《扫频式超声波纺织实验仪的设计与罗布麻脱胶效果研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《扫频式超声波纺织实验仪的设计与罗布麻脱胶效果研究.pdf（53页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、青岛大学硕士学位论文扫频式超声波纺织实验仪的设计与罗布麻脱胶效果研究姓名：张书策申请学位级别：硕士专业：纺织工程指导教师：姜宜宽20070608摘要摘要罗布麻的脱胶方法有很多种，采用超声波脱胶是最具明显优势的方案之一。然而，目前罗布麻超声波脱胶的研究却基本上局限于使用单一频率的超声波。由于罗布麻的微观表面存在无数微小孔洞、拐角、沟槽、突起，虽然单频式超声波可以将其表面绝大部分的胶质去除，但对这些细微之处的作用效果并不理想，使被处理后的罗布麻表面仍然存在许多的细小胶质。这直接影响了精干麻的品质、手感和可纺性。为了改善这一状况，本文在长期实验的基础上，提出了采用扫频式超声波这一崭新的方法处理罗布麻
2、的设想。但是，目前市场上并没有对罗布麻进行超声波处理频段的扫频式超声波发生器。为此，本课题主要做了如下工作：1 依据实验需要并在使电路简单易于维护的原则下，选择合适的元器件，设计了2 0 k H z 到1 0 0 k H z 扫频式超声波纺织实验仪的扫频信号产生电路。2 由于在国内市场上没能采购到2 0 k H z 到1 0 0 k H z 的宽频带换能器，因此我们采用在2 0 k H z 到1 0 0 k H z 频率范围内选择六个频率点使用六个单一频率超声波换能器在同一周期性扫频信号下同时工作，来模拟了扫频式超声波的工作过程。3 通过2 8 k H z 单频超声波和模拟扫频超声波的罗布麻脱
3、胶对比实验，找出这两种方法脱胶后的罗布麻纤维的不同之处，以便从中得到值得探索和研究的现象。实验结果发现：与2 8 k H z 单频超声波脱胶相比，采用模拟扫频式超声波处理后，罗布麻纤维表面的细小胶质几乎全部被去除，纤维表面变得更为光滑，达到的精细脱胶的效果。精干麻显得非常细腻，白度极佳并伴有奇异的光泽。在纤维分离度、手感、外观等方面都产生了极大的改善。这一奇特现象值得我们做进一步的探索。同时，整个实验过程也验证了电路工作的稳定可靠。关键词：扫频式超声波；多频模拟；罗布麻；脱胶摘要A b s t r a c tT h e r ea r eal o to fm e t h o d st od e
4、g u ma p o c y n u m，a n dt h em o s ta d v a n c e dm e t h o di su s i n gu l t r a s o n i c。H o w e v e r,t h er e s e a r c ho fa p o c y n u md e g u r n m i n gw i t l lu l t r a s o n i ci sb a s i c a l l yc o n f i n e dt ou s i n gs i n g l e f r e q u e n c yu l t r a s o n i c A p o c y
5、 n u m Sm i c r o s c o p i cs u r f a c eh a v ec o u n t l e s st i n yh o l e s，c o m e r s，t r e n c h e s，p r o t r u d i n g，a l t h o u g ht h em o s to fp e c t i nC a nb er e m o v e db ys i n g l e f r e q u e n c yu l t r a s o n i ct r e a t m e n t，i th a sl e s se f f i c i e n c yo nt
6、 h et r e a t m e n to ft h e s es u b t l ep o i n t s T h e r ei sal o to fs m a l lp e c t i no nt h es u r f a c eo fa p o c y n u m T h i ss e r i o u s l ya f f e c t sa p o c y n u m q u a l i t y,h a n d l ea n ds p i n n a b i l i t y T oi m p r o v et h i ss i t u a t i o n，an e wi d e ao
