（机械电子工程专业论文）基于fpga的超声发生器设计与实现.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名： 辑 日期： 盟年月上日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者签名：碑墨聋导师签名：j 量畲缸日期：二址年月卫日 - 。 中南人学硕i ：学位论义 摘要 摘要 超声发生是热超声引线键合的核心技术之一。超声发生器的驱动 频率与换能器谐振频率一致时，才能使换能器获得最大的振动输出。 换能器在键合过程中由于受温度、负载等因素变化的影响，谐振频率 会发生5 0 0 1 0 0 0 h z 的漂移。研究跟踪速度快、精度高的超声发生器 对提高引线键合的质量和效率具有重要意义。传统模拟超声发生器频 率跟踪精度低、稳定性差，现有数字超声发生器运算速度慢，频率跟 踪算法效率低。为此，本文设计了基于f p g a 的具有快速频率跟踪功 能的数字超声发生器，主要工作包括： 1 ) 分析了传统超声系统( 包括超声发生器和超声换能器) 的原 理和结构，根据其数学模型，建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 的仿真平 台，研究了换能器相位和驱动电流的动态响应过程，发现了相位变化 与驱动频率之间的关系，为新型数字超声发生器的设计提供了依据。 2 ) 仿真研究了换能器参数对其驱动电流变化过程的影响，发现 动态电感越大，电流上升时间越长，电流稳态值越大；动态电容越大， 电流的稳态值越大；动态电阻越大，电流上升时间越短，电流稳态值 越小；而静态电容对电流的上升时间和稳态值没有影响，为高效频率 跟踪算法的设计提供了基础。 3 ) 基于换能器的动态响应特性，设计了超声发生器数字增量式 p i d 频率控制算法；以f p g a 为核心器件，设计并制作了超声发生器 硬件电路，编写了各子模块的f p g a 代码、下位机接口程序和上位机 控制软件，实现了具有自动频率跟踪、频率扫描、动态相位和电流记 录以及时变驱动功能的数字超声发生器。 4 ) 建立了超声发生器性能测试实验平台，实验验证了本文设计 的超声发生器能够有效驱动各种频率的换能器；利用激光多普勒测振 仪及高速数据采集卡，采集了电压电流及电压振幅特性；发现超声 发生器具有2 m s 内稳定跟踪到换能器谐振频率( 频率跟踪范围为 2 k h z 时) 的优良性能。 关键字超声发生器，频率跟踪，超声键合，f p g a - - - 。 、 中南人学顾i ：学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t g e n e r a t i n gu l t r a s o n i ci st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h et h e r m a lu l t r a s o n i c w i r e b o n d i n g w h e n e x c i t e d f r e q u e n c yo fu l t r a s o n i cg e n e r a t o r i s a c c o r d a n c ew i t ht h er e s o n a n tf r e q u e n c yo ft r a n s d u c e r , t h em a x i m u m v i b r a t i o nw i l lb ea c t i v a t e d t h ed r i f tf r o m5 0 0t ol0 0 0 h zm a yb e o b s e r v e di nt h eb o n d i n gp r o c e s s ，b e c a u s et h er e s o n a n t f r e q u e n c yi s a f f e c t e db yt e m p e r a t u r e ，l o a d i n ga n ds oo n s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt o i m p r o v et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fb o n d i n gt h a ti n t e l l i g e n tu l t r a s o n i c g e n e r a t o ri ss t u d i e