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1、DDS 的智能超声波电源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
2、；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
3、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
4、 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 4212 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 5AD9850的输入时钟采用8
5、0MHz 的晶振， 根据式 (2)可知系统的分辨率为00186Hz ，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IO 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22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
6、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
7、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
8、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 31 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
9、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 5 ，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
10、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 ，其输出功率 P0=VRLIRLcos 。由于 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。
