嵌入式技术
Ｅ½½½ ½½½ ½ Ｔ½ ½½½½½½½½
变频式超声波发生器的高速锁相研究
＊
严勇文
，
隆志力
，
½将三
，
杨岳峰
（
中 南 大 学 机 电 工 程 学 院
，
湖 南 长 沙
４１００８３）
摘 要
：
构建了一种变频式超声波发生器
，
并对其中的高速锁相进行分析。通过换½器的电流反
馈
，
采用基于嵌入式的数字式真有效值试探算法
，
超声波发生器锁相速度比传统速度提高数十倍
，
达
到高速锁相的要求
，
满足了换½系统工½时的高速谐振需求。
关键词
：
高速锁相
；
真有效值
；
平方根
；
超声键合
Ｒ½½½½½½½ ½½½½½ ½½½½－ ½½½½½ ½½½½½
½½½½½½½ ½½ ½½½½½½½½½－ ½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½
ＹＡＮ Ｙ½½½ Ｗ½½
，
ＬＯＮＧ Ｚ½½ Ｌ½
，
ＨＥ Ｊ½½½½ Ｓ½½
，
ＹＡＮＧ Ｙ½½ Ｆ½½½
（Ｍ½½½½½½½½½ ½½½ Ｅ½½½½½½½½½ Ｅ½½½½½½½½½½ Ｃ½½½½½½ ½½ Ｃ½½½½½½ Ｓ½½½½ Ｕ½½½½½½½½½
，
Ｃ½½½½½½½ ４１００８３
，
Ｃ½½½½）
Ａ½½ ½½½½½
：
Ｔ½½½ ½½½½½½½ ½½½½½½½½½½ ½ ½½½½ ½½ ½½½½½½½½½－ ½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½ ½½½ ½½½½½½½½ ½½½ ½½½½ － ½½½½½ ½½½½½ ½½½½½½½
½½½½½½½½½． Ｔ½½½½½½ ½½½ ½½½½½½½½ ½½ ½½½½½½½½½½
’
½½½½½½½½½½½， ½½½ ½½½½½ ½½½½½½½ ½½½½½ ½½ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½ ½½½½½ ½½½½½½½½ ½½½½½½½
½
½½½½ ＲＭＳ ½½½½½½½½½ ½½½½½½½½ ½½½½½½½½½ ½½ ½½½½ ½½ ½½½½½½½½ ½½½½½½ ½½ ½½½½½ ½½½½½½½½ ½½½½ ½½½ ½½½½½½½½½½½ ½½½½
，
½½½½½ ½½½½½½½ ½½½
½½½½－ ½½½½½ ½½½½½ ½½½½½½½ ½½½½½½ ½½½ ½½½½½ ½½½ ½½½½½½½½½ ½½ ½½½½－ ½½½½½ ½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½½ ½½½½ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½ ½½ ½½½½½½½．
Ｋ½½ ½½½½½
：
½½½½ ½½½½½ ½½½½½ ½½½½½½½
；
½½½½ ½½½½－ ½½½½－ ½½½½½½（ＲＭＳ）
；
½½½½½½ ½½½½
；
½½½½½½½½½½ ½½½½
超声波发生器是超声键合设备的核心装备之一
，
用
于驱动换½器
，
保证键合过程换½系统处于谐振工½状
态
，
满 足 芯 片
Ｉ／Ｏ
端 口 的 键 合 。
超声波发生器的核心及关键是自动锁相与锁相速
度
，
其是否高速地跟频在换½器的工½谐振状态
，
决定
了超声键合系统½否高效率、 性½、 ½耗地工½
，
它
高
½
对提高键合强度、 合效率及封装器件的可靠性起了非
键
常重要的½用。因此
，
研究如½缩短超声波发生器的锁
相时间
，
实现高速跟频有着非常重要的意义。
输入输出
设备
电源
嵌入式系统
频率生成
功率放大
换½器
反馈
ＰＬＬ
频 率
反馈
图
１
变频式超声波发生器工½原理图
２ Ｐ ＬＬ
频 率 反 馈 模 块 方 案 分 析
超声波发生器系统中
，
½响高速锁相的环节主要有
嵌 入 式 系 统 、 率 生 成 及
ＰＬＬ（Ｐ½½½½ Ｌ½½½½½ Ｌ½½½）
频 率 反
频
馈 。随 着 高 性 ½
ＡＲＭ（Ａ½½½½½½½ ＲＩＳＣ Ｍ½½½½½½½）
½ 为 嵌 入