d t r a d i t i o n a la n a l o gu l t r a s o n i cg e n e r a t o rh a sl o w t r a c k i n ga c c u r a c ya n dp o o rs t a b i l i t y a n dt h ee x i s t i n gd i g i t a lo n eh a ss l o w ， i n e f f i c i e n tt r a c k i n ga l g o r i t h m b e c a u s eo ft h e s e ，t h ef p g a ，b a s e d d i g i t a l u l t r a s o n i cg e n e r a t o rw i t hf a s tf r e q u e n c yt r a c k i n ga l g o r i t h mw a sd e s i g n e d i nt h i sp a p e r 1 ) t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft r a d i t i o n a lu l t r a s o n i cs y s t e m ( i n c l u d i n gu l t r a s o n i cg e n e r a t o ra n du l t r a s o n i ct r a n s d u c e r ) w e r ea n a l y z e d t h es i m u l a t i o n p l a t f o r mb a s e do nm a t l a b s i m u l i n kw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t oi t sm a t h e m a t i cm o d e l t h ed y n a m i c r e s p o n s eo ft r a n s d u c e r s p h a s ea n dc u r r e n tw a ss t u d i e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed y n a m i c p r o c e s so ft h ep h a s ea n de x c i t a t i o nf r e q u e n c yi sf o u n d 2 ) t h ee f f e c to ft r a n s d u c e rp a r a m e t e r so nt h ec h a n g ep r o c e s so ft h e c u r r e n tw a ss i m u l a t e d i ti so b s e r v e dt h a tt h e g r e a t e rt h ed y n a m i c i n d u c t a n c ea n dt h el o n g e rt h ec u r r e n tr i s e ，t h eg r e a t e rt h ec u r r e n ts t a t e v a l u e ；w h e nt h ed y n a m i cc a p a c i t a n c eg r e a t e r ，t h eg r e a t e rt h ec u r r e n ts t a t e v a l u e i ft h ed y n a m i cr e s i s t a n c ei sr i s i n g ，a tt h es a m et i m e ，t h ec u r r e n tr i s e t i m ei ss h o r t e r , a n dt h ec u r r e n ts t a t ev a l u ei s s m a l l e r f i n a l l y ，t h er i s i n g t i m ea n dt h es t a t ev a l u eo ft h ec u r r e n tw e r en o ta f f e c t e d b ys t a t i c c a p a c i t a n c e ，w h i c h i st h eb a s eo fd e s i g n i n gf a s t f r e q u e n c yt r a c k