基于FPGA的智能超聲波功率源的設計

近年來(lái),超聲波在工業(yè)中的應用不斷涌現,比如超聲波探傷,超聲波清洗等等。伴隨著(zhù)超聲研究的熱門(mén)，如何有效的產(chǎn)生符合要求的超聲波功率源也變的迫切起來(lái)，其性能特點(diǎn)直接影響著(zhù)超聲的研究工作。上述研究需要超聲波具有高分辨率、高穩定性、大功率、頻率大范圍可調等特點(diǎn)，為此，本文提出了一種基于現場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)的DDS技術(shù)用來(lái)產(chǎn)生超聲波功率源的方案，并已將其應用在實(shí)際的聲學(xué)研究中。

一．系統原理及特點(diǎn)

系統原理如圖1所示。用現場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)芯片，通過(guò)直接數字頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生頻率為1kHz～100kHz的波形信號；功率放大采用功放模塊；功率放模塊的輸出通過(guò)輸出變壓器和電感組成的匹配網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)壓電換能器激發(fā)超聲波。

本系統的主要特點(diǎn)有 ：

(1)用數字DDS技術(shù)產(chǎn)生波形信號，分辨率高、穩定性好、頻率范圍大，系統頻率不會(huì )隨工作時(shí)間出現漂移。

(2)功率放大功放模塊，系統性能穩定，功率可達500W左右。

(3)系統通過(guò)上位機串行口輸入控制數據或接收反饋，操作靈活方便。

二．系統硬件實(shí)現

2.1 DDS原理及電路實(shí)現

DDS技術(shù)是一種用數字控制信號的相位增量技術(shù)，具有頻率分辨率高、穩定性好、可靈活產(chǎn)生多種信號的優(yōu)點(diǎn)?；贒DS的波形發(fā)生器是通過(guò)改變相位增量寄存器的值△phase(每個(gè)時(shí)鐘周期的度數)來(lái)改變輸出頻率的。如圖2所示，每當N位全加器的輸出鎖存器接收到一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，鎖存在相位增量寄存器中的頻率控制字就和N位全加器的輸出相加。在相位累加器的輸出被鎖存后，它就作為波形存儲器的一個(gè)尋址地址，該地址對應的波形存儲器中的內容就是一個(gè)波形合成點(diǎn)的幅度值，然后經(jīng)D/A轉換變成模擬值輸出。當下一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，相位累加器的輸出又加一次頻率控制字，使波形存儲器的地址處于所合成波形的下一個(gè)幅值點(diǎn)上。最終，相位累加器檢索到足夠的點(diǎn)就構成了整個(gè)波形。

DDS的輸出信號頻率由下式計算：

Fout=(△phase×FCLK)/2N (1)

DDS的頻率分辨率定義為：

Fout=FCLK/2N (2)

由于基準時(shí)鐘的頻率一般固定，因此相位累加器的位數決定了頻率分辨率，位數越多，分頻率越高。

2.2 DDS的FPGA實(shí)現

FPGA（現場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列）是從80年代中期開(kāi)始出現的一種新的可編程器件，它們的編程方式先進(jìn)高速，可以在線(xiàn)編程修改，一般工作頻率可以達到 100MHz，所以在數字電路設計領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應用。本系統中采用Altera公司的cyclone系列的FPGA進(jìn)行DDS的設計，采用的芯片是EP1C3T144C8。

(1)相位字寄存器

它是一個(gè)24位的并行輸入并行輸出寄存器，用來(lái)存放24位的相位值，即頻率控制字，系統工作時(shí)，可以通過(guò)上位機的串口輸入頻率控制字。

(2)相位累加器

相位累加器用于對代表頻率的相位字進(jìn)行累加運算，相位字的值決定了輸出信號的頻率。

如圖3，本系統中的累加器采用的是24位的結構，如果直接采用很寬位數的加法器構成累加器，則加法器的延時(shí)會(huì )大大的限制累加器的操作速度，所以采用的是3個(gè)8位的累加器級連的結構，每一級采用一個(gè)小的累加器實(shí)現部分位的累加，然后再將進(jìn)位值傳給下一級做進(jìn)一步的累加，從而提高了系統的運算速度。

(3)查找表的結構

本系統將累加器的高8位作為查表表的地址，其中高兩位用來(lái)確定象限。

在FPGA中，正弦表是用ROM來(lái)實(shí)現的，為了節省資源，考慮到正弦波的對稱(chēng)性，實(shí)際上只需要存儲正弦值在第一象限的值，如圖4所示。查找表的邏輯流程如圖5。

2.3 DA轉換電路的實(shí)現

本系統中，考慮到系統在高頻時(shí)要求DA的轉換速度較快，所以選用了DA公司的AD9750，它是10位的DA芯片，具有125MSPS的轉換速度，其典型接法如圖6：

2.4濾波放大及阻抗匹配的實(shí)現

考慮到系統中的超聲波的頻率范圍大概處于1k至100k之間，所以前向濾波采用的是Sallen-Key Low-Pass Filter濾波器，其電路結構如圖7所示。

為了使系統能高效穩定的工作，我們選用了集成功率放大模塊D-500W。

在超聲波功率源的設計中，發(fā)生器與換能器的匹配設計非常重要，在很大程度上決定了超聲設備能否正常、高效地工作。超聲波發(fā)生器與換能器的匹配包括兩個(gè)方面：阻抗匹配和調諧匹配。阻抗匹配使換能器的阻抗變換為最佳負載，即起阻抗變換作用。調諧匹配使換能器兩端的電壓和電流同相，從而使效率最高，同時(shí)串聯(lián)諧振可以提高換能器兩端電壓，有利于對壓電換能器激勵。

本系統中的阻抗匹配采用的是一個(gè)高頻變壓器，功放的輸出經(jīng)過(guò)高頻變壓器的耦合以后加在超聲波換能器上，如圖8所示，取得了較好的匹配效果。

三 試驗結果

試驗中采用的超聲波換能器的參數如下：諧振頻率f(KH) 49.05等效阻抗R（Ω）73.9靜電容C0（nf）4.94，FPGA產(chǎn)生的正弦波的頻率設定位49.5KHz,測得的功放的輸出電壓和換能器兩端的輸入電壓的波形如下圖所示。

可見(jiàn)，系統在高頻下的波形較為穩定，且可在較高的功率下連續工作，獲得了較為完好的波形。

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