式 系 统 的 不 断 推 广 及 具 有 高 速 生 成 频 率 功 ½ 的
ＤＤＳ
（
Ｄ½½½½½ Ｄ½½½½½½ Ｓ½½½½½½½½½½
）
的 广 泛 ½ 用
，
频 率 生 成 速 度 已
经 得 到 很 大 提 高
，
超 声 波 发 生 器 的 技 术 瓶 颈 集 中 在
ＰＬＬ
频率反馈模块。因此
，
提高超声波发生器的反馈速度对
高速锁相具有主要的½用。
１
变频式超声波发生器的构建
变频式超声波发生器是指在一定范围内
，
可自行计
算换½器的固有谐振频率
，
并智½调整输出频率实现频
率跟踪的超声波发生器。本设计中
，
超声波发生器的变
频 范 围 为
２０½Ｈ½½
２００½Ｈ½
。
超声波发生器的激励方式有自激和它激两种模式。
自激模式只½跟踪一个固定的频率
，
无法实现变频效
果
，
所以变频式超声波发生器采用第三方扫频模式的它
激 方式
，
具 有良 ½的变 频效 果
，
原 理图如 图
１
。
＊
½ 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目
（２００３ＣＢ７１６２０２ ）
½ 家 自 然 科 学 基 金 青 年 科 学 基 金 项 目
（
５０６０５０６４
）
½ 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目
（５０３９００６４ ）
２ ． １ Ｐ ＬＬ
频 率 反 馈 原 理
在实际键合过程中
，
由于键界面处于一个动态变化
《
电子技术应用》
２００８
年第
１
期
欢迎订购《
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２０００½
２００６
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０１０－ ８２３０６０８４
）
２７
嵌入式技术
相功½。
Ｅ½½½ ½½½ ½ Ｔ½ ½½½½½½½½
不严谨和准确。
的过程
，
换½器谐振频率为一时变过程
，
因此
，
超声波发
生器必须根据换½器状态动态调整输出频率以实现锁
超声键合系统中
，
换½器可等效为图
２
所示电路。
ＡＤ５３６Ａ
芯 片 被 广 泛 用 于 真 有 效 值 ½ 换
，
采用
ＡＤ５３６Ａ
芯 片 实 现 电 流 反 馈 是 一 个 有 效 的 方 案 。 ½ 是
，
在
其他领域½实现的技术
，
不一定满足芯片键合封装领域
的 需 求 。 现 对
ＡＤ５３６Ａ
芯 片 进 行 误 差 分 析 和 稳 定 时 间 的
因
计算。 为高速锁相对时间和精度有较高的要求
，
因此采
用后½二阶巴特沃思滤波器电路方案。真有效值芯片的
平均误差等于直流误差加上纹波误差
，
½后½二阶巴特
沃 思 滤 波 器 后
，
纹 波 误 差 只 占 平 均 误 差 的
５％，
为 计 算 方
便
，
这 里 仅 考 虑 直 流 误 差 。 直 流 误 差 公 式 如 下
［３½
：
ＤＣ
½½½½½
＝
其中
：
１
％
０．１６＋（６．４"
１２
½
２
）
（２）
"
１
＝ＲＣ
ＡＶ
＝２５½!×
ＡＶ
Ｃ
½
为 输 入 频 率
，
Ｃ
ＡＶ
为 平 均 电 容 。
（３）
由 公 式
（２）
可 以 看 出
，
频 率
½
越 ½
，
直 流 误 差
ＤＣ
½½½½½
越
大 。 ½ 输 入 频 率
½
取 最 小 值
（
２０½Ｈ½
）
时
，
直 流 误 差
ＤＣ
½½½½½
最 大
，
取 平 均 电 容
Ｃ
ＡＶ
＝１½Ｆ
，
直 流 误 差
ＤＣ
½½½½½
为
０．５９％
；
½
输 入 频 率
½＝３０½Ｈ½
时
，
直 流 误 差
ＤＣ
½½½½½
为
０．２％
，
由 于
８
由图
２
可得
：
½ 精 度 的 误 差 为
０．３９％
，
因 此 从 精 度 角 度 而 言 尚 可 以 满
Ｕ
Ｉ＝ Ｕ ＝ Ｕ ＝
Ｚ Ｒ＋Ｘ½ Ｒ（１＋½½½!½）
（１）
足
８
½精度要求。
ＡＤ５３６Ａ
芯 片 的
１％
稳 定 时 间
½½
的 公 式 为
：
½½＝４．６
!