i n g a l g o r i t h m 3 ) t h ed i g i t a li n c r e m e n t a lp i df r e q u e n c yc o n t r o la l g o r i t h mo f u l t r a s o n i c g e n e r a t o rw a sd e s i g n e d ，b a s e do nt h ed y n a m i cr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s d u c e r u l t r a s o n i cg e n e r a t o rw i t ha u t of r e q u e n c y t r a c k i n g ，f r e q u e n c ys c a n n i n g ，d y n a m i cp h a s ea n dc u r r e n tr e c o r d i n ga n d t i m e - v a r y i n ge x c i t i n gw a sd e s i g n e d ，b yd e s i g n i n gc i r c u i t ，f p g ac o d e ， n m c u p r o g r a ma n dp cs o f t w a r e 4 ) i ti sv e r i f i e dt h a tt r a n s d u c e rw i t hd i f f e r e n tr e s o n a c ef r e q u e n c y c a j l b ec o r r e c t l yd r i v e nb yt h eu l t r a s o n i cg e n e r a t o r t h ev o l t a g e c u 玎e n ta n d v o j t a g 争v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ec o l l e c t e db yl a s e ra n dh i g h s p e e d d a t aa c q u i s i t i o n c a r d ；a n di ti sc o n f i r m e dt h a tt h ef r e q u e n c yo ft 啪s d u c e r c a nb es t a b i l yt r a c k e di n2 m s ，w h e nt h e t r a c k i n gr a n g ei s 士2 眦 k e yw o r d su l t r a s o n i cg e n e r a t o r ，f r e q u e n c yt r a c k i n g ，u l t r a s o n i c w i r eb o n d i n g ，f p g a l g 中南人学烦l ：学位论文 h 录 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 第一章绪论：1 1 1 课题的研究背景和意义l 1 1 1 超卢技术发展史l 1 1 2 热超声引线键合l 1 1 3 超卢发生器的发展历程2 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 超声发生器信号产生技术3 1 2 2 超声发生器频率跟踪技术4 1 2 3 换能器静态特性的研究7 1 2 4 换能器动态特性的研究7 1 2 5 超卢发生器国内外发展方向8 1 3 本文的课题米源和研究内容8 1 3 1 课题米源8 1 3 2 本文主要研究内容8 第二章超声发生器的建模与仿真1 0 2 1 超声发生系统的结构1 0 2 2 换能器的数学模型。l l 2 2 1 换能器的结构1 2 2 2 2 换能器的数学模型l2 2 3 超声发生器的数学模型1 4 2 3 1 振荡器的数学模型l4 2 3 2 鉴相器的数学模型。1 6 2 3 3r m s 值检测模块的数学模型l7 2 4 超声发生系统的s i m u l i n k 建模1 7 2 4 1 换能器电流采样模块。1 8 2 4 2d d s 模块l9 2 4 3 数字鉴相器模块2 0 2 4 4r m s 值检测模块2 0 2 5 超声发生系统的仿真研究2 2 2 5 1 系统仿真模型。2 2 2 5 2 相位动态特性仿真2 3 2 5 3 电流有效值动态特性仿真。