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基于DDS技术的智能超声波功率源的研制

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:介绍了一种基于直接数字合成(Direct Digital Synthesis,DDS)技术的超声波功率源的设计。详细介绍了DDS信号产生电路、单片机控制电路、功率放大电路以及超声波功率源与换能器的匹配设计,并给出了系统软件设计方案。

    关键词:直接数字合成 功率超声 功率放大 阻抗匹配

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。
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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;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。
基于DDS技术的智能超声波功率源的研制
    (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)系统通过单片机串行口接收反馈或者其它数据的输入,利用编程实现智能控制。
基于DDS技术的智能超声波功率源的研制
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×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4

    2.1.2 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。

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