"
１２
＋"
２２
＋"
３２
其中
：
其中
，
超声波发生器输出电压
Ｕ
及换½器电阻
Ｒ
不变。
½系统处于非谐振状态时
，
电流电压相½角
!
不为
零
，
随着超声波发生器输出频率远离换½器的谐振频
率
，
相½角
!
随之增大
，
电流
Ｉ
变小
；
½系统处于谐振状
态时
，
电 抗
Ｘ
为 零
，
此 时 换 ½ 器 上 的 相 ½ 角
!
为
０
，
阻 抗
（４）
Ｚ
有最小值
，
因此流经换½器的电流
Ｉ
最大。
综 上 所 述
，
在
ＰＬＬ
频 率 跟 踪 模 块 的 控 制 中
，
负 ½½ 端
反馈电流和电流电压相½ 差这两 个参 数的 引入
，
½ 得根
据负½½综合特性阻抗实时控制频率成为可½
，
也即实现
了闭环控制
［１½
（５）
"
３
＝ＲＣ
３
＝２４½!×
３
＝２４½!×
Ｃ
２．２×
ＡＶ
Ｃ
（６）
½
Ｃ
ＡＶ
＝１½Ｆ
时
，
由 公 式
（４）
可 得 稳 定 时 间
½½＝０．３７５½½
，
此 时 间 无 法 满 足 高 速 谐 振 的 要 求 。 ½ 管 平 均 电 容
Ｃ
ＡＶ
进
一 步 缩 小 可 以 缩 短 稳 定 时 间
½½
，
½ 因 此 将 造 成 直 流 误 差
ＤＣ
½½½½½
加 大
，
无 法 满 足 高 速 芯 片 封 装 的 特 殊 要 求 。
由 于
ＡＤ５３６Ａ
芯 片 采 用 模 拟 电 路 得 到 模 拟 有 效 值 信
号
，
这种模拟表测量精度½且响应时间慢
，
因此为了实
现高速锁相
，
必须寻找更优的方法。
"
２
＝ＲＣ
２
＝２５½!×
２
＝２５½!×
Ｃ
２．２×
ＡＶ
Ｃ
。
２．２
常 见 锁 相 反 馈 的 比 较 与 分 析
２．２．１
相 ½ 差 反 馈 方 案
根据相½差反馈实现锁相是一种比较简单的方法
，
½
实 际 应 用 中 常 出 现 不 稳 定 、 法 锁 相 等 情 况
［２½
，
其 原 因
无
为
：
（１）
½ 换 ½ 器 处 于 非 谐 振 状 态 时
，
相 ½ 差 在 全 局 频 段 并
非 遵 循 离 谐 振 点 越 远 相 ½ 差 越 大 的 特 点 。
（２）
½ 换 ½ 器 处
于谐振状态时
，
相½差电压接近于零
，
由于芯片的偏½或
外 干 扰
，
易 出 现 失 锁 或 锁 相 不 完 全 的 现 象 。
（３）
由 相 ½ 差 ½
成 的
ＰＷＭ
波 ½ 经 过 ½ 通 滤 波 后
，
由 于 纹 波 和 稳 定 时 间 之
间存在矛盾
，
无法同时满足高速与高精度响应的要求。
３
基于数字真有效值测量的频率反馈电路分析与
设计
数字式电路通过对信号多次采样后
，
由公式计算并
得出有效值
，
精度可以达到很高。 见的方法是先测出交
常
流 信 号 的 周 期
，
再 依 据 整 周 期 采 样 条 件 和
Ｎ½½½½½½
采 样 定
理算出合适的采样周期
，
然后按此计算出的采样周期对
交流信号进行采样。否则该方法求得的值就不符合真有
效 值 的 定 义
，
这 将 ½ 整 个 工 ½ 过 程 变 得 复 杂
，
同 时 加 大 时
间 滞 后 和 测 量 误 差
［４½
。 由 于 变 频 式 超 声 波 发 生 器 为 扫 频
模式
，
交流信号不可½一直为模数芯片采样周期的整数
倍或有理分数倍
，
所以传统的计算方法无法满足可变频
及 高 速 锁 相 的 需 要 。 本 文 采 用 以 下 有 效 值 计 算 公 式
［５½
：
