸出功率。這時如果變為空載，換能器的阻抗變小，電路電流突然增大，不但浪費能源而且換能器容易被燒壞。同時，當工件變化時，如果功率不變，則機械振幅發生變化，造成加工質量不穩定。所以可設計一電路，取主電路電流為信號，利用雙向可控硅加一負反饋電路，可以使系統電流為一穩定值，從而機械振幅穩定。穩速電路簡圖如圖9所示。

圖9 穩速電路

　　當主回路電流增大時，光電耦合器的導通程度增大，三極管T₁的基極電位升高，導致R的電位升高，由于T₂的基極電位不變，其集電極的輸出電壓升高，PNP三極管的導通程度減小，電容C的充電時間加長，使得單結晶管的張馳振蕩頻率降低，雙向可控硅的導通角變小，功放供電電壓降低，系統功率下降；反之，T₂的輸出降低，單結晶管的張馳振蕩頻率升高，雙向可控硅的導通角加大，功放供電電壓升高，系統功率上升。這樣，組回路電流就可以穩定為一固定值，從而換能器的機械振幅穩定，加工質量穩定。同樣，電路中主回路的電壓采樣采用光電耦合器件，減少主回路對穩速電路的影響，使得系統可以穩定工作。

  機械振幅監測電路
　　機械振幅監測電路比較簡單，采用傳感器獲得信號、中間放大電路、顯示設備的結合。這方面技術比較成熟，這里不贅述濾清器。

　系統總結

　　在實際應用中，超聲發生器可加一開關用以控制系統處于自動頻率跟蹤還是手動調節，一旋鈕控制在滿載時的功率（機械振幅合適），這樣本系統就可以為實際所用。
　　超聲發生器正在向系列化、通用化和積木化程度高的方向發展，因此一臺超聲設備必須具有多種機加工所必須的功能。本系統同時具有頻率跟蹤、自動穩速、機械振幅監測等多種功能，且設計中多采用CMOS元件以及集成電路，系統體積小、工作穩定、費用低，非常適用。