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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，我國關(guān)于功率超聲的研究十分熱門，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；功率放大采用半橋放大方式，其中，功率開關(guān)使用MOSFET模塊；通過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，分辨率高、穩(wěn)定性好、頻率范圍大，系統(tǒng)頻率不會隨工作時(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)生多種信號的優(yōu)點(diǎn)。基于DDS的波形發(fā)生器是通過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，它就作為波形存儲器的一個(gè)尋址地址，該地址對應(yīng)的波形存儲器中的內(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)鐘到來時(shí)，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(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信號發(fā)生電路
波形信號發(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控制字的寫入，同時(shí)實(shí)時(shí)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(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AD9850的輸入輸出。AD9850控制字寫完之后，便輸出相應(yīng)頻率的方波信號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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