基于DDS技術(shù)的智能超聲波功率源的研制

摘要：介紹了一種基于直接數字合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技術(shù)的超聲波功率源的設計。詳細介紹了DDS信號產(chǎn)生電路、單片機控制電路、功率放大電路以及超聲波功率源與換能器的匹配設計，并給出了系統軟件設計方案。 關(guān)鍵詞：直接數字合成 功率超聲 功率放大 阻抗匹配 功率超聲設備利用超聲波的能量改變材料的某些狀態(tài)，需要產(chǎn)生相當大或比較大的功率。超聲波功率源(或稱(chēng)發(fā)生器)向超聲換能器提供連續的電能量，其性能特點(diǎn)直接影響著(zhù)各種功率超聲的研究工作。近年來(lái)，我國關(guān)于功率超聲的研究十分熱門(mén)，尤其是超聲化學(xué)和超聲的生物效應，更是聲學(xué)研究的熱點(diǎn)。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，研制了一種基于DDS技術(shù)的超聲波功率源，并已將其應用在實(shí)際的聲學(xué)研究中。 1 系統原理及特點(diǎn) 系統原理如圖1所示。用單片機AT89C51控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生頻率為1kHz～1MHz的波形信號；功率放大采用半橋放大方式，其中，功率開(kāi)關(guān)使用MOSFET模塊；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)采用數字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)功率放大器件采用大功率的MOSFET模塊，功率可達2000W以上。 (3)采用變壓器輸出，通過(guò)串聯(lián)諧振提高換能器兩端電壓，提高了電能的利用率。 (4)系統通過(guò)單片機串行口接收反饋或者其它數據的輸入，利用編程實(shí)現智能控制。 2 系統硬件實(shí)現 2．1 DDS原理及電路實(shí)現 2．1．1 008電路工作原理 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%26;#215;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。本文采用的DDS芯片AD9850支持的時(shí)鐘輸入最高為125MHz，頻率控制字的位數為32位［1］。 由式(2)可以計算出在125MHz時(shí)鐘輸入時(shí)分辨率為0．0219Hz。 圖4 2．1．2 DDS信號發(fā)生電路 波形信號發(fā)生電路原理框圖如圖3所示。整個(gè)電路以單片機AT89C51為控制核心，用并行輸入的方式實(shí)現AD9850控制字的寫(xiě)入，同時(shí)實(shí)時(shí)處理鍵盤(pán)輸入的各種命令，并控制顯示輸出。 圖5 AD9850的輸入時(shí)鐘采用80MHz的晶振，根據式(2)可知系統的分辨率為0．0186Hz，頻率范圍可以從幾Hz到幾十MHz，但是整個(gè)系統的輸出頻率范圍由后級功率放大電路中的一些時(shí)間常數決定。將單片機的I／O口P1連接到AD9850的并行輸入口，P3．4和P3．5聯(lián)合控制單片機對AD9850的輸入輸出。AD9850控制字寫(xiě)完之后，便輸出相應頻率的方波信號QOUT。圖4為單片機與AD9850的電路連接圖。 2．2 半橋功放電路及其驅動(dòng) AD9850產(chǎn)生的信號電流小，驅動(dòng)能力弱，需經(jīng)MOSFET柵極驅動(dòng)芯片IR21844驅動(dòng)后才能控制MOSFET模塊。由于系統輸出功率大，為提高驅動(dòng)能力， 并聯(lián)使用四片IR21844。圖5(a)為電路原理圖。AD9850產(chǎn)生的信號QOUT經(jīng)過(guò)一個(gè)三級管放大后輸入IR21844，IR21844輸出HO和LO兩路反向信號，如圖5(b)所示。Td為死區時(shí)間，防止半橋電路出現直通，通過(guò)電阻R7可以調節Td的大小，即調節開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間，從而調節系統的輸出功率。 