7、fa p o c y n u md e 昏m l m i I l g、访t hs w e e p-f r e q u e n c yu l t r a s o n i ci sp u tf o r w a r db a s e do nl o n g-t e r me x p e r i m e n t B e c a u s et h e r eh a s n taf i ts w e e p u l t r a s o n i cg e n e r a t o rf o rt h es w e e pr a n g eo fa p o c y n u mu l t r a s o n i
8、cd e g u m m i n g，w ed ot h ew o r k sa sf o l l o w i n g：1 P a r t sa r es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h es w e e p i n gf r e q u e n c ya n do u t p u tp o w e r A tt h ep r i n c i p l eo fd e s i g nf o rs i m p l ea n de a s yt om a i n t a i n，m a i nc i r c u i to ft h e2 0k H z，10
9、0k H zs w e e p f r e q u e n c yu l t r a s o n i ct e x t i l et e s t e ri sd e s i g n e d 2 A st h eb r o a d b a n dt r a n s d u c e rw h i c hh a sab a n d w i d t ho f2 0k H z10 0k H zC a nn o tb ef o u n di nt h ed o m e s t i cm a r k e Lw eu s et h em e t h o dt h a tt os e l e c ts i xf
10、 r e q u e n c yf o r mt h er a n g eo fs w e e p f r e q u e n c ya n dt ou s es i xt r a n s d u c e r sw o r ka tt h es a m et i m ei nt h es a m ep e r i o d i cs w e e ps i g n a lt os i n l u l a t et h ew o r k i n gp r o c e s so fs w e e p f r e q u e n c yu l t r a s o n i c 3 C o n t r a
11、s t i n g2 8k H zu l t r a s o n i ca p o c y n u md e g u m i n ge x p e r i m e n t、析t l lt h es i m u l a t i v es w e e p-疳e q u e n c yu l t r a s o n i ct of i n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ea p o c y n u mf i b e r st h a ta f t e rb e i n gt r e a t e dw i t l lt w od i f f e
12、 r e n tw a y s S ow ec a nf i n ds o m e t h i n gt h a tn e e dt oe x p l o r ea n dr e s e a r c h T h ee x p e r i m e n tr e s u l t st e l lU St h a tc o m p a r i n gw i t l l2 8k H zu l t r a s o n i c，a l m o s ta l ls m a l lp e c t i no ft h ea p o c y n u m Ss u r f a c et h a ta f t e r
