基于DDS技术的智能超声波功率源的研制
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摘要：介绍了一种基于直接数字合成(Direct Digital Synthesis，dds)技术的超声波功率源的设计。详细介绍了DDS信号产生电路、单片机控制电路、功率放大电路以及超声波功率源与换能器的匹配设计，并给出了系统软件设计方案。 关键词：直接数字合成 功率超声 功率放大 阻抗匹配
功率超声设备利用超声波的能量改变材料的某些状态，需要产生相当大或比较大的功率。超声波功率源(或称发生器)向超声换能器提供连续的电能量，其性能特点直接影响着各种功率超声的研究工作。近年来，我国关于功率超声的研究十分热门，尤其是超声化学和超声的生物效应，更是声学研究的热点。上述研究需要超声波具有高分辨率、高稳定性、大功率、频率大范围可调等特点，为此，研制了一种基于DDS技术的超声波功率源，并已将其应用在实际的声学研究中。
1 系统原理及特点
系统原理如图1所示。用单片机AT89C51控制DDS芯片AD9850产生频率为1kHz～1MHz的波形信号；功率放大采用半桥放大方式，其中，功率开关使用MOSFET模块；通过输出变压器和电感组成的匹配网络驱动压电换能器激发超声波。
本系统的主要特点有：
(1)采用数字DDS技术产生波形信号，分辨率高、稳定性好、频率范围大，系统频率不会随工作时间出现漂移。
(2)功率放大器件采用大功率的MOSFET模块，功率可达2000W以上。
(3)采用变压器输出，通过串联谐振提高换能器两端电压，提高了电能的利用率。
(4)系统通过单片机串行口接收反馈或者其它数据的输入，利用编程实现智能控制。
2 系统硬件实现
2．1 DDS原理及电路实现
2．1．1 008电路工作原理
DDS技术是一种用数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率高、稳定性好、可灵活产生多种信号的优点。基于DDS的波形发生器是通过改变相位增量寄存器的值phase(每个时钟周期的度数)来改变输出频率的。如图2所示，每当N位全加器的输出锁存器接收到一个时钟脉冲时，锁存在相位增量寄存器中的频率控制字就和N位全加器的输出相加。在相位累加器的输出被锁存后，它就作为波形存储器的一个寻址地址，该地址对应的波形存储器中的内容就是一个波形合成点的幅度值，然后经D/A转换变成模拟值输出。当下一个时钟到来时，相位累加器的输出又加一次频率控制字，使波形存储器的地址处于所合成波形的下一个幅值点上。最终，相位累加器检索到足够的点就构成了整个波形。
DDS的输出信号频率由下式计算：
Fout=(phase×FCLK)/2N (1)
DDS的频率分辨率定义为：
Fout=FCLK/2N (2)
由于基准时钟的频率一般固定，因此相位累加器的位数决定了频率分辨率，位数越多，分频率越高。本文采用的DDS芯片AD9850支持的时钟输入最高为125MHz，频率控制字的位数为32位［1］。 由式(2)可以计算出在125MHz时钟输入时分辨率为0．0219Hz。
图4
2．1．2 DDS信号发生电路
波形信号发生电路原理框图如图3所示。整个电路以单片机AT89C51为控制核心，用并行输入的方式实现AD9850控制字的写入，同时实时处理键盘输入的各种命令，并控制显示输出。
图5
AD9850的输入时钟采用80MHz的晶振，根据式(2)可知系统的分辨率为0．0186Hz，频率范围可以从几Hz到几十MHz，但是整个系统的输出频率范围由后级功率放大电路中的一些时间常数决定。将单片机的I／O口P1连接到AD9850的并行输入口，P3．4和P3．5联合控制单片机对AD9850的输入输出。AD9850控制字写完之后，便输出相应频率的方波信号QOUT。图4为单片机与AD9850的电路连接图。
