相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置论文和设计-王泽峰

全文摘要

本实用新型公开了一种相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置，包括微处理器、无线模块、单片机、一级驱动电路、较低电压电源、二级驱动电路、较高电压电源、一级激发端、二级激发端。微处理器通过无线模块接收到控制命令后，控制单片机发送具有相位差的多通路信号到一级驱动电路；一级驱动电路把较低电压电源输送来的高于微处理器输出电压的低电压调制成与各通道控制信号同频率的电压信号并输送到一级激发端的压电陶瓷进行各通道的声子激发。同时信号也传输至二级驱动电路，导通其自身的绝缘栅双极型晶体管，将较高电压电源输送来的电压调制成与各通道控制信号同频率的电压信号，并输送到二级激发端的压电陶瓷进行各通道的声子激发。

主设计要求

1.相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置，其特征在于，包括主控单元与驱控单元；主控单元包括微处理器、无线模块、单片机；驱控单元包括一级驱动电路、较低电压电源、二级驱动电路、较高电压电源、一级激发端、二级激发端；主控单元接收到参数命令后，根据命令中信号频率、信号相位差以及寂灭期参数命令，发送多通道信号到驱控单元。

设计方案

2.根据权利要求1所述的相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置，其特征在于，包括：单片机与一级驱动电路相连，发送控制信号到一级驱动电路；一级驱动电路与较低电压电源、一级激发器相连，把较低电压调制成同参数的电压信号，发送到一级激发端与二级驱动电路。

3.根据权利要求1所述的相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置，其特征在于，一级与二级驱动电路相连，发送控制信号到二级驱动电路；二级驱动电路与较高电压电源、二级激发器相连，二级驱动电路把较高电压调制成同参数的电压信号，发送到二级激发器。

4.根据权利要求1所述的相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置，其特征在于，主控单元中的微处理器通过无线模块或单片机代码烧录接收各通道信号的激发频率参数命令、各通道之间的相位差时间参数命令以及信号组寂灭期时间参数命令；微处理器通过单片机发送多通路信号到与其连接的一级驱动电路。

5.根据权利要求1所述的相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置，其特征在于：二级驱动电路包括绝缘栅双极型晶体管IGBT，把较高电压电源输送来的电压分成相同数目的一一对应的多通道信号，并将每个通道调制成和与之对应的控制信号具有相同频率、相同相位差，相同寂灭期的较低压电信号发送到二级激发端进行声子激发。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及声子激发控制装置领域，具体涉及一种多通道、各通道信号频率可相异可控、信号之间相位差与信号寂灭期也都可控的声子激发装置。

背景技术

近几十年来，拓扑学与物理的结合是物理学发展的一个新领域，它不仅活跃在量子场理论以及高能物理中，更广泛地存在于凝聚态物理体系中，其中就包括声子的霍尔效应。声子是晶格振动的元激发，是固体中热输运的主要载体。许多重要的实际应用，例如集成电路散热、热障涂层、热电器件、热二极管、热三极管等都需要有效地控制声子输运。新型拓扑量子物态的发现，如量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体、拓扑半金属等，从根本上改变了人们对电子态的认识。由于声子作为一种中性的准粒子不能像电子一样可以通过洛伦兹力直接和磁场耦合，因此在顺磁介质样品中发现声子霍尔效应现象时，在有热流通过的样品薄膜的垂直方向上施加磁场时可以观察到横向热流，由于电子对热流贡献可以忽略，所以这种现象称之为声子霍尔效应。研究表明，可以在结构中加入旋转的气流或利用陀螺惯性效应来打破时间反演对称实现电子量子霍尔效应的声子模拟，如参考文：Fleury R, Sounas D, Sieck C, Haberman M, Alu A. Sound Isolationand Giant Linear Nonreciprocity in a Compact Acoustic Circulator. Science.2014; 343(6170):516-9.中介绍，此方案虽然是可行的，但是难度大，在结构中加入高频旋转气流需要非常精密的仪器实施精准的操控；还有一种方式是在波源中加入相位差，通过调节相位关系，可以产生自旋的弹性波，参考文献：Long Y, Ren J, Chen H. Intrinsicspin of elastic waves. P Natl Acad Sci USA. 2018;115(40):9951-5介绍了此种方案的可行性，于此同时此方案成本相对较低，实施的成功率较高。

声子霍尔效应的发现虽然给声子输运与控制提供了新的方法，但至今没有更多的实验研究声子霍尔效应。实验设备不足是其中的一个关键限制因素。研究人员一般使用压电陶瓷将电信号转化为超声信号，从而进行对声子的研究。同时，为了实现相位的调节，研究人员大多采用延迟信号发生器作为信号源。但是目前市面上能够找到的延迟信号发生器，如DG645、BNC数字延迟脉冲发生器等，不仅很难实现在同一周期内的具有相位差的多路信号的激发，而且其输出电压低、价格高昂，无法满足声子霍尔效应的科学研究以及相关实验的需求。