圖6所示為系統的半橋功率放大電路，R1、R2為橋平衡電阻；C1、C2為橋臂電容；R3、R4、C3、C4、D1、D2為橋開(kāi)關(guān)吸收電路元件。其工作原理如下：兩個(gè)反相的方波激勵信號分別接到兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的基極，當HO為高電平，LO為低電平時(shí)，即t1時(shí)刻，J1導通，J2關(guān)閉，電流通過(guò)J1至變壓器初級向電容C2充電，同時(shí)C1上的電荷向J1和變壓器初級放電，從而在輸出變壓器次級感應一個(gè)正半周期脈沖電壓；當到達t2時(shí)刻時(shí)，J2被觸發(fā)導通，J1關(guān)閉，電流通過(guò)電容C1和變壓器初級充電，而C2的電荷也經(jīng)由變壓器初級放電，在變壓器次級感應一個(gè)負半周期脈沖電壓，從而形成一個(gè)工作頻率周期的功率放大波形。由于功放管工作在伏安特性曲線(xiàn)的飽和區或截止區，集電極功耗降到最低限度，從而提高了放大器的能量轉換效率，使之可達90％以上［2］。 功率開(kāi)關(guān)器件選用日立公司的N通道功率MOSFET模塊PM50502C， 其具有高功率、高轉換速度、低導通阻抗、低驅動(dòng)電流等特點(diǎn)，耐壓值為500V，最大工作電流為100A(每一模塊封裝了兩個(gè)獨立的小模塊，每一小模塊的最大工作電流為50A［3］。開(kāi)關(guān)頻率可達到500kHz。吸收電路采用RCD吸收電路，具有吸收效果好、電路相對簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 2．3 匹配網(wǎng)絡(luò )設計 在功率超聲設備中，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。匹配電路如圖6虛線(xiàn)框中所示，半橋逆變輸出經(jīng)變壓器耦合后通過(guò)電感連接到換能器上，匹配設計即為輸出變壓器和匹配電感的設計。 2．3．1 阻抗匹配 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。在電源電壓給定的條件下，電源輸出的功率大小主要取決于等效負載阻抗。本文的半橋功率放大器與串聯(lián)電壓開(kāi)關(guān)型D類(lèi)功率放大器原理相同，晶體管都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，一般變壓器初級等效負載RL′，上的輸出功率表達式為： 式中，Vcc為電源電壓，Vces，為功放管飽和壓降。 本文采用48V開(kāi)關(guān)電源給半橋電路供電。根據實(shí)驗需要，希望功率源輸出功率為1500W，換能器采用多個(gè)并聯(lián)的方式，等效阻抗RL約0．5Ω，由公式n／m=RL/RL′(m、n分別為變壓器初、次級匝數)可以計算出輸出變壓器的匝數比n／m=3。 2．3．2 調諧匹配 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。由于壓電換能器存在靜電電容C0，在換能器諧振狀態(tài)時(shí)，換能器上的電壓VRL與電流IRL間存在著(zhù)一相位角ψ，其輸出功率P0=VRLIRLcosψ。由于ψ的存在，輸出功率達不到最大值，要使電壓VRL與電流IRL同相，可通過(guò)在換能器上并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)電感乙。來(lái)實(shí)現。 需要指出，換能器的相關(guān)參數皆在小信號狀態(tài)下測得，與高電壓下的實(shí)際應用有所差異，需要在實(shí)際工作中進(jìn)行實(shí)驗調節。 經(jīng)過(guò)調諧匹配，換能器在超聲功率源驅動(dòng)下達到諧振。圖7為用TDS1002示波器采集的換能器的激勵電壓波形(因量程所限，圖示為正半周)?？梢?jiàn)獲得了純凈的正弦波，其峰—峰值接近1000V。 3 系統軟件設計 軟件設計主要是對單片機進(jìn)行編程，實(shí)現LED顯示、鍵盤(pán)輸入、調節AD9850輸出頻率等控制。程序流程如圖8所示。根據需要還要對單片機進(jìn)行編程實(shí)現系統的智能控制，如掃描輸出、輸出定時(shí)等多種功能。