工程師分享：基于DDS的電磁超聲激勵(lì)的電源設(shè)計(jì)

引言

電磁超聲是一種非接觸式的超聲檢測(cè)方法，不需要與被測(cè)對(duì)象有任何的物理接觸，不需要耦合劑，能夠應(yīng)用于被測(cè)對(duì)象處于高溫、高速、粗糙表面的檢測(cè)條件下。因?yàn)椴唤佑|的特點(diǎn)，所以用來(lái)激勵(lì)電磁超聲換能器的激勵(lì)電源是極其重要的一部分，激勵(lì)電源要產(chǎn)生高峰值電流、窄脈寬特點(diǎn)的電脈沖。對(duì)于不同的被測(cè)物體，采用合適的參數(shù)激發(fā)電磁超聲，使電磁超聲換能器的電/聲轉(zhuǎn)換效率最大化，也是提高信噪比的關(guān)鍵之一。因此，設(shè)計(jì)脈沖串頻率、個(gè)數(shù)、相位均可調(diào)的激勵(lì)電源是非常必要的。本文設(shè)計(jì)了一種基于DDS技術(shù)的電磁超聲波激勵(lì)電源。

電磁超聲波激勵(lì)源組成

電磁超聲波激勵(lì)電源主要包括DDS信號(hào)發(fā)生電路、脈沖串控制電路、功率放大電路、阻抗匹配電路，如圖1所示。為了方便調(diào)節(jié)激發(fā)脈沖的頻率、相位和控制激發(fā)脈沖的個(gè)數(shù)，上位機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行串行通訊，用來(lái)設(shè)定激勵(lì)電源的參數(shù)，單片機(jī)控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生頻率為1 kHz～2 MHz的可調(diào)方波信號(hào)，單片機(jī)控制可編程邏輯器件(CPLD)MAX7064完成脈沖串的個(gè)數(shù)和相位的設(shè)定。由于信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)功率較弱，電壓幅值低，不足于驅(qū)動(dòng)VMOS管，在脈沖發(fā)生電路與功率放大電路之間加一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。由信號(hào)發(fā)生器電路和驅(qū)動(dòng)電路組成控制電路，控制 VMOS管的開(kāi)通和關(guān)斷。在VMOS管電路關(guān)斷時(shí)，高壓電源通過(guò)充電電阻對(duì)電容進(jìn)行充電;當(dāng)VMOS管導(dǎo)通時(shí)，電容、VMOS管以及探頭(包括阻抗匹配電路)形成放電回路，使得在探頭兩端能夠得到高峰值的窄脈寬電脈沖。

為了使電/聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大化，在功率放大電路與換能器之間增加了阻抗匹配電路，由阻抗匹配變壓器和電容組成。功率放大電路采用半橋功率放大方式，其中，功率開(kāi)關(guān)使用MOSFET模塊。激勵(lì)源硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 DDS原理及電路信號(hào)發(fā)生電路

為了得到最佳的電/聲轉(zhuǎn)換，激勵(lì)頻率應(yīng)當(dāng)與探頭的諧振頻率一致，因此要求控制信號(hào)的頻率可以靈活改變。采用單片機(jī)和直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器電路。DDS技術(shù)是一種采用數(shù)字控制信號(hào)的相位增量技術(shù)，具有頻率分辨率高，穩(wěn)定性好，可靈活產(chǎn)生多種信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。基于DDS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(shù))來(lái)改變輸出頻率的。每當(dāng)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與N位全加器的輸出相加。在相位累加器的輸出被鎖存后，即作為波形存儲(chǔ)器的一個(gè)尋址地址，該地址對(duì)應(yīng)波形存儲(chǔ)器中的內(nèi)容就是一個(gè)波形合成點(diǎn)的幅度值，然后經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換變成模擬值輸出。當(dāng)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(chǔ)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(gòu)成了整個(gè)波形。DDS的輸出信號(hào)頻率由式(1)計(jì)算：

式中：Fout為輸出頻率;△phase為頻率控制字;FCLK為參考頻率。

DDS的頻率分辨率定義為：

式中：△Fout為頻率分辨率。

由于基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率一般固定，因此相位累加器的位數(shù)決定了頻率分辨率，位數(shù)越多，分頻率越高。以單片機(jī)STC89C516為控制核心，采用并行輸入的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9850控制字的寫入，通過(guò)上位機(jī)串行通訊控制方波的頻率。AD9850的輸入時(shí)鐘采用50 MHz有源晶振，輸出頻率范圍可從幾赫茲到幾兆赫茲，但是整個(gè)系統(tǒng)的輸出頻率范圍由后級(jí)功率放大電路中一些時(shí)間常數(shù)決定，所以頻率范圍為1 kHz～2 MHz可調(diào)。將單片機(jī)的P1口連接到AD9850的并行輸入口，P3.6和P3.7完成單片機(jī)對(duì)AD9850的輸入/輸出控制。AD9850控制字寫完之后，便由IOUT輸出相應(yīng)頻率的正弦波信號(hào)。為了使輸出頻率不受高頻斜波的干擾，選用兩級(jí)丌型LC低通濾波器，其動(dòng)態(tài)范圍帶寬為0～40 MHz，將純凈的正弦波送AD9850的比較器端口，最終由QOUT輸出方波。DDS信號(hào)發(fā)生電路圖如圖2所示。