2 5 2 5 4 电流稳态值仿真2 6 2 6 本章小结2 7 第三章超声发生器的频率控制方法研究2 8 3 1p i d 控制介绍。2 8 3 1 1p i d 控制原理2 8 3 1 2p i d 控制参数整定3 0 3 2 基于p i d 的频率控制器设计3l 3 3 频率控制器的仿真分析3 2 3 3 1 初始频率对频率跟踪影响的仿真分析3 2 3 3 2 换能器参数对频率跟踪影响的仿真分析3 3 3 3 3 扰动对频率跟踪影响的仿真分析3 5 中南人学硕i ：学位论文日录 3 4 换能器参数对驱动电流影响的仿真研究3 7 3 4 1 动态电感对电流的影响3 7 3 4 2 动态电容对电流的影响3 8 3 4 3 静态电容对电流的影响4 0 3 4 4 动态电阻对电流的影响。4 1 3 5 本章小结4 2 第四章基于f p g a 的超卢发生器设计。4 3 4 1 系统结构。4 3 4 2 硬件部分4 4 4 2 1f p g a 电j 珞z 珥 4 2 2 单片机电路。4 6 4 2 3 数模转换4 7 4 2 4 波形转换电路4 9 4 2 5 超声电源实物图5 0 4 3 软件部分。51 4 3 1f p g a 软中i 二5l 4 3 2 单片机软件5 7 4 3 3 上位机软件。5 8 4 4 本章小结6 0 第五章超声发生器的性能测试实验。6 l 5 1 实验测量系统。6 l 5 2 超声发生器性能的实验研究6 4 5 2 1 频率跟踪功能测试6 4 5 2 2 电流采样功能测试。6 5 5 2 3 频率扫描功能测试6 6 5 - 3 超声发生器频率跟踪性能实验6 7 5 4 超卢发生器驱动测试6 9 5 4 1 换能器电流测试6 9 5 4 2 换能器振动测试。7 0 5 5 换能器电流与振动的关系7 l 5 6 本章小结7 2 第六章全文总结7 3 6 1 全文总结。7 3 6 2 工作展望。7 4 参考文献。7 5 致谢7 8 攻读硕士学位期间的研究成果7 9 中南人学硕l ? 学位论文 第一章绪论 第一章绪论 、 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 超声技术发展史 超声波是一种频率大于2 0 k h z ，人耳听不到的声波【1 1 。超声技术是- - i - j 涉及 电子、声学、材料、机械、医疗等众多学科，综合性极强，主要研究超声波产生、 传播及接收的通用技术。s a v r tf 于1 8 3 0 年用齿轮产生了2 4 k h z 的超声；1 8 7 6 年g a l t o nf 用气哨产生了3 0 k h z 的超声；到了2 0 世纪初，当压电效应和逆压电 效应被发现后，人们便知道了通过电子学产生超声的方法；1 9 1 6 年l a n g e v i np 利用水下超声作为侦察手段标志着现代超声学的开始，为检测超声奠定了基础； 而w o o dr w 和l o o m i sa e 于1 9 2 7 年对超声能量作用的实验报告则为功率超声 开辟了道路。我国对超声研究与应用，开始于上世纪5 0 年代。1 9 5 6 年将超声学 研究列入1 2 年科学规划，1 9 6 5 年开始研究了表面波换能器，而随着超声清洗、 超声焊接、超声加工、超声医疗、超声乳化等逐渐投入应用，标志着我国超声学 面向实际应用的成熟。 作为- - 1 3 交叉学科，电力电子技术的飞速发展、电力电子器件的不断更新换 代也大大促进了超声技术的发展。超声技术的发展与应用为我们提供了一个充分 认识客观事物的有利工具，呈现给我们一个更加多元化、精彩纷呈的世界。随着 社会的飞速发展，由于超声技术能够有效的提高生产效率，保障生产安全，降低 生产成本，其应用日益广泛。一百多年来，超声技术的发展十分迅猛。超声技术 的应用大致可以分为两类：其中需要较大功率或相当大功率的超声波，利用超声 波反射、折射、聚束及定向等特性实现物体或物性变化的功率应用称为功率超声； 另一类利用它采集信息，获得通信应用，称为检测超声。功率超声的应用十分广 泛，从超声清洗、超声焊接到超声加工、超声医疗等，取得了良好的社会效益和 经济效益。上世纪6 0 年代末，开始用于微电子封装的热超声引线键合。 1 1 2 热超声引线键合 1 9 4 7 年美国贝尔实验室的三位科学家巴丁、布莱顿和肖克莱发明了第一只 晶体管。为便于晶体管在电路中使用焊接，要有外壳外接引脚；为了固定小小的 半导体芯片，要有支撑它外壳底座：为了保护芯片不受大气环境污染，也为了使 其坚固耐用，就必须有把芯片密封起来的外壳等。以此，晶体管的诞生同时开创 了微电子封装的历史。 