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基于DDS技术的智能超声波功率源的研制

2013-08-21 01:08 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。

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。

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。

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(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。

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。