13、t r e a t m e n tb ys i m u l a t i v es w e e p f r e q u e n c yu l t r a s o n i ch a v eb er e m o v e d T h es u r f a c eo ft h ef i b e rb e c o m e ss m o o t h e r m so b t a i n st h ee f f e c to fr e f i n e dd e g u m m i n g D e g u m m e da p o c y n u mh a sap e r f e c tw h i t e n
14、e s sa n dw o n d e r f u ls h e e na n ds e e m se x q u i s i t e T h ef i b e r Ss e p a r a b i l i t y,h a n d l ea n da p p e a r a n c eh a v eag r e a ti m p r o v e m e n t T h e s ea m a z i n gp h e n o m e n aa r ew e l lw o r t hr e s e a r c h i n gd e e p l y K e yw o r d s：S w e e p
15、f r e q u e n c yu l t r a s o n i c；m u l t i f r e q u e n c ys i m u l a t i o n；a p o c y n u m；d e g u m m i n g声明声明学位论文独创性声明本人声明，所星交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或褥到许可。论文内容束包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用予其他学位申请的论文或成果。本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。论文作者签名：豕橼日期：年月E t学位论文知识产权权曩声明本人在导师指
16、导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与谈论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛大学。本学位论文属于：保密口，在年解密后适用于本声明。不保密耐。(请在以上方框内打“4”)论文作者签名；彩嗣乞篆：-撇名：缸觉导师签名：袭魁日期；年月日日期：年胄1 3(本声明的版权归青岛大学所有，来经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用)第一章引言1 1 本课题的提出第一章引言超声波处理纺织材料是最近几十年来逐渐兴起的，并成为越来越多的研究者密切关注的一个新的研究领域【l-U|罗布麻超声波脱
17、胶是这一领域研究的重要方向目前最为流行的研究方式是采用单一频率超声波进行处理，且人们已经能够找到一个最佳的作用频率，可以将罗布麻上绝大部分的胶质去除u 2 1。然而，当我们对这些被处理后的罗布麻进行细致分析时发现，在其表面和微小缝隙中仍然存在着许多细小的胶质，这些细小胶质的存在极大地影响了被处理后罗布麻的品质、手感和外观，也使得它的可纺性下降。针对上述情况我们通过自制的多频式超声波发生器(见图6 3)进行了大量地实验，其中在我们观察一次由2 8 k H z 的超声波处理后再经过7 3 k H z 超声波处理的罗布麻时发现，经过处理的罗布麻表面和微小缝隙中的细小胶质数量减少，而且纤维表面也交得更
18、为光滑，给人一种“晶莹剔透”的感觉纤维无论是在品质、手感还是在外观质量上都缛到很大地提商针对这一情况，我们又设计了罗布麻先经2 8 k H z超声波处理后，再分别经过8 0 k H z、7 0k I j 6 0k H z、5 9l d 乜、4 7k H z、4 1k I-l z 等频率的超声波处理的实验方案，其处理结果都较为一致地显示出被处理后的纤维表面和微小缝隙中细小胶质数量的减少，而且纤维表面也变得更为光滑的现象。因此我们设想如果将罗布麻不再是只通过低、高两个频率的超声波处理，而是采用由低到高，频率不断增加的一组超声波进行处理，其效果是否还会有更大地提高?如果将这一组中超声波的频率点无限地
