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基于DDS技術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)技術的超聲波功率源的設計。詳細介紹了DDS信號產生電路、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，需要產生相當大或比較大的功率。超聲波功率源(或稱發生器)向超聲換能器提供連續的電能量，其性能特點直接影響著各種功率超聲的研究工作。近年來，我國關于功率超聲的研究十分熱門，尤其是超聲化學和超聲的生物效應，更是聲學研究的熱點。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，為此，研制了一種基于DDS技術的超聲波功率源，并已將其應用在實際的聲學研究中。
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1 系統原理及特點
系統原理如圖1所示。用單片機AT89C51控制DDS芯片AD9850產生頻率為1kHz～1MHz的波形信號；功率放大采用半橋放大方式，其中，功率開關使用MOSFET模塊；通過輸出變壓器和電感組成的匹配網絡驅動壓電換能器激發超聲波。
本系統的主要特點有：
(1)采用數字DDS技術產生波形信號，分辨率高、穩定性好、頻率范圍大，系統頻率不會隨工作時間出現漂移。
(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，通過串聯諧振提高換能器兩端電壓，提高了電能的利用率。
(4)系統通過單片機串行口接收反饋或者其它數據的輸入，利用編程實現智能控制。
2 系統硬件實現
2．1 DDS原理及電路實現
2．1．1 008電路工作原理
DDS技術是一種用數字控制信號的相位增量技術，具有頻率分辨率高、穩定性好、可靈活產生多種信號的優點。基于DDS的波形發生器是通過改變相位增量寄存器的值△phase(每個時鐘周期的度數)來改變輸出頻率的。如圖2所示，每當N位全加器的輸出鎖存器接收到一個時鐘脈沖時，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尋址地址，該地址對應的波形存儲器中的內容就是一個波形合成點的幅度值，然后經D/A轉換變成模擬值輸出。當下一個時鐘到來時，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幅值點上。最終，相位累加器檢索到足夠的點就構成了整個波形。
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時鐘輸入時分辨率為0．0219Hz。
圖4
2．1．2 DDS信號發生電路
波形信號發生電路原理框圖如圖3所示。整個電路以單片機AT89C51為控制核心，用并行輸入的方式實現AD9850控制字的寫入，同時實時處理鍵盤輸入的各種命令，并控制顯示輸出。
圖5
AD9850的輸入時鐘采用80MHz的晶振，根據式(2)可知系統的分辨率為0．018
6Hz，頻率范圍可以從幾Hz到幾十MHz，但是整個系統的輸出頻率范圍由后級功率放大電路中的一些時間常數決定。將單片機的I／O口P1連接到AD9850的并行輸入口，P3．4和P3．5聯合控制單片機對AD9850的輸入輸出。AD9850控制字寫完之后，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
AD9850產生的信號電流小，驅動能力弱，需經MOSFET柵極驅動芯片IR21844驅動后才能控制MOSFET模塊。由于系統輸出功率大，為提高驅動能力，并聯使用四片IR21844。圖5(a)為電路原理圖。AD9850產生的信號QOUT經過一個三級管放大后輸入IR21844，IR21844輸出HO和LO兩路反向信號，如圖5(b)所示。Td為死區時間，防止半橋電路出現直通，通過電阻R7可以調節Td的大小，即調節開關管的開通關斷時間，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為橋開關吸收電路元件。其工作原理如下：兩個反相的方波激勵信號分別接到兩個開關管的基極，當HO為高電平，LO為低電平時，即t1時刻，J1導通，J2關閉，電流通過J1至變壓器初級向電容C2充電，同時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正半周期脈沖電壓；當到達t2時刻時，J2被觸發導通，J1關閉，電流通過電容C1和變壓器初級充電，而C2的電荷也經由變壓器初級放電，在變壓器次級感應一個負半周期脈沖電壓，從而形成一個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］。
功率開關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、低驅動電流等特點，耐壓值為500V，最大工作電流為100A(每一模塊封裝了兩個獨立的小模塊，每一小模塊的最大工作電流為50A［3］。開關頻率可達到500kHz。吸收電路采用RCD吸收電路，具有吸收效果好、電路相對簡單等特點。
2．3 匹配網絡設計
在功率超聲設備中，發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。超聲波發生器與換能器的匹配包括兩個方面：阻抗匹配和調諧匹配。匹配電路如圖6虛線框中所示，半橋逆變輸出經變壓器耦合后通過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電壓開關型D類功率放大器原理相同，晶體管都工作在開關狀態，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開關電源給半橋電路供電。根據實驗需要，希望功率源輸出功率為1500W，換能器采用多個并聯的方式，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，同時串聯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，在換能器諧振狀態時，換能器上的電壓VRL與電流IRL間存在著一相位角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，可通過在換能器上并聯或串聯一個電感乙。來實現。
需要指出，換能器的相關參數皆在小信號狀態下測得，與高電壓下的實際應用有所差異，需要在實際工作中進行實驗調節。
>經過調諧匹配，換能器在超聲功率源驅動下達到諧振。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)。可見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行編程，實現LED顯示、鍵盤輸入、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行編程實現系統的智能控制，如掃描輸出、輸出定時等多種功能。
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