采用數字電路超聲波發生器，可以消除溫度漂移等常規模擬調節器難以克服的缺點，有利于參數整定和變參數調節，便于通過程序軟件的改變方便地調整控制方案和實現多種新型控制策略，同時可減少元器件的數目、簡化硬件結構，從而提高系統的可靠性。此外，還可以實現運行數據的自動儲存和故障自動診斷，有助于實現超聲波發生器的智能化。

超聲波發生器應用數字化控制技術一般有三種形式。

（1）釆用單片機控制

單片機是一種在一塊芯片上集成了CPU、RAM/ROM、定時器/計數器和I/O接口等單元的微控制芯片，具有速度快、功能強、效率高、體積小、性能可靠、抗干擾能力強等優點，在各種控制系統中應用廣泛。單片機的CPU經歷了由4、8、16、32直至64位的發展過程。主要以美國INTEL公司生產的MCS-51（8位）和MCS-96（16位）兩大系列為代表。在超聲波發生器中，單片機主要用作數據采集、運算處理、電壓、電流調節、PWM信號的生成、系統狀態監控和故障自我診斷等。一般作為整個電路的主控芯片運行，完成多種綜合功能。配合D/A轉換器和MOSFET功率模塊實現脈寬調制。另外，單片機還具有對過流、過熱、欠壓等情況的中斷保護以及監控功能。

單片機控制克服了模擬電路的缺陷，通過數字化的控制方法，得到高精度和高穩定度的控制特性，并可實現靈活多樣的控制功能。但是，單片機的工作頻率與控制精度是一對矛盾，而且處理速度也很難滿足高頻電路的要求，這就使人們轉而尋求功能更強的芯片，于是數字信號處理器（DSP）應運而生。

（2）采用數字信號處理器（DSP）控制

數字信號處理器（DSP）是近年來迅速崛起的新一代可編程處理器。其內部集成了波特率發生器和FIFO緩沖器，提供高速同步串口和標準異步串口，有的芯片內還集成了采樣/ 保持和A/D轉換電路，并提供PWM信號輸出。與單片機相比，DSP具有更快的CPU，更高的集成度和更大容量的存儲器。

DSP屬于精簡指令系統計算機（RiSC），大多數指令都能在一個周期內完成并可通過并行處理技術，在一個指令周期內完成多條指令。同時，DSP采用改進的哈佛結構，具有獨立的程序和數據空間，允許同時存儲程序和數據。內置高速的硬件乘法器，增加了多級流水線，使其具有高速的數據運算能力。而單片機為復雜指令系統計算機（CiSC），多數指令要2?3個指令周期才能完成。單片機采用諾依曼結構，程序和數據在同一空間存儲，同一時 刻只能單獨訪問指令或數據。單片機的ALU只能做加法，而乘法則需要由軟件來實現，因而需要占用較多的指令周期，速度比較慢。與16位單片機相比，DSP執行單指令的時間快 8?10倍，一次乘法運算時間快16-30倍。

在超聲波發生器中，DSP可以完成除功率變換以外的所有功能，如主電路控制、系統實時監控及保護、系統通信等。雖然DSP有著許多優點，但是它也存在一些局限性，如釆樣頻率的選擇、PWM信號頻率及其精度、釆樣延時、運算時間及精度等，這些因素會或多或少地影響電路的控制性能。

（3）采用FPGA控制

現場可編程門陣列（FPGA）屬于可重構器件，其內部邏輯功能可以根據需要任意設定，具有集成度高、處理速度快、效率高等優點。其結構主要分為三部分：可編程邏輯塊、可編程I/O模塊、可編程內部連線。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少則幾千個等效門，多則幾萬或幾十萬個等效門，所以一片FPGA就可以實現非常復雜的邏輯功能， 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言（VHDL）來對系統進行設計，釆用三個層次（行為描述、PJL描述、門級描述）的硬件描述和自上至下（從系統功 能描述開始）的設計風格，能對三個層次的描述進行混合仿真，從而可以方便地進行數字電 路設計，在可靠性、體積、成本上具有相當優勢。比較而言，DSP適合取樣速率低和軟件復雜程度高的場合使用；而當系統取樣速率高（MHz級），數據率高（20MB/s以上）、條 件操作少、任務比較固定時，FPGA更有優勢。

審核編輯：湯梓紅