文献1：中国实用新型CN204258774U公开了一种适用于延迟信号发生器的输出电路，其通过双向电平转换芯片将从FPGA芯片输出的TO同步脉冲信号和TX回波脉冲信号同步从3.3V提升至5V；但是5V的电压跟本无法满足声子研究的需求，同时也无法满足多通道以及相位差的需求。

文献2：中国实用新型CN204425320U公开了一种复频超声波电源，其提供一种能够同时输出两路超声波信号，并且两路超声波的频率、功率和相位差均可控制和调整。但是其只有两路超声信号输出不足以研究声子霍尔效应；同时其工作中还需要驱动复频换能器、频率跟踪单元根据信号发生及功率放大单元的输出对复频换能器进行扫频和锁相，并将扫频和锁相过程中的信号反馈给所述控制单元，控制方法复杂。

文献3：中国实用新型CN201113942Y公开了一种脉冲延迟信号发生器，其通过基准脉冲发生电路和可预置数字延迟电路共用的计数时钟电路，输出基准脉冲信号与模拟延迟信号。首先模拟延迟的效果是无法达到数字延迟水平的，会有较大的白噪声等干扰；其次，其信号是通过单片机直接输出的信号，其电压不可能达到例如100V水平，但是大于100V的电压在研究声子学中是经常用到的。

实现弹性波自旋和声子霍尔效应等的实验研究，需要设备不仅拥有更多的输出通道、可调控的工作频率，而且需要可控的相位差时间，以及较高的输出信号电压，同时最好具有成本低、体积小的优点。

发明内容

本实用新型的目的在于提供设一种一种多通道、各通道信号频率可相异可控、信号之间相位差与信号寂灭期也都可控的声子激发装置。

实现本实用新型目的技术解决方案为:一种相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置，包括主控单元与驱控单元。其中主控单元包括微处理器、无线模块、单片机；驱控单元包括一级驱动电路、较低电压电源、二级驱动电路、较高电压电源、一级激发端、二级激发端。

微处理器通过单片机上的无线模块接收到操作员通过移动端发送的各通道信号的激发频率参数命令、各通道之间的相位差时间参数命令以及信号组寂灭期时间参数命令，然后控制单片机发送具有相位差的多通路数字信号到一级驱动电路；同时操作员也可以通过单片机烧录程序代码到微处理器的方式设定各通道信号的频率、各通道之间的相位差时间参数以及信号组寂灭期时间参数，然后系统控制单片机发送具有相位差的多通路数字信号到一级驱动电路。

微处理器与单片机本身的可输出的电压一般小于等于5V，而激发声子的激发电压信号通常在12V至1500V之间。所以，系统分为处理12V-48V较低电压的一级驱动电路与处理48V-1500V较高电压的二级驱动该电路。

一级驱动电路把较低电压电源输送来的电压信号调制成与各通道控制信号同频率的电压信号并输送到一级激发端的压电陶瓷进行各通道的声子激发。电源功率恒定的情况下，如果安置信号放大器以放大激发电压，那么激发电流就会减小，有可能会影响到声子激发的效果，同时安置放大器会增加驱动电路的反应时间。所以，一级驱动电路可以不安置常见的信号放大器，直接通过数字控制信号调控，把较低电压电源的电压信号调制成各通道控制信号的频率，按照相位差控制各自的延迟时间，发送到一级激发端进行声子激发，实现较低电压激发下具有相位差的多通道激发信号，同时可以通过控制信号中命令参数设置实现多通道信号组的信号寂灭期，即同一组具有相位差的多通道信号激发完毕后，整体寂灭延迟一个寂灭期后，重新启动激发信号，依次寂灭、激发、循环交替。

于此同时，一级驱动电路把较低电压电源的电压信号调制成各通道控制信号的频率，按照相位差控制各自的延迟时间，同步发送传输至二级驱动电路。二级驱动电路连接48V-1500V的较高电压电源。二级驱动电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT，开启其通路一般需要在其栅极G和发射极E之间施加大于12V的驱动正电压，而一级驱动电路输送来的电压满足了此条件。二级驱动电路通过IGBT把较高电压电源输送来的电压调制成与各通道控制信号同频率同相位差的电压信号，并输送到二级激发端的压电陶瓷进行各通道的声子激发，实现实现较高电压激发下具有相位差的多通道激发信号，同时可以通过控制信号中命令参数设置实现多通道信号组的信号寂灭期，即同一组具有相位差的多通道信号激发完毕后，整体寂灭延迟一个寂灭期后，重新启动激发信号，依次寂灭、激发、循环交替。