19、增加，进而实现在单位时问内在一个连续的超声波波段内的周期性扫频式超声波作用，其效果又将怎样?在这一设想下我们提出了采用扫频式超声波处理罗布麻的探索研究。但是，目前市场上并没有对罗布麻进行超声波处理频段的扫频式超声波发生器。为此，本课题主要设计了2 0 1 d z 到l O O k H z 扫频式超声波纺织实验仪的扫频信号产生电路，并对扫频式超声波纺织实验仪进行了初步的设计，以便为进一步研究扫频式超声波对罗布麻的脱胶效果提供更好的实验平台在此基础上我们通过采用单一频率和模拟扫频超声波罗布麻脱胶对比实验，对扫频式超声波脱胶效果傲了初步的探索。对比这两种方法脱胶后的罗布麻纤维的不同之处，以便从中得到
20、值得探索和研究的现象。青岛大学硕士学位论文1 2 本课题的理论依据为了分析单频式超声波处理后的罗布麻表面上仍然存在大量细小胶质的原因，并使课题的可行性在理论上找到依据，我们从超声波的声空化理论以及罗布麻的微观形态和超声波脱胶的作用机理两个方面来展开论述1 2 1 超声波的声空化理论 嘲当超声波在媒质中传播时，它将引起媒质分子以其平衡位置为中心地振动在声波压缩相时问内，分子问的平均距离减小；而在稀疏相内，分子间距将增大对于强度为I 的声波，它作用于媒质的声压为：p o；如耐1-(1)式中：P A 为声压振幅；为声波的角频率且；p 2 J=钐，1-(2)，一，式中：p、c 分别为媒质的密度及声速。
21、，因此，在声波的负压檀(即稀疏相)内，媒质受到的作用力为(h P I)P h 为流体静压力。倘若声强足够大，使液体受到的相应负压力亦足够强，那么分子间的平均距离就会增大到超过极限距离，从而破坏液体结构的完整性，导致空腔或空穴的出现。一旦空穴形成，在相继而来的声波正压相内，这些空穴又将被压缩，其结果是一些空化泡将进入持续振荡，而另外一些空化泡将完全崩溃使液体产生空穴的最小声强或声压称为空化阙，空化阙的大小决定于静压力(P h)及液体本身的结构强度和状态。在纯水中-要使水中产生空穴(可认为水分予的距离增大到超过范德华力的距离)，超声波的声压需要超过一千个大气压，这是难以实现的。实际上，液体中总会存
22、在某种泡核，而这些泡核又总会破坏液体结构的完整性，从而使空化阈下降，这些泡核称为“空化核。附着在固体杂质、徽尘或容器表面上及细缝中的微气泡或气泡，或因结构不均匀造成液体内抗张强度减弱的微小区域中析出的溶解气体等都可以构成这种空化核。空化核的存在使超声空化可以在比较容易的条件下产生，在某种意义上，可以说空化核的存在是超声波产生声空化的前提。，但是当超声波作用时，液体中的空化核在声场的作用下不一定发生崩溃，只有当超声波的频率与空化核的共振频率相同时。空化核才能在瞬间崩溃而产生空化效果而对于那些共振频率低于或高于这一频率的空化核，它们可能需要数个振动周期才能崩溃，甚至只发生复杂的振动。空化核的共振频
23、率可由式l 彤)计算：2第一章引言式中：r 为比热比；P 为液体介质密度；的半径；P o 为液体的静压力。1(势。为液体表面张力系数；R o 为空化核在其他条件不变的情况下，空化核半径越小，则其对应的共振频率越高。此时要使空化泡在压缩相破灭，就要求超声波具有足够的声压，声空化越难发生研究表明，液体中空化核的尺寸实际上是遵从式l(4)所示的C,a u s s i a a 曲线所描述的钟形分布的，分布示意图如图1 1 所示。一。唧 一钭1 4 4)式中：N 固为单位液体体积内具有半径R 的空化核数目tR o 为最大几率的空化核尺寸半径；仃为钟形曲线的半高半宽度：A 为一常数。I l圈1 1 空化核
24、半径6 a u s s i a n 分布示意图因此对于单一频率的超声波来说，为了达到较好的声空化作用，在选择超声波频率时，只能选用液体中半径为最大几率处的空化核的共振频率作为超声波的频率1 2 2 罗布麻的徽观形态和超声波脱胶的作用机理图1 2 中为部分罗布麻原麻的电镜照片，通过分析我们可以看出在罗布麻的微观表面存无数微小的孔洞、拐角、沟槽、突起，它们的尺寸大小随机但呈现一定的分布I 瑚。青岛大学硕士学位论文圈I 2 罗布麻原席电镜照片罗布麻超声波脱胶的主要机理是：如图1 3(a)所示的空化核，它钻入与之相适应的胶质与纤维表面之间的间隙和空隙中，这一空化核在超声波的作用下产生声空化效应而破灭。
25、像剥皮一样的物理力使胶质层被剥开，如图1 3(b)所示。同时又使胶质层与纤维阃产生一些新的微小间隙，与之大小相适应的空化核再钻入其中，如此空化效应连续进行，直到胶质层完全被剽下a图1 3 空化作用帆理由于罗布麻的微观表面上存在着无数微小的孔洞、拐角、沟槽、突起，而从超声波处理罗布麻的枫理可以看出，不同大小的孔洞、拐角、沟槽、突起处的空化处理，需要由与之尺寸相适应的空化核来完成，不同尺寸的空化核，要想迅速地产生空化作用，又需要有与之共振频率相对应的超声波c I 删图1 4(a)中有三种不同尺寸的空化核，它们对应于三种不同的超声波频率，其中频率I 频率2 频率3，采用这三种不同频率的超声波处理后的
