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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(shù)字合成(Direct Digital Synthesis,DDS)技術(shù)的超聲波功率源的設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了DDS信號(hào)產(chǎn)生電路、單片機(jī)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(shè)計(jì),并給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案。功率超聲設(shè)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(dāng)大或比較大的功率。超聲波功率源(或稱發(fā)生器)向超聲換能器提供連續(xù)的電能量,其性能特點(diǎn)直接影響著各種功率超聲的研究工作。近年來(lái),我國(guó)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(yīng),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(wěn)定性、大功率、頻率大范圍可調(diào)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(yīng)用在實(shí)際的聲學(xué)研究中。
1 系統(tǒng)原理及特點(diǎn)
系統(tǒng)原理如圖1所示。用單片機(jī)AT89C51控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生頻率為1kHz~1MHz的波形信號(hào);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(qū)動(dòng)壓電換能器激發(fā)超聲波。
本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有:
(1)采用數(shù)字DDS技術(shù)產(chǎn)生波形信號(hào),分辨率高、穩(wěn)定性好、頻率范圍大,系統(tǒng)頻率不會(huì)隨工作時(shí)間出現(xiàn)漂移。
(2)功率放大器件采用大功率的MOSFET模塊,功率可達(dá)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(tǒng)通過(guò)單片機(jī)串行口接收反饋或者其它數(shù)據(jù)的輸入,利用編程實(shí)現(xiàn)智能控制。
2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
2.1 DDS原理及電路實(shí)現(xiàn)
2.1.1 008電路工作原理
DDS技術(shù)是一種用數(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);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(shù))來(lái)改變輸出頻率的。如圖2所示,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(chǔ)器的一個(gè)尋址地址,該地址對(duì)應(yīng)的波形存儲(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)頻率由下式計(jì)算:
Fout=(△phase×FCLK)/2N (1)
DDS的頻率分辨率定義為:
Fout=FCLK/2N (2)
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。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(shù)為32位[1]。 由式(2)可以計(jì)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(hào)發(fā)生電路
波形信號(hào)發(fā)生電路原理框圖如圖3所示。整個(gè)電路以單片機(jī)AT89C51為控制核心,用并行輸入的方式實(shí)現(xiàn)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(jù)式(2)可知系統(tǒng)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(tǒng)的輸出頻率范圍由后級(jí)功率放大電路中的一些時(shí)間常數(shù)決定。將單片機(jī)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(jī)對(duì)AD9850的輸入輸出。AD9850控制字寫(xiě)完之后,便輸出相應(yīng)頻率的方波信號(hào)QOUT。圖4為單片機(jī)與AD9850的電路連接圖。
2.2 半橋功放電路及其驅(qū)動(dòng)
AD9850產(chǎn)生的信號(hào)電流小,驅(qū)動(dòng)能力弱,需經(jīng)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR21844驅(qū)動(dòng)后才能控制MOSFET模塊。由于系統(tǒng)輸出功率大,為提高驅(qū)動(dòng)能力,并聯(lián)使用四片
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