芯片互连技术主要有引线键合( w i r eb o n d i n g ，简称w b ) 、载带自动焊( t a p e 中南人学顾l ：学位论文第一章绪论 a u t o m a t e db o n d i n g ，简称t a b ) 和倒装焊( f l i pc h i pb o n d i n g ) 三种。w b 是将 半导体芯片焊区与微电子封装的i o 引线或基板上的金属布线焊区用金属细丝连 接起来的工艺技术。它是一种传统的、最常用的、也是最成熟芯片互连技术，至 今各类芯片的焊接仍以w b 为主。w b 又可以分为热压焊、超声焊和热压超声焊 ( 又称金丝球焊) 三种方式。热超声引线键合由于操作方便、灵活，而且焊点牢 固，压力面积大，是引线键合中最具代表性的焊接技术。 压 吉 动 图1 - 1 热超声引线键合 如图1 1 所示，用于热超声引线键合的超声系统主要由超声发生器、换能器 和劈刀组成，其中换能器包括压电陶瓷、安装环和变幅杆。压电陶瓷在超声发生 器的驱动下，产生超声频率的微小振动，并通过变幅杆放大并传递到末端的劈刀， 劈刀带动金属引线在水平方向作高速振动。在压力、热能和超声振动的共同作用， 实现引线与芯片的键合【2 引。 1 1 3 超声发生器的发展历程 超声发生器将2 2 0 v 的交流电转换为超声频的交流电，驱动换能器产生适当 的机械振动。超声发生器的发展与电力电子器件的发展密切相关，一般分为三个 阶段：第一个阶段是采用电子管放大器，第二个阶段是采用晶体管放大器，第三 个阶段是采用电力电子开关器件【4 】。 ( 1 ) 采用电子管放大器 在上世纪8 0 年代之前，功率放大还是采用电子管实现。电子管最大的优点 是它的频率范围宽，能够使信号在较宽范围内不至于失真。该特性对于频率较低 的音频放大器至关重要，但对于工作在高频率的超声发生器没有什么用处。而且 电子管具有功耗大、体积大、寿命短、效率低等缺点。因此，电子管在功率晶体 管出现之后已经被淘汰，只在少数特殊场合有被使用。 ( 2 ) 采用晶体管放大器 晶体管诞生后，很快就以其功耗小、体积小和稳定性好等优点替代了电子管， 功率晶体管到上世纪8 0 年代至9 0 年代中旬也发展成熟，许多超声发生器则采用 功率晶体管实现。功率晶体管放大器虽然具有功耗和体积比电子管小的优点，但 2 中南人学硕i - q ：位论义第一章绪论 由于其工作在模拟状态下，仍然具有几个缺点，例如：热稳定性差、效率较低、 可靠性差低、参数整定不方便、不易使用现代化的微处理器来处理。 ( 3 ) 采用电力电子开关器件 随着电力电子器件的发展，特别是v d m o s 管( 垂直沟道m o s 管，也称功 率场效应管) 和i g b t ( 隔离栅双极管) 的发展和成熟，使得采用开关式发生器 成为可能。开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比( 或导通与截止的时 间) 来控制输出的功率。由于晶体管工作在截止及饱和导通是功耗很小，因此这 种开关型发生器的优点是：效率高、功耗很低、寿命长、体较小、重量轻、可靠 性好、可用微处理器等直接控制。 1 2 国内外研究现状 随着热超声引线键合的发展，对超声系统也提出了更高的要求，国内外相关 研究主要有以下几个方面： 1 2 1 超声发生器信号产生技术 超声发生器主要功能是为超声换能器提供超声频率的交流驱动电压，目前， 超声发生器产生交流电信号有如下几种方法： ( 1 ) 采用专门波形函数发生器。例如采用i c l 8 0 3 8 压控振荡器【5 j ，配以少量 的外围电路产生所需波形。该方法的优点是结构简单、产生的波形平滑、压控性 能较好，但是信号的频率精度低，并且由于采用模拟线路的架构，后面需要接一 个功耗较大、效率较低的功率放大电路，不适合于大功率超声发生器。 ( 2 ) 采用逆变技术。张国安等人【6 】研究了使用移相全桥式i g b t 产生超声波 信号的研制，认为采用全桥移相式串联谐振电路、以i g b t 为功率开关器件设计 的超声波发生器热耗小，转换效率高，噪音低。梁校勇等人 7 1 研究了通过p w m 方式利用全桥逆变电路产生超声波发生器的信号。通过调整p w m 信号的频率和 占空比实现超声发生器频率和输出功率的调整。文章指出全桥逆变电路能快速地 开通或关断开关管，驱动波形较理想。滕旭东等人【8 】研究了基于数字p w m 的超 声发生器的设计。指出利用数字p w m 能够比使用专用集成控制芯片产生更加稳 定的p w m 脉冲信号。 采用逆变技术的基本思路是通过开关管的通断实现将直流电压转换出脉冲 电压，然后对脉冲电压进行整形滤波得到驱动换能器的正弦交流电压。