Драйвер пьезоэлектрического зуммера находит резонансную частоту

Пьезоэлектрические зуммеры находят широкое применение в качестве источников звуковых сигналов благодаря их низкому энергопотреблению и чистому, проникающему звуку. Эти зуммеры могут иметь встроенный драйвер или управляться внешней схемой, формирующей колебания с частотой, равной резонансной частоте пьезоэлектрического элемента. Максимально громкий звук пьезоэлектрический элемент производит на частоте своего резонанса. Однако разброс резонансной частоты пьезоэлектрического элемента может составлять до ±15%. Поэтому внешний драйвер, настроенный на номинальную резонансную частоту, скорее всего, «не попадет» в фактическую точку резонанса. Описанная в этой статье схема управляет пьезоэлектрическим элементом извне и автоматически определяет его фактическую резонансную частоту.

В основе работы лежит следующий принцип. При подаче переменного напряжения на выводы пьезоэлемента элемент начнет вибрировать. Если убрать внешнее возбуждение, механические колебания будут продолжаться, затухая, прежде чем прекратятся совсем. Эти остаточные колебания будут вызывать на выводах пьезоэлемента затухающие электрические колебания. Если частота возбуждения близка к резонансной, механические колебания будут сильнее, а остаточные электрические колебания будут длиться дольше (Рисунок 1). Реальную резонансную частоту можно определить, пробуя все частоты вокруг номинальной резонансной частоты и сравнивая продолжительность остаточных колебаний.

Рисунок 1.	На частоте 4 кГц, которая ближе к резонансной, остаточные колебания длятся дольше (а), чем на частоте 3.2 кГц (б).

В этой конструкции пьезоэлектрическим элементом управляет микроконтроллер Microchip PIC18F452 через свои порты ввода-вывода RB4 и RB3 (Рисунок 2). Первоначальная установка «лог. 0» на выводе RB3 и «лог. 1» на выводе RB4 и периодическая смена состояний выходов после каждого полупериода формируют переменное напряжение V_P для питания пьезоэлемента со смещением 0 В. После подачи 10 периодов на выводе RB3 устанавливается «лог. 0», а RB4 используется как вход для подсчета числа переходов напряжения V_P от низкого уровня к высокому и от высокого к низкому. Число переходов подсчитывается путем установки на 10 мс прерываний по изменению состояния порта B и инкремента счетчика в процедуре обслуживания прерывания. Текст программы доступен для скачивания по ссылке в разделе Загрузки. Программа повторяет эти шаги для всех интересующих частот и определяет частоту, соответствующую максимальному количеству переходов на резонансной частоте. Эту идею можно легко расширить на случай нескольких резонансных частот.

Рисунок 2.	Микроконтроллер PIC18F452 сначала возбуждает пьезоэлектрический зуммер на запрограммированной частоте, а затем настраивает один из его выводов на ввод для подсчета числа остаточных колебаний.

Материалы по теме

1. Datasheet Microchip PIC18F452

Загрузки

1. Программа поиска резонансной частоты пьезоизлучателя