26、结果如图1 4(b)、(c)、(d)所示。这可能就是采用单一频率的超声波处理后，罗布麻的微观表面上仍然存在大量细小胶质的原因。4厄第一章 l 古l23abd圉1 4 不同频率空化示意图此外，一些研究者对多频、复频式超声波声空化作用的研究成果也对我们的课题具有重要的参考研值。因此。依据这些理论分析和前期的大量实验，我们可以设想，在采用在一定频率范围内的全波段超声波对罗布麻进行脱胶处理后，将会使细小胶质得到更为有效的去除，纤维品质也会有大的提高 z 4-3 玎。然而，上述的理论分析仅是对超声波作用机理的一种推测，而这种推测是否正确还是需要由实际的实验来验证本课题的主要目的就在于设计这种扫频式超声波
27、纺织实验仪，为进一步深入的研究超声波的作用和超声波脱胶的机理打下基础。1 3 本课题的研究工作为了达到本课题的研究目的，我们做了如下工作：l、扫频电路的设计扫频电路是超声波的信号发生部分，在本课题的研究中，根据目前掌握的资料，并结合超声波在纺织应用的研究成果，确定扫频的频率范围和扫频电路的元件组成和设计。，2、功率放大装置设计换能器是由功率放大装置驱动的，功率放大装置实际有两部分组成：推动级和功率放大级。根据超声波发生装置的自身特点和所需功率选择合适的功率放大部件及放大电路组成形式，设计并制作功率放大装置3、阻抗匹配装置设计设计并制作阻抗变换器，使功率放大器和换能器之问有最佳的阻抗变换，使功率
28、放大器实现最大的功率输出。设计并制作高频扼流圈，使之配合阻抗变换器，形成最佳的阻抗匹配。4、罗布麻单频与模拟扫频超声波脱胶对比实验5青岛大学硕士学位论文通过在相同作用时河下，超声波的单频和六点模拟扫频罗布麻脱胶对比实验，找出这两种方法脱胶后罗布麻纤维的不同之处，以便从中得到值得探索和研究的现象，为进一步分析扫频式超声波的作用打下基础。第二章扫频式超声波纺织实验仅总体设计第二章扫频式超声波纺织实验仪电路总体设计2 1 总体设计 3 2-3 4|该仪器是由超声波产生电路、换能器、清洗槽三部分组成，在本文中主要论述超声波产生电路部分的设计超声波产生电路部分是由扫频信号产生电路、推动级功率放大电路和功
29、率放大电路三部分组成扫频信号产生电路产生频率为2 0 k H z 1 0 0 k H z 的扫频正弦信号，经推动级功率放大和功率放大电路后，使之具有足够大的功率，再经过超声波换能器的阻抗匹配，通过换能器的逆压电效应将大屯流脉冲信号转化为高频机械振动能量。2 2 设计框图由于目前国内市场采购不到2 0-1 0 0 k H z 的宽带换能器，为了验证扫频电路酌连续频率特征，本课题采用模拟设计和实验的方法。其设计思想为；在2 0 1 0 0 k H z频带内选择任意多个频率点，从而设计任意多个单频换能器电路，在扫频电路所产生的周期性扫频信号的任一单位时间内，这任意多个单频电路将几乎同时工作，从而模拟
30、出一条从2 0 一l k 乜近似于直线的关系曲线。在实际设计中，我们设计了六路单频换能器电路，这六个频率复盖了从2 0 一1 0 0 k H z 的频带。在扫频电路工作的任何单位时间内，六路单频电路几乎同时工作总体设计框图如图2 1 所示。六路单频换能器的工作频率为别为：2 0k H z、2 8k H z、4 1 k H z、5 1 l d l z、5 9I d l z、踟I d l z。由于六路单频电路在设计上并没有本质的区别，在电路的实际设计中我们仅以2 8 k H z 超声波电路设计为例来加以论述。最后以罗布麻的单频和六点模拟扫频超声波脱胶对比实验，验证模拟扫频超声波的实际作用效果。琦事
31、麓大功率簟戈琦搴t 太琦搴簟丈琦事簟戈葫事t 圈2 1 扫频式趣声波纺织实验仅电路框图7嚣一一一一一一一一一一丛巫疆甄巫薅整甄塑趣塑丽堕亟甄甄隧|蔷一丈一一太一一丈一一太一一犬堕甄匦亟殛丽功一琦一一功一琦一一璃一一琦t曩一一量一一曩一一量一一曩靖一一动一一赞一一动一一动一一磅第三章扫频电路设计第三章扫频电路设计3 1 扫频电路的硬件组成及基本电路1 3 踟有很多种方案和形式可以构成扫频信号产生电路，例如采用微机控制电路，但本设计是基于电路的简洁实用和工作的稳定可靠，因此我们采用几个集成电路硬件模块和少量的外围电路来完成整个扫频电路设计。在这里我们采用5 5 5 集成定时器、L M 3 2 4