２
２
２
２．２．２
电 流 反 馈 方 案
根 据 电 流 反 馈 实 现 高 速 锁 相 是 一 种 有 效 的 办 法 。由
实验可知
，
换½器反馈电流中含有谐波
，
波½变½严重
，
无法通过对电流峰峰值的检测判断大小
，
且各次谐波的
½量在输出信号中的比例也会有很大的差别。 过带通
通
滤波器滤除多½谐波
，
只留下基频再进行判断的方法并
½
ＲＭＳ
＝
!
½
½
（１）"
½
＋½
½
（２）＋
…
＋½
½
（Ｎ
½
）
Ｎ
½
－ １＋#
½
＋$
½
（７）
２８
欢迎½上投稿
½½½．½½½½½½½½．½½½
《
电子技术应用》
２００８
年第
１
期
嵌入式技术
其中
：
Ｅ½½½ ½½½ ½ Ｔ½ ½½½½½½½½
½
½
（１）
（８）
½
½
（１）＋ ½
½－ １
（Ｎ
½－ １
）
½
½
（Ｎ
½
）
（９）
"
½
＝
½
½＋１
（１）＋ ½
½
（Ｎ
½
）
式 中
：
Ｎ
½
为 交 流 信 号 内 第
½
个 周 波 的 采 样 次 数
；
½
½
!
½
＝
（½）
为 第
½
个 周 波 的 第
½
次 采 样 值 。
图
３
为第
½
个周波的采样数据示意图。
Ｎ＝
３ＭＨ½
≈７
２００½Ｈ½×
２
即采样最高谐波次数可达
７
次。由于换½器谐振时
，
４
次谐波以后的谐波½量已经十分微弱
，
所以此方案可满
足实际应用的要求。
同 时
，
ＡＴ９１ＳＡＭ９２６０
处 理 器 在
ＡＤ７２７８
模 数 ½ 换 芯
片的每个采样周期内可完成
：
１／３ＭＨ½
≈
６６
条 指 令
，
足
５½½
以 完 成 公 式
（７）
中 每 个 采 样 周 期 内 相 应 的 计 算 要 求 。
公 式
（
７
）
通 过 一 个 周 期 的 第 一 个 采 样 和 最 后 一 个 采
样实现有效值的补偿
，
½真有效值计算不受“ 周期采
整
样” 件的限制
，
½对被测信号的每个周波的有效值½
条
进行测量
，
工½方式较为简单
，
响应快速。
同时
，
由 公式
（
７
）
可 知
，
嵌 入 式 控 制 芯 片 须 进 行 平 方
根 运 算
，
Ｃ
语 言 中 求 平 方 根 指 令
ＰＯＷ
（
½
，
０．５
）
采 用 数 学
上 常 用 的
Ｎ½½½½½ － Ｒ½½½½½½
迭 代 法 。 由 编 译 结 果 可 知
，
本
方 案 采 用 的 高 性 ½
ＡＴ９１ＳＡＭ９２６０
嵌 入 式 芯 片 运 行
ＰＯＷ
（
½
，
０．５
）
指 令
，
需 要
１００!½
左 右 。 考 虑
ＡＲＭ
二 进 制 的 计
算特点
，
本设计采用高效的试探法求平方根
，
算法流程
见 图
４
。
ＡＴ９１ＳＡＭ９２６０
处 理 器 在
１８０ＭＨ½
时 具 有
２００ＭＩＰＳ
处 理 ½ 力
［６½
，
即 单 周 期 指 令 执 行 时 间 为
５½½
。在 处 理
８
½
精 度 数 字 时
，
其 平 方 根 运 算 只 需
０．１３５!½
，
因 此 采 用 此 算
法½大大加快超声波发生器的锁相速度。
由 文 献
［５½
可 知
，
½ 单 周 期 采 样 次 数
Ｎ
½
＝１６
时
，
有 效
值 误 差
½
ＲＭＳ
小 于
０．１２％
，
满 足
８
½ 精 度
（
０．３９％
）
的 要 求 。
因 为 超 声 波 发 生 器 的 最 高 输 出 频 率 为
２００½Ｈ½
，
所 以 采 样
频率应为
：
由 上 可 见
，