2．2 半桥功放电路及其驱动
AD9850产生的信号电流小，驱动能力弱，需经MOSFET栅极驱动芯片IR21844驱动后才能控制MOSFET模块。由于系统输出功率大，为提高驱动能力，并联使用四片IR21844。图5(a)为电路原理图。AD9850产生的信号QOUT经过一个三级管放大后输入IR21844，IR21844输出HO和LO两路反向信号，如图5(b)所示。Td为死区时间，防止半桥电路出现直通，通过电阻R7可以调节Td的大小，即调节开关管的开通关断时间，从而调节系统的输出功率。
图6所示为系统的半桥功率放大电路，R1、R2为桥平衡电阻；C1、C2为桥臂电容；R3、R4、C3、C4、D1、D2为桥开关吸收电路元件。其工作原理如下：两个反相的方波激励信号分别接到两个开关管的基极，当HO为高电平，LO为低电平时，即t1时刻，J1导通，J2关闭，电流通过J1至变压器初级向电容C2充电，同时C1上的电荷向J1和变压器初级放电，从而在输出变压器次级感应一个正半周期脉冲电压；当到达t2时刻时，J2被触发导通，J1关闭，电流通过电容C1和变压器初级充电，而C2的电荷也经由变压器初级放电，在变压器次级感应一个负半周期脉冲电压，从而形成一个工作频率周期的功率放大波形。由于功放管工作在伏安特性曲线的饱和区或截止区，集电极功耗降到最低限度，从而提高了放大器的能量转换效率，使之可达90％以上［2］。
功率开关器件选用日立公司的N通道功率MOSFET模块PM50502C，其具有高功率、高转换速度、低导通阻抗、低驱动电流等特点，耐压值为500V，最大工作电流为100A(每一模块封装了两个独立的小模块，每一小模块的最大工作电流为50A［3］。开关频率可达到500kHz。吸收电路采用RCD吸收电路，具有吸收效果好、电路相对简单等特点。
2．3 匹配网络设计
在功率超声设备中，发生器与换能器的匹配设计非常重要，在很大程度上决定了超声设备能否正常、高效地工作。超声波发生器与换能器的匹配包括两个方面：阻抗匹配和调谐匹配。匹配电路如图6虚线框中所示，半桥逆变输出经变压器耦合后通过电感连接到换能器上，匹配设计即为输出变压器和匹配电感的设计。
2．3．1 阻抗匹配
阻抗匹配使换能器的阻抗变换为最佳负载，即起阻抗变换作用。在电源电压给定的条件下，电源输出的功率大小主要取决于等效负载阻抗。本文的半桥功率放大器与串联电压开关型D类功率放大器原理相同，晶体管都工作在开关状态，一般变压器初级等效负载RL′，上的输出功率表达式为：
式中，Vcc为电源电压，Vces，为功放管饱和压降。
本文采用48V开关电源给半桥电路供电。根据实验需要，希望功率源输出功率为1500W，换能器采用多个并联的方式，等效阻抗RL约0．5Ω，由公式n／m=RL/RL′(m、n分别为变压器初、次级匝数)可以计算出输出变压器的匝数比n／m=3。
2．3．2 调谐匹配
调谐匹配使换能器两端的电压和电流同相，从而使效率最高，同时串联谐振可以提高换能器两端电压，有利于对压电换能器激励。由于压电换能器存在静电电容C0，在换能器谐振状态时，换能器上的电压VRL与电流IRL间存在着一相位角ψ，其输出功率P0=VRLIRLcosψ。由于ψ的存在，输出功率达不到最大值，要使电压VRL与电流IRL同相，可通过在换能器上并联或串联一个电感乙。来实现。
需要指出，换能器的相关参数皆在小信号状态下测得，与高电压下的实际应用有所差异，需要在实际工作中进行实验调节。
经过调谐匹配，换能器在超声功率源驱动下达到谐振。图7为用TDS1002示波器采集的换能器的激励电压波形(因量程所限，图示为正半周)。可见获得了纯净的正弦波，其峰—峰值接近1000V。
3 系统软件设计
软件设计主要是对单片机进行编程，实现LED显示、键盘输入、调节AD9850输出频率等控制。程序流程如图8所示。根据需要还要对单片机进行编程实现系统的智能控制，如扫描输出、输出定时等多种功能。