32、运算放大器和I C L 8 0 3 8 精密函数发生器来实现。由N E 5 5 5 P 集成定时器组成本设计要求形式的多谐振荡电路，产生在一定电压范围内变化的基本压控信号，这一信号再经过L M 3 2 4 放大到设计要求的电压变化范围，输入到I C L 8 0 3 8 的压控信号输入端，在I C L 8 0 3 8 的信号输出端就可得到一定频率变化的扫频信号。3 I 1 基本压控信号产生电路f 4 I 4 2 1根据本设计的要求，我们设计了如图3 1 的一种N E 5 5 5 P 多谐振荡电路，我们在电路中加入了三极管Q I 和稳压二极管D l，根据三极管的特性，利用稳压二极管两端的稳定电压，
33、来钳制三极管Q I 的发射极电流这样电容c I 的充电电流变化不是很大。就可在电容C t 的两端获得一个线性度较好的锯齿波。P田3 1 糯5 5 印多谐振荡电路在进行电容c l 的充放电周期计算时，考虑到图3 1 实际上也可理解为晶体管振荡电路，此时Q l 实际上是工作在饱和区，因此发射极电流的变化必须考虑，它会因电容c l 的充放电影响而有所波动。因此在电容c l 充放周期的实际计算时，我们不按照恒流充电来计算。电容c l 在放电时会通过N E 5 5 5 P 的7 脚直接放电，放电时间极短，可以认为是瞬间就放电达到N E 5 5 5 P 反转的下限电压I 3 V c x 因此电容C-l青岛
34、大学硕士学位论文的充放电周期可以只用它的充电时间来表示。由于电容充电最终所能达到的电压为N E 5 5 5 P 反转的上限电压2 3 V c c，医此电容C l 的充放电周期为：r=r 竟；R t C I I n 23-(1)电容C l 两端电压的变化波形如图3 2 所示。爵3 2 电容c l 充放电波形3 1 2 组成压控输入信号的单元电路图3 1 形式的多谐振荡电路输出的基本压控信号的电压大小尚不能达到我们所需的压控信号的电压范围，因此我们将这一信号再经过L M 3 2 4 运算放大器，将此信号放大到设计要求的范围，形成真正的压控输入信号。L M 3 2 4 集成运算放大器采用1 4 脚双
35、列直插塑料封装，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立它内置有频率补尝和输入偏置电流温度补偿、单位增益带宽温度补偿，与其它运算放大器相比，它既可以采用单电源供电，也可以采用双电源供电模式。它被广泛应用予家用电器、工业仪器、电子玩具、报警装置、自动控制等电路中。n B 2 4 的主要特点如下：”1)、大的电压放大能力，每一组运放差模增益可达到1 0 0d B 2)、电源电压范围宽，单电源为3 V 到3 2 V，双电源为1 5 V 到1 6 V 3)。电源供给电流小，仅仅7 0 0 l IA，基本上独立于电源电压。4)、输出电压范围宽，可从O V 到V+一1 5 V豳
36、3 3L 9 3 2 4 的引脚捧列田91 _ 1一刁J一研一刁I d翌第三章扫频电路设计L M 3 2 4 的引脚捧列如图3 3 所示。为了获得设计要求的压控输入信号，我们将它四个独立的运算分别组织成图3 4 的电路形式，通过这四个单元电路的电路运算，将基本压控信号变为设计要求的压控输入信号下面我们简要介绍一下这四个单元电路及其电路计算。壤醇隅：霸(c)圈3 4 运算放大电路图3 4(a)为一同相比例动算电路。根据理想运算放大器工作在线性区时的分析依据，有v=v+，L=L m O 也就是说电路中存在虚短和虚断现象。由此可列出下列方程式：盟。生如蜀!=1 2：生焉心因有V L v+，可由式3(
37、2)解得V N，代入式3 _(3)得：圪=矗吃+争当如一一(断开)时，则上式可变为：圪=蜀R+I 局V。1 03-(4)3-(5)青岛大学硕士学位论文此时的电路如图3 4(b)所示。此电路如果再做迸一步的调整，使R 3=0，就可得到一个电压跟随器，如图3 4(c)所示图3 4(d)为运算放大器组成的同相加法电路示意图，根据理想运算放大器工作在线性区时的分析依据，有v=v+，0=i m O 可列出下列方程式：兰=坠兰=塑：0墨如3-(6)下V p-V o=一孚“7)恐毛7由于v _；V+。即V v P，式W)解得b 后，代入式3-(6)可得：v o=半嫱q+矗屹s 缈此时，若设R i=R 2=R
38、 3=R 4，则式3-(8)就变为：h。唯+吒，3-(9)R I；R 2 一R 3 一P-,4，即可以保证电路的平衡，又可以使电路的加法计算简化3 1 3I C L 8 0 3 8 精密函数发生器的性能特点I C L 8 0 3 8 型精密函数发生器属于单片集成电路，其有频率范围宽、频率稳定度高、外围电路简单等优点。它只需很少的外部电阻和电容即可产生0 0 0 1 H z-3 0 0 k H z高质量的正弦波、矩形波(或者方波、窄脉冲)、三角波(或锯齿波)等函数波形。1 性能特点(1)电源电压范围宽。采用单电源供电时，v+到V 一G N D 的电压范围是+1 0 到+3 0 V；采用双电源供电
