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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳楷中
研究生(外文):Kai-Jhong Chen
論文名稱:自動調頻的超音波霧化器激振電路研發
論文名稱(外文):Development of Frequency Tracking Power Supply forUltrasonic Horn Atomizer
指導教授:周元昉
指導教授(外文):Yuan-Fang Chou
口試委員:徐瑞美潘國隆莊嘉揚
口試委員(外文):Jui-Mei HsuKuo-Long PanJia-Yang Juang
口試日期:2015-07-30
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:機械工程學研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:65
中文關鍵詞:超音波霧化器鎖相迴路超音波驅動電路共振頻率飄移自動頻率追蹤
外文關鍵詞:ultrasonic atomizerphase locked loopultrasonic transducer driving circuitvariation of resonating frequencyfrequency tracking
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壓電致動器的特性會隨著製程或是環境因素而有所改變,使得其共振頻率產生飄移的現象,當操作頻率與共振頻率不同時,壓電致動器無法到達最佳的操作效率。本研究開發一個超音波致動器驅動電路模組,藉由鎖相迴路達到追蹤共振頻率的目的,使得超音波霧化器能自動追蹤共振頻率,維持在最佳的工作狀態。經過霧化甘油水溶液的實驗,證明使用本論文所設計的驅動電路可以增加霧化流量,以及擴大可霧化甘油溶液的濃度範圍。

Property of the piezoelectric transducer may change due to process and environment, resonating frequency of the piezoelectric transducer also varies. When the operating frequency is not equal to the resonance frequency, the piezoelectric transducer can`t reach maximum efficiency. The purpose of this paper is to design an ultrasonic transducer driving circuit module, tracking the resonant frequency by using a phase locked loop, so that the ultrasonic atomizer can automatically track the resonance frequency and maintain the maximum efficiency. Through experiment of atomizing glycerol solution, confirm that use the drive circuit of the present paper can increase the atomizing flow, and expand the range of the concentration of the glycerol solution which can be atomized.

目錄
中文摘要 I
Abstract... II
目錄............................................................. III
圖目錄............................................................. V
表目錄.......................................................... VIII
第一章 緒論 1
1.1研究動機 1
1.2文獻回顧 1
1.3本文內容 5
第二章 超音波霧化器 6
2.1壓電材料特性 6
2.2壓電材料參數 6
2.3壓電材料等效電路 8
2.4矽基高頻超音波霧化器 10
2.5霧化器阻抗計算 11
2.6霧化器共振頻率飄移 11
2.7超音波霧化器驅動電路 13
第三章 功率放大電路 15
3.1電晶體工作原理 15
3.2 功率放大器電路 15
3.3交越失真 18
3.4阻抗匹配電路 19
3.5變壓器原理 20
3.6 分相極間變壓器 21
3.7 變壓器設計 22
第四章 鎖相迴路 25
4.1鎖相迴路基本架構 25
4.2 相位頻率比較器: 26
4.3電荷幫浦 27
4.4非理想效應 28
4.5 迴路濾波器 29
4.6電壓控振盪器 30
4.7 鎖相迴路分析 31
4.8 鎖相迴路的實現 33
4.9 回授訊號擷取 37
第五章 霧化器驅動電路模擬與實驗結果 39
5.1 PSPICE模擬結果 39
5.2實物量測結果 48
5.3鎖相放大器用於甘油水溶液霧化實驗 56
第六章 結論與建議 63
參考文獻 64

圖目錄
圖1.1霧化粒徑與頻率關係[1] 3
圖1.2 類比式鎖相迴路 3
圖1.3 空蝕類型霧化器[16] 4
圖1.4 超音波霧化器驅動電路[16] 5
圖2.1壓電效應 7
圖2.2 BVD模型 9
圖2.3壓電材料特性曲線 10
圖2.4 300kHz超音波霧化器 11
圖2.5 網路分析儀示意圖 12
圖2.6霧化器S11曲線 12
圖2.7 傳統霧化電路 13
圖2.8可攜式霧化電路 14
圖3.1 A類放大器特性曲[29] 16
圖3.2 B類放大器特性曲線[29] 16
圖3.3 變壓器耦合 17
圖3.4 互補式電晶體 18
圖3.5 交越失真[29] 19
圖3.6 阻抗匹配示意圖 20
圖3.7 中心抽頭式變壓器 21
圖3.8變壓器成品 24
圖4.1鎖相迴路模組 25
圖4.2相位頻率比較器 26
圖4.3相位比較器狀態圖[23] 27
圖4.4 電荷幫浦[31] 28
圖4.5 鎖相迴路死區[30] 29
圖4.6 一階低通濾波器 30
圖4.7 壓控振盪器 31
圖4.8壓控振盪器特性 31
圖4.9鎖相迴路線性模型 33
圖4.10 CD4046引腳圖[26] 36
圖4.11 CD4046內部電路[26] 37
圖5.1 CD4046電路 39
圖5.2 VCO輸出 40
圖5.3 輸入參考信號 40
圖5.4 鎖相迴路未鎖定 41
圖5.5 鎖相迴路鎖定 41
圖5.6 B類放大器電路 42
圖5.7 分相變壓器輸出同相 42
圖5.8 分相變壓器輸出反相 43
圖5.9 電晶體導通12V信號 43
圖5.10 B類放大器輸出 44
圖5.11 AD620電路圖 44
圖5.12 AD620輸入與輸出關係 45
圖5.13 完整電路圖 46
圖5.14 相位未鎖定 47
圖5.15 相位鎖定 47
圖5.16 VCO輸出 48
圖5.17 鎖相迴路低頻鎖定 49
圖5.18 鎖相迴路高頻鎖定 49
圖5.19 功率放大器測試實驗圖 50
圖5.20 完整超音波驅動霧化電路接線圖 52
圖5.21 未霧化時輸入與輸出波形 53
圖5.22 噴嘴前端之水珠 53
圖5.23 未在最佳工作點下霧化之波形 54
圖5.24 未達最佳霧化狀態 54
圖5.25電路鎖定時波形 55
圖5.26 霧化達最佳狀況 55
圖5.27傳統電路甘油溶液霧化能力 58
圖5.28 鎖相電路甘油溶液霧化能力 59
圖5.29霧化器共振頻率隨霧化45%甘油溶液時間變化 61
圖5.30 PCB電路板 61
圖5.31 PCB電路板完成品 62

表目錄
表1線徑與可成受電流關係 23
表2 功率放大器對霧化液滴的效果 51
表3 傳統電路甘油溶液霧化流量(ul/min) 57
表4 鎖相電路甘油溶液霧化流量(ul/min) 58
表5 45%甘油溶液時霧化器共振頻率隨噴霧時間變化 60


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