本实用新型克服了传统信号延迟的信号发生器输出通道少，相位差控制困难，容易出现白噪声以及价格昂贵的缺点。本实用新型可根据单片机的硬件结构输出更多的通道，例如通过ATmega2560单片机和其微处理器可实现最高54个通道的信号输出，并实现各通道之间相位差控制。本实用新型控制命令参数设置操作灵活，不仅多通道信号的周期或频率与相互之间的相位差时间可以单独调整，即每个信号的频率与相对相位差时长都不一样，也可以统一调整，即所有通道中信号的频率和相对前一个信号的相位差都相同，而且系统中可以设定信号组的寂灭期时间，即实现同组多通道信号激发完毕后，整体寂灭一个寂灭期后，重新启动激发信号，依次寂灭、激发、循环交替。本实用新型用数字信号作为控制信号，不仅噪声低，而且系统响应快，同时还可实现12V-48V与48V-1500V不同的等级电压强度的电压输出信号以激发声子。

附图说明

图1是本实用新型相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置的结构示意图。

图2是本实用新型相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置的四通道同相位差与寂灭期的激发信号实施案例结构图。

图3是本实用新型相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置的四通道同相位差与寂灭期的激发信号实施案例的控制信号图。

图4是本实用新型相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置的四通道同相位差与寂灭期的激发信号实施案例的激发信号图。

具体实施方式

以下结合附图，详细说明本实用新型的实施方案。

结合图1，本实用新型的相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置，包括微处理器、无线模块、单片机、一级驱动电路、较低电压电源、二级驱动电路、较高电压电源、一级激发端、二级激发端。微处理器通过单片机上的无线模块接收到操作员通过移动端发送的各通道信号的频率激发命令以及各通道之间的相位差时间命令参数，然后控制单片机发送具有相位差的多通路数字信号到一级驱动电路。一级驱动电路把较低电压电源输输送来的电压信号调制成与各通道控制信号同频率的电压信号并输送到一级激发端的压电陶瓷进行各通道的声子激发。于此同时，一级驱动电路把较低电压电源的电压信号调制成各通道控制信号的频率，按照相位差控制各自的延迟时间，同步发送传输至二级驱动电路。二级驱动电路连接较高电压电源。二级驱动电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT，一级驱动电路输送来的电压施加在栅极G，其与发射极E之间的驱动正电压开通过了IGBT电路。二级驱动电路通过IGBT把较高电压电源输送来的电压调制成与各通道控制信号同频率同相位差的电压信号，并输送到二级激发端的压电陶瓷进行各通道的声子激发。

结合图2和图3，操作员通过本实用新型相位差与寂灭期可控的多通道异频声子激发装置实现四通道的具有相位差的激发信号。首先，科研人通过移动端（6）发送的各通道信号的频率激发命令以及各通道之间的相位差时间命令参数到单片机无线模块（5）。例如控制命令为F100x20x200E，其中F为首位验证码，E为末位校验位。即收到以字母F开头以及字母E结尾的命令，单片机才会执行，否则不予执行。这保证了命令的完整性，避免系统因为某些不定因素而读取了不完整的命令信号。100表示为100个时间单位，是信号的周期时间；20表示为20个时间单位，是各通道之间信号相位差时间；200表示200个时间单位，是全体信号寂灭期，即操作员可以设置一次信号集体激发之后与后一次信号集体激发的时间差。时间单位由微处理器（8）的工作频率以及单片的性能决定，具体时间单位的大小需要根据使用的微处理器和单片机实际测量标定。例如ATmega2560的理论工作频率为16Ｍ，其理论时间单位是1\/(16M）秒，实际测量标定时间单位是：1\/(1.25M)秒。

此处的实施案例中，一共有四个通道，每个通道对应一组驱动单元。每个驱动单元包括一级驱动电路、一级激发器、二级驱动电路、二级激发器以及24V的较低电压电源和200V较高电压电源。四组驱动单元相同且并联，共用同一个24V的较低电压电源，同时也共用同一个200V较高电压电源。以图2中最上方的第一通道为例，一级驱动电路（1）包括电阻R2、TLP358驱动元件、C1电容与C2电容。C1与C2用来稳定驱动电路的线性工作，其提供的旁路作用失效会损坏电路的性能。一级驱动电路（1）把24V电压电源输输送来的24V电压信号调制成与各通道控制信号同频率的电压信号并输送到一级激发端（3）的压电陶瓷进行各通道的声子激发。

于此同时，一级驱动电路（1）把24V电压信号调制成各通道控制信号的频率，按照相位差控制各自的延迟时间，同步发送传输至二级驱动电路（7）。二级驱动电路（7）包括二极管D1、电阻R1、电阻R3与绝缘栅双极型晶体管IGBT（２）。开启IGBT（２）通路一般需要在其栅极G和发射极E之间施加大于12V且小于３０Ｖ的驱动正电压，而一级驱动电路（１）输送来的电压满足了此条件。二级驱动电路通过IGBT把200V电压电源输送来的电压调制成与各通道控制信号同频率同相位差的电压信号，并输送到二级激发端（４）的压电陶瓷进行各通道的声子激发。

结合图4，二级激发端的信号遵循了控制信号的参数命令，激发信号的频率为12.5KHZ即周期为80微秒，相位差为16微秒，寂灭周期210微秒，激发信号的工作电压为200V。

设计图

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