39、时，V+到v-的电压可在士5 碧性1 5 V 内选取。输入电流最大可达2 5 m A(2)振荡频率范围宽，频率稳定性好频率范围是0 0 0 1 H z-3 0 0 k H z，频率温漂2 5 0 p p m(3)输出波形的失真小正弦波失真度小于1，三角波的线性度高达0 1(4)矩形波占空比的调节范围宽可在2 到自由调节由此可获得窄脉冲、宽脉冲或方波(5)外围电路非常简单。，通过调节外部阻容元件值，即可改变振荡频率。(6)输出特性第三章扫频电路设计输出阻抗约为2 0 0 Q，最大输出电流为2 5 m A。2 管脚功能正弦被线性调节正弦波输出三角渡输出怄流檬调节协流掘调节正电茹对4 5 Vs 基准
40、11 421 331 24l l51 06978豳3 5I O,8 0 3 8 管脚捧列圈I C I8 0 8 3 的管脚排列如图3 5 所示，8 脚为调频电压输人端，即振荡输出频率受此端电压的控制，是一种电压频率(v F)车 换电路，称为压控振荡。其振荡频率与调频电压成正比，调频电压的值是指正电源(V+)端与管脚8 之间的电压。对于此值有严格的要求只铯在v+劭2 3(v+一v-)+2 V 之间3 工作原理，一VI C L S 0 3 9 的内部框图如图3 6 所示。其中振荡电容C 由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。恒流源2 的工作状态是由恒流源t 对电容器C 连续充电，增加
41、电容电压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。当触发器的状态使恒流源2 处于关闭状态，电容电压达到比较器1 输入电压规定值的2 3 倍时，比较器l 状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K 由B 点接到A 点由于恒流源2 的工作电流值为2 I，是恒流源1 的两倍，电容器处于放电状态，在单位时闻内电容器两端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2 输入电压规定值的1 3 倍时，比较器2 状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。青岛大学硕士学位论文在以上基本电路中很容易获得3 种函数信号，假如电容器在充电过程和放电过程的时
42、间常数相等，在电容器充放电时，电容电压的变化就是三角波函数，三角波信号由此获得。由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的，所以触发器的状态翻转就能产生方波函数信号。在芯片内部，这两种函数信号经缓冲器功率放大，并从管脚3 和管脚9 输出适当选择外部的电阻R R e 和电容C，使电容器充放电时间不相等，就可以达到方波等信号在频率，占空比方面全范围调节的目的，并可获得锯齿波等函数信号正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。利用二极管的非线性特性，可以将三角波信号的上升或下降斜率逐次逼近正弦波的斜率I C L 8 0 3 8 中的非线性两络是由4 级非线性逼近两络构成。一
43、般说来，逼近点越多得到的正弦波效果越好，失真度也越小。在本茜片中N-4，失真度可以小于l，在实测中得到正弦信号的失真度可达0 5 左右，其精度效果令人相当满意，完全符合我们的设计需要。4 典型应用I C L 8 0 3 8 的典型应用如图3 7 所示。图中R A、R 垂为外接电阻，阻值范围为l k Q l M Q，调节可改变振荡频率以及矩形波的占空比。C 为定时电容，也影响振荡频率。由于第9 脚为集电极开路输出，必须外接集电极负载电阻R L。改变8 脚的输入电压v。可以改变输出频率。设电容的充放电时闯分别为t l、t 2：电源电压v l 为(V+一V 一)。根据I C L 8 0 3 8的特性
44、可得充放电电压变化量为；A V。；屹3-(1 0)由于电容为恒流充放电，充放电时问的表达式分别为tf l。C A V3-0 1)f I。丁麓一第三章扫频电路设计如：育C A V3-(1 2)如2 可充电电流为；，=警3-0 3)放电电流为；n 2 毕一毕。坠掣掣3-(1 4)R BR R R 8t l=半，舞3-0 5)f3(一K)将式3-0 0)和式3-(1 4)代入式3-(1 2)可得放电时间为岛：了C A V：丽型3-(16)I。3(-v,x 2 R,一岛)由式3-0 5)和3-(1 6)可得输出频率为：，：王_；3(v-v,x 2 G-岛)、3-(I _ 9。f l+，22 c v 当