逆变技术 由于功率放大元件工作在开关状态，功率转换效率高，散热小，能够实现大功率 输出。但是由于整形滤波电路的影响，输出信号的频率控制精度低，频率调整速 度慢。 中南人学硕：i ：学位论文第一章绪论 ( 3 ) 采用直接数字频率合成。直接数字频率合成( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c y s y n t h e s i s 简称d d s 或d d f s ) 技术，是一种从相位概念出发直接合成所需波形的 全数字技术频率合成技术。它具有相对带宽宽、频率转换时问短、频率分辨率高、 输出相位连续、可产生宽带j 下交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、 控制灵活方便等优点，并具有极高的性价比。 严勇文等人1 9 】采用专用d d s 芯片a d 9 8 5 3 直接产生频率的正弦信号，通过 单片机a t m e g a 6 4 与a d 9 8 5 3 通信调整j 下弦信号的频率，实现了频率可在一定范 围自动跟踪的变频式超声发生器。蒋礼等人【i o ，】贝i j 研究了利用f p g a ( 现场可编 程门阵列) 芯片实现d d s 来产生超声驱动信号。由于f p g a 具有高速并行运算 能力，缩短了回路控制时间，提高了频率跟踪速度。 d d s 是由数字器件产生数字正弦信号，然后通过数模转换和滤波转换成平 滑的模拟正弦信号。该方法产生的信号失真小，频率精度高且能够快速调节，便 于用数字处理器控制，是热超声引线键合超声发生器的发展趋势。 热超声引线键合的需要的超声功率一般较小，输出是不连续的，且周期很短。 例如，将直径3 0 0l am 的高纯度铝硅合金丝焊接到表面镀镍的基板上，只需要输 出1 0 1 6w 的超声功率，键合时间约为1 0 0 m s l l 2 】。因此，对用于热超声引线键 合的超声发生器来说，功率输出的动态响应速度及稳定性，相对于功率放大元件 的转换效率和散热问题更为关键。 1 2 2 超声发生器频率跟踪技术 超声发生器的频率与换能器的谐振频率一致时，才能使换能器产生合适的振 动输出。换能器的谐振频率与压电陶瓷参数以及换能器的结构尺寸有关，同时还 受到装配换能器对其施加的预应力的影响【i 引。另外在超声键合过程中，换能器的 温度、刚度和负载的变化都会引起谐振频率的漂移【1 4 】。以此，超声发生器必须能 够自动调整输出频率，以达到与换能器的谐振频率一致，及自动频率跟踪。 为了实现自动频率跟踪，超声发生器一般通过引入超声发生系统中的某一种 或几种信号，对输出频率进行闭环反馈控制。目前对超声发生器频率跟踪的技术 的研究主要包括频率跟踪方式和频率调整策略两方面。 超声发生器频率跟踪方式主要有声反馈和电反馈两种方式。声反馈已经很少 才用，目前超声发生器的频率跟踪电反馈主要有以下几种形式： ( 1 ) 根据电流信号实现频率跟踪。电流反馈是基于这样一种原理的，当超声 发生器输出电压的频率与换能器的谐振频率一致时，流过换能器的电流最大l i 引。 董惠娟等人【1 6 】研究了以电流信号为反馈信号的超声发生器，在主回路中安装传感 器转换换能器的工作电流，并利用a d 转换器将其转换成数字信号输入到单片 4 中南人学顾i ：学位论义 第一章绪论 机中，单片机将检测到的电流与上次检测到的电流比较，判断后改变输出电压的 频率，使发生器输出电流较大时对应的频率。最后通过实验证明，通过搜索反馈 电流的最大值可以实现频率跟踪。 电流反馈式能比较准确的实现频率跟踪，不会因换能器具有多个谐振频率而 误跟踪。换能器的电流除了与超声发生器的输出频率有关外，换能器的负载对它 也影响很大。因此，换能器负载变化会影响超声发生器的频率跟踪，电流反馈不 适合换能器负载变化剧烈的场合。 ( 2 ) 根据相位实现频率跟踪。当换能器谐振时，其输入特性相当于一个纯电 阻，加在上面的电压与流过的电流同相。相位反馈式就是检测出这个相位差的大 小和符号，用此偏差信号去调节超声发生器的输出频率，使相位差减小【l7 1 。车保 川等人【1 8 】研究了基于7 4 h c 4 0 4 6 高速模拟锁相环的超声发生器。指出7 4 h c 4 0 4 6 具有稳定频率、反应灵敏、功耗低等优点，在与p i c l 6 c 7 3 、8 2 5 4 可编程计数器 的配合下可以产生波形稳定可靠的、实时跟踪能力强的。 根据相位反馈的频率跟踪受负载变化的影响较小，但是当换能器具有多个谐 振频率时，单纯的相位反馈容易锁定到其他谐振频率上，也就是无跟踪。 ( 3 ) 根据电流和相位的组合实现频率跟踪。