工程師分享：基于DDS的電磁超聲激勵的電源設計

引言

電磁超聲是一種非接觸式的超聲檢測方法，不需要與被測對象有任何的物理接觸，不需要耦合劑，能夠應用于被測對象處于高溫、高速、粗糙表面的檢測條件下。因為不接觸的特點，所以用來激勵電磁超聲換能器的激勵電源是極其重要的一部分，激勵電源要產生高峰值電流、窄脈寬特點的電脈沖。對于不同的被測物體，采用合適的參數激發電磁超聲，使電磁超聲換能器的電/聲轉換效率最大化，也是提高信噪比的關鍵之一。因此，設計脈沖串頻率、個數、相位均可調的激勵電源是非常必要的。本文設計了一種基于DDS技術的電磁超聲波激勵電源。

電磁超聲波激勵源組成

電磁超聲波激勵電源主要包括DDS信號發生電路、脈沖串控制電路、功率放大電路、阻抗匹配電路，如圖1所示。為了方便調節激發脈沖的頻率、相位和控制激發脈沖的個數，上位機與單片機進行串行通訊，用來設定激勵電源的參數，單片機控制DDS芯片AD9850產生頻率為1 kHz～2 MHz的可調方波信號，單片機控制可編程邏輯器件(CPLD)MAX7064完成脈沖串的個數和相位的設定。由于信號發生電路產生的脈沖信號功率較弱，電壓幅值低，不足于驅動VMOS管，在脈沖發生電路與功率放大電路之間加一級驅動電路，對信號進行放大。由信號發生器電路和驅動電路組成控制電路，控制 VMOS管的開通和關斷。在VMOS管電路關斷時，高壓電源通過充電電阻對電容進行充電;當VMOS管導通時，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/聲轉換效率達到最大化，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，功率開關使用MOSFET模塊。激勵源硬件實現

2.1 DDS原理及電路信號發生電路

為了得到最佳的電/聲轉換，激勵頻率應當與探頭的諧振頻率一致，因此要求控制信號的頻率可以靈活改變。采用單片機和直接數字頻率合成(DDS)技術來設計信號發生器電路。DDS技術是一種采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。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，即作為波形存儲器的一個尋址地址，該地址對應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的輸出信號頻率由式(1)計算：

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。以單片機STC89C516為控制核心，采用并行輸入的方式實現對AD9850控制字的寫入，通過上位機串行通訊控制方波的頻率。AD9850的輸入時鐘采用50 MHz有源晶振，輸出頻率范圍可從幾赫茲到幾兆赫茲，但是整個系統的輸出頻率范圍由后級功率放大電路中一些時間常數決定，所以頻率范圍為1 kHz～2 MHz可調。將單片機的P1口連接到AD9850的并行輸入口，P3.6和P3.7完成單片機對AD9850的輸入/輸出控制。AD9850控制字寫完之后，便由IOUT輸出相應頻率的正弦波信號。為了使輸出頻率不受高頻斜波的干擾，選用兩級丌型LC低通濾波器，其動態范圍帶寬為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信號發生電路圖如圖2所示。