45、R =R B=R 时可推导出输出频率为；，。翌坦：型3-(1 8)。2 R C V,2 R C(V+一E)由式3-(1 8)可以看出，在电源电压不变的情况下，输出频率只和正电源电压与8脚电压之差值成正比。当调节S 脚电压在规定时间内做连续变化时，就可得到一个扫频输出信号但值得注意的是I O _ 8 0 3 8 的8 脚电压并不是任意可调的，而是有严格的要求，只能在v+到2 3 m v)+2 V 之间。3 2 扫频信号产生电路3 2 t 扫频范围和扫叛方式及扫频周期的确定跟据一些研究者和我们前期对罗布麻超声波脱胶的研究情况，结合单频式超声波在纺织领域应用的研究结果，确定超声波的扫频范围为2 0
46、K H z 到1 0 0 K H z 扫频方式不能采用循环扫频，而只能采用单调扫频的方式。因为若采用循环扫频，会使超声波的声功率成脉冲形状这种固定重复频率的能量脉可能引起超声波发生装置内某些部件的共振而导致损坏。此外采用单调扫频的方式会在清洗槽中产生一种“恒膨胀波”有利于超声波特性的进一步发挥。为了能使每个频率点的超声波信号都能1 4青岛大学硕士学位论文产生充份的作用，并且使电路的设计和计算较为方面，我们将扫频周期定为0 7 秒3 2 2 扫频信号的产生3 2 2 1I C L 8 0 3 8 外围元件参数的确定因本课题设计要求I C L 8 0 3 8 的输出频率为2 0 k H z 到1
47、0 0 k I-l z 之间，也就是扫频的上下限频率分别为；_，。2 0 K d-z,-=1 0 0 K d-l z 设当输出频率为，-时，8脚的输入电压为曙，输出频率为厶时，3 脚的输入电压为曙，剐由公式3-(1 8)可得：童也：V+-V s ：2 0：三九K 一曙 0 053-0 铆在这里我们设I C L 8 0 3 8 采用1 5 V 的单电源供电，且R ；R e-R。在上文中，我们已经提到I C L 8 0 3 8 的8 脚电压并不是任意可调的，而是有严格的要求，只能在V+到 2 3+一V)+2 V】之闻。对于本课题即只能在1 5 V 到t 2 V 之间调节。为此，我们取曙=1 2 V
48、，代入式3-(1 9)H-I 解得曙=1 4 4 V。也就是说，要想使I C L 8 0 3 8 的输出端产生2 0 k H z 到1 0 0 k H z 的扫频信号，就要求8 脚的电压巧为：1 2 V 虼 1 4 4 V由于I C L 8 0 3 8 对电容充放电的恒流源电流大小有一定的要求：当恒流源电流小于lpA 时，在较高的温度条件下，精电电流将会使 C L 8 0 3 8 无法正常工作：当恒流源电流大于5 m A 时，晶体管偏压和饱和电压也将迅速增加而使I C L 8 0 3 8 无法正常工作，这使得舰鲫8 外接电阻和电容的选择受到一定的限制为了使I C L 8 0 3 8能够正常工作
49、，要求恒流源电流应在1 0I IA 到l m A 之问当I C L 8 0 3 8 以图3 7 的形式联接时其内部恒流源I l 和1 2 的计算公式分别为；=警厶=掣当R A=R B R 时，由于1 2 电流大于I l，我仍仅用纠巍可确定出外接电阻R 的大小范围，即：l 毗鼍产妒3-(2 3)巧第三章扫频电路设计将式3-(2 0)和式3-(2 3)联立，可得到R 的取值应在1 2 K o 到1 0 0 K O 之闻，我们取R-1 0 K Q i将所得的已知条件：厶=l O o 置如、R=1 0 K Q、V+=1 5 V、V*=O V，以及当厶-1 0 0 K H z 时，8 脚的输入电压=1
50、2 V 代入到式3(1 8)得：“纠o o x 缈；若晶。勰，俐。2 震c 巧一F)2 l o 1 5 c一可解得C=3 0 0 p F 3 2 2 2I c L 8 0 3 8 的8 脚压控输入信号的获得在上文中我们已经得出I C L 8 0 3 8 的8 脚输入电压范围应在1 2 V 1 4 4 V 之间，如果要得到这一电压范围，由于N E 5 5 5 P 自身的特点和局限性，无法一步完成。因此，我们先通过N E 5 5 5 P 的输出一定范围的基本压控信号，再经过运算放大器的加法电路来获得我们需要的压控输入信号由于要得到单调的扫频信号，输入到I C L 8 0 3 8 的S 脚压控信号需