电流反馈容易受到负载变化的影 响，相位反馈容易锁定到其他谐振频率，通过电流和相位组合实现频率跟踪可以 兼顾两者的优势。李小雪等人【1 9 】设计了先扫频后跟踪的频率跟踪策略，即先利用 电流反馈是超声发生器的输出频率达到谐振频率点附近，然后通过相位反馈找到 谐振频率点。朱武等人【2 0 l 采用相位和电流双参数联合控制方法，实现了稳定搜索 和跟踪到多峰换能器的谐振频率。 频率控制策略指如何根据反馈信号调整超声发生器输出频率的方法，目前超 声发生器的频率跟踪策略主要有以下几种： ( 1 ) 模拟锁相环。模拟锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成，鉴 相器把周期性输入信号的相位和压控振荡器输出信号的相位比较，输出两者的相 位差，并进环路滤波后输入到压控振荡器，控制压控振荡器的频率【2 1 2 2 1 。模拟锁 相环具有结构简单、反应灵敏、功耗低等优点【2 3 1 ，但是容易造成跟踪误差大、失 锁、误跟踪和死锁等失效【2 4 j 。 鉴相器环路滤波器压控振荡器 图1 2 模拟锁相环 中南人学硕i ：学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 数字锁相环。模拟器件由于本身参数和外界条件的影响，误差比较大， 采用数字器件可以减小这种误差。数字锁相环一般由数字鉴相器、数字环路滤波 器和数控振荡器三部分组成1 2 5 1 。屈百达等人1 2 6 】研究了基于数字锁相环的超声波 发生器，指出采用数字锁相环跟踪换能器的谐振频率，可以提高频率跟踪速度和 跟踪精度，而且几乎不会出现传统锁相环超声发生器出现的失锁现象。r o n g f o n g f u n g 等人【2 7 】介绍了一种利用f p g a 实现数字鉴相器的方法。利用f p g a 的高速 运算度，可以提高超声发生器的频率速度，并且减小了系统的体积，降低了功耗， 增强了稳定性。 ( 3 ) 逐步搜索。模拟锁相环和数字锁相环都是通过硬件实现频率调整的，速 度快但调整不够灵活，通过软件可以灵活设置系统参数，提高系统的通用性，并 且可以设计复杂跟踪算法提高频率的跟踪速度和准确性【2 8 1 。目前通过软件调整频 率的算法一般都是基于逐步搜索的方式，基本流程如图1 3 所示。 图l - 3 频率搜索流程图 当相位大于零时，超声发生器则将频率减小矽；当相位小于零时，则将频 率增大y 。在这种方法中，如果太大，容易引起频率的振荡：而频率太小， 频率跟踪的速度慢，需要在工作过程中通过软件根据实际情况调整y 的大小。 在热超声引线键合过程中，由于超声发生器输出周期短，且负载变化剧烈， 需要超声发生器具有更快的频率跟踪速度。目前的频率跟踪策略均只讨论了能否 实现频率跟踪功能，缺乏对频率跟踪过程及速度的系统研究。要设计快速频率跟 踪算法，就得对换能器的静态特性和动态特性进行研究。下面介绍目前国内外对 换能器的研究情况。 6 中南人学硕i ：学位论文 第一章绪论 1 2 3 换能器静态特性的研究 1 ) k a g a w ay 等人【2 9 3 0 1 通过有限元方法仿真了换能器振动的静态特性。分析 了激励频率对换能器振动的影响，由此可以得到换能器的各阶谐振频率，以及换 能器参数对谐振频率的影响。 2 ) 隆志力等人f 3 l 】利用换能器系统的机电等效模型，通过数值计算分析了换 能器的阻抗和谐振频率。指出有键合工具的换能器的谐振频率比没有键合工具的 大。 3 ) w ul 等人t 3 2 j n 利用p s p i c e 电路仿真软件对换能器的谐振频率进行了研 究。他们研究了换能器尺寸对换能器性能的影响，反过来也指导了换能器的设计。 l ij h 等人【3 3 】通过实验发现焊接时的换能器输入阻抗大于空载时的阻抗，消耗的 功率小于空载时的阻抗。 通过对换能器的静态特性的研究，可以得到换能器稳定时的阻抗，谐振频率 和振动输出。但是不能得到换能器的动态过程，要提高对换能器的频率跟踪速度 就必须对换能器的动态特性进行研究。 1 2 4 换能器动态特性的研究 目前，对换能器的动态特性的研究主要有以下几个方面： 1 ) 王福亮等人【矧通过实验测得了整个键合过程中换能器电压和电流信号， 并通过m a t l a b 计算分析了电压信号和电流信号的频率变化过程。h a r tl 等人i ) 副 则通过实验方法研究了换能器电流和振动输出的动态过程，指出用于热超声引线 键合的超声换能器具有明显的非线性。 通过实验法可以准确的测出换能器电流、相位和振动信号的静态特性和动态 过程。但是目前尚未有文献通过实验方法研究超声发生器频率对换能器动态特性 的影响。 2 ) w a n gf j 等人【3 6 1 通过有限元方法分析了换能器的振动输出。