ＡＴ９１ＳＡＭ９２６０
处 理 器 可 实 时 计 算 ½ 前 周
波的电流真有效值
，
并½满足高速锁相要求。
通过克服超声波发生器各个环节的速度瓶颈
，
尤其
是
ＰＬＬ
频 率 反 馈 速 度 的 改 进
，
½ 得 高 速 锁 相 的 超 声 波 发
生器锁相速度比传统锁相时间提高数十倍
，
这为½今及
未来芯片封装的高速、 效、 性½、 可靠的发展要求
高
高
高
奠定了重要的理论基础。
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．
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．
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［３½ ＫＩＴＣＨＩＮ Ｃ
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ＣＯＵＮＴＳ Ｌ．ＲＭＳ－ ½½－ ＤＣ Ｃ½½½½½½½½½ Ａ½½½½½½－
½½½½ Ｇ½½½½ ２½½ Ｅ½½½½½½．½½½½
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／／½½½．½½½½½½．½½½．
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徐 垦
．
交 流 信 号 真 有 效 值 数 字 测 量 方 法
．
华 中 科 技 大 学 学
报
，
２００６
，
３４
：
５１－ ５４．
２００½Ｈ½×
１６＝３．２ＭＨ½
现 选 用
３Ｍ½／½
采 样 速 度 的
ＡＤ７２７８
芯 片
，
根 据
Ｎ½½½½½½
采样定理
，
其可以采样的最高谐波次数为
：
［６½ ＡＴ９１ ＡＲＭ Ｔ½½½½－ ½½½½½ Ｍ½½½½½½½½½½½½½½½ Ｐ½½½½½½½½½½．½½½½
：
／／½½½．½½½½½．½½½／．
（
收 稿 日 期
：
２００７－ ０７－ １７）
""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
（
上 接 第
２６
页
）
［３½
曹 尉 青
，
韩 冰
．
利 用
ＧＳＭ
短 消 息 实 现 远 程 监 控
［Ｊ½．
无 线 电
工 程
．２００２
，
３２（１０）
：
２１－ ２３．
程 测 控 ½ 络 系 统
［Ｊ½．
浙 江 工 业 大 学 学 报
，
２００６
，
３４（２）
：
１９０－ １９４．
［６½
徐 光 宪
，
刘 建 辉
，
陈 万 志
．
串 行 通 信 在 监 控 系 统 中 的 应 用
研 究
［Ｊ½．
微 计 算 机 信 息
，
２００４
，
２０（７）
：
２５－ ２７．
［４½ Ｍ½½½½½½½½ Ｔ½½½½½½½½½ Ｉ½½．ＰＩＣ１６Ｆ８７Ｘ Ｄ½½½ Ｓ½½½½ ２００１
［ＤＢ ／ ＯＬ½．½½½½
：
／／½½½．½½½½½½½½½．½½½．
［５½
杨 海 清
，
李 敏
，
杨 海 虹
．
基 于
Ｈ½½½Ｌ½½½
通 讯 协 议 的 制 水 流
（
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２００７－ ０６－ ２７）
《
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