发现劈刀与键 合键合界面的压力对换能器的谐振频率有影响。通过有限元方法还仿真了换能器 末端振动输出的动态特性。文章指出当激励信号的频率等于换能器的谐振频率 时，换能器末端的振动输出幅值的动态过程是逐渐由零增加到稳态时候的值：当 激励信号的频率偏离换能器的谐振频率时，换能器末端的振动幅值的动态过程是 一个振荡上升的过程，且稳态时候的值比动态过程中的值小。 3 ) c h a n gk t 等人【3 7 】通过机电等效模型，分析了换能器在谐振激励下电流动 态响应过程，并且通过实验方法验证了其正确性。文章指出由于电容和电感储能 元件的存在，换能器在激励的过程中，会有一个能量存储的过程，这样流过换能 器的电流将由零逐渐增大到稳态时候的值。当激励信号的频率与换能器的固有频 7 中南人学硕十学位论文第一章绪论 率一致时，电流幅值上升的动态过程为9 m s 。 目前虽然对换能器部分动态特性做了独立的分析，但还缺乏关于超声发生器 频率跟踪策略对换能器动态过程的影响以及如何改善换能器的动态特性的研究， 需要对换能器的动态特性进一步系统的研究。 1 2 5 超声发生器国内外发展方向 目前，国内外在超声发生器系统技术研究方面，除了超声波信号的产生、频 率自动跟踪等技术外，还有下面几个重点研究的技术方向： ( 1 ) 大功率。在一些超声应用中，如超声清洗、超声焊接等，往往需要超声 发生器对驱动对象输出很大的电功率，这就要求使用到的电力电子开关器件具有 较大的容量以及良好的缓冲措施。另外，功率合成以及单元模块设计也是实现大 功率化的一个趋势。 ( 2 ) 兆赫级超声功率发生器的研制。近年来发展起来的兆赫超声清洗技术要 求采用7 0 0 k h z - - 1 m h z 的超声波进行清洗。兆赫级电源的研制存在着诸多问题， 开关器件要有很高的开关频率，软开关技术、降低开关损耗将是提高效率的关键。 此外，高频使电感、电容等电子元器件上的无功功率大大增加，电磁干扰问题也 十分突出。 ( 3 ) 数字化。把数字技术引入到超声发生器之中，特别是应用d s p 技术实现 频率自动跟踪和功率自动调节是几年来研究的热点。利用数字器件稳定性和灵活 性的优势，可以提高超声发生器的稳定性以及换能器的能量转换效率 ( 4 ) 扫频技术的应用。用于避免固定在某一个加工处出现驻波现象，从而使 加工效果均匀。 1 3 本文的课题来源和研究内容 1 3 1 课题来源 课题来源于国家重点基础研究发展计划项目( 9 7 3 计划) “超薄芯片叠层组 合互连中多能量传递与键合形成 ( 课题编号：2 0 0 9 c b 7 2 4 2 0 3 ) 。 1 3 2 本文主要研究内容 根据热超声引线键合的特点及其对超声发生器的要求，本文主要在以下几个 方面开展研究工作： ( 1 ) 分析换能器的动态特性。根据超声系统的结构和原理，建立超声发生器 和换能器的数学模型。基于数学模型，编写仿真代码，建立基于m a t l a b s i m u l i n k 的仿真平台，仿真分析换能器相位和电流的动态响应过程。 8 中南人学顾l ：学位论文第一章绪论 ( 2 ) 设计频率跟踪算法。根据换能器的动态特性，设计高速稳定的频率控制 算法，并通过m a t l a b s i m u l i n k 软件仿真基于该算法的频率跟踪速度和稳定性。 仿真换能器参数对换能器驱动电流的影响，分析如何通过改善换能器参数提高换 能器的电流上升速度。 ( 3 ) 开发超声发生器。设计f p g a 电路、单片机电路以及外围模拟电路，利 用v h d l 硬件描述语言编写d d s 、数字鉴相器、频率控制器以及通信接口等代 码，编写了单片机控制程序和上位机软件，开发了一套基于f p g a 的超声发生器。 ( 4 ) 测试超声发生器的实际工作性能。运用示波器对换能器电流和电压的波 形观察，验证基于本文设计的超声发生器能否正确实现频率跟踪功能。采用多普 勒激光测振仪测试换能器末端的振动信号，验证超声发生器整个系统功能的正确 性。通过采集超声发生器输出频率的变化过程，测量其频率跟踪速度。 9 中南人学硕l ：学位论义 第一二章超声发生器的缝模j 仿真 第二章超声发生器的建模与仿真 超声换能器是超声发生器的驱动对象。为了确定超声发生器的快速频率跟踪 算法，需要了解换能器的动态响应特性。本章主要根据换能器的电学特性和机械 特性、超声发生器的结构，建立了超声换能器和超声发生器数学模型，建立了基 于m a t l a b s i m u l i n k 的超声发生系统仿真平台。通过仿真，获得了换能器电流的 相位和有效值在不同驱动频率下的响应过程。 2 1 超声发生系统的结构 超声发生