一种基于DDS技术的电磁超声激励电源

1万 · 2014-5-12 23:37

　引言

　　电磁超声是一种非接触式的超声检测方法，不需要与被测对象有任何的物理接触，不需要耦合剂，能够应用于被测对象处于高温、高速、粗糙表面的检测条件下。因为不接触的特点，所以用来激励电磁超声换能器的激励电源是极其重要的一部分，激励电源要产生高峰值电流、窄脉宽特点的电脉冲。对于不同的被测物体，采用合适的参数激发电磁超声，使电磁超声换能器的电／声转换效率最大化，也是提高信噪比的关键之一。因此，设计脉冲串频率、个数、相位均可调的激励电源是非常必要的。本文设计了一种基于DDS技术的电磁超声波激励电源。

　　1 电磁超声波激励源组成

　　电磁超声波激励电源主要包括DDS信号发生电路、脉冲串控制电路、功率放大电路、阻抗匹配电路，如图1所示。为了方便调节激发脉冲的频率、相位和控制激发脉冲的个数，上位机与单片机进行串行通讯，用来设定激励电源的参数，单片机控制DDS芯片AD9850产生频率为1 kHz～2 MHz的可调方波信号，单片机控制可编程逻辑器件(CPLD)MAX7064完成脉冲串的个数和相位的设定。由于信号发生电路产生的脉冲信号功率较弱，电压幅值低，不足于驱动VMOS管，在脉冲发生电路与功率放大电路之间加一级驱动电路，对信号进行放大。由信号发生器电路和驱动电路组成控制电路，控制 VMOS管的开通和关断。在VMOS管电路关断时，高压电源通过充电电阻对电容进行充电；当VMOS管导通时，电容、VMOS管以及探头(包括阻抗匹配电路)形成放电回路，使得在探头两端能够得到高峰值的窄脉宽电脉冲。

　　为了使电／声转换效率达到最大化，在功率放大电路与换能器之间增加了阻抗匹配电路，由阻抗匹配变压器和电容组成。功率放大电路采用半桥功率放大方式，其中，功率开关使用MOSFET模块。

1万 · 2014-5-12 23:37

　　2 激励源硬件实现

　　2．1 DDS原理及电路信号发生电路

　　为了得到最佳的电／声转换，激励频率应当与探头的谐振频率一致，因此要求控制信号的频率可以灵活改变。采用单片机和直接数字频率合成(DDS)技术来设计信号发生器电路。DDS技术是一种采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。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与N位全加器的输出相加。在相位累加器的输出被锁存后，即作为波形存储器的一个寻址地址，该地址对应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的输出信号频率由式(1)计算：

　　式中：Fout为输出频率；△phase为频率控制字；FCLK为参考频率。

　　DDS的频率分辨率定义为：

　　式中：△Fout为频率分辨率。

1万 · 2014-5-12 23:37

　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。以单片机STC89C516为控制核心，采用并行输入的方式实现对AD9850控制字的写入，通过上位机串行通讯控制方波的频率。AD9850的输入时钟采用50 MHz有源晶振，输出频率范围可从几赫兹到几兆赫兹，但是整个系统的输出频率范围由后级功率放大电路中一些时间常数决定，所以频率范围为1 kHz～2 MHz可调。将单片机的P1口连接到AD9850的并行输入口，P3．6和P3．7完成单片机对AD9850的输入／输出控制。AD9850控制字写完之后，便由IOUT输出相应频率的正弦波信号。为了使输出频率不受高频斜波的干扰，选用两级丌型LC低通滤波器，其动态范围带宽为0～40 MHz，将纯净的正弦波送AD9850的比较器端口，最终由QOUT输出方波。DDS信号发生电路图如图2所示。

1万 · 2014-5-12 23:37

　2．2 脉冲串控制电路

　　为了调节电磁超声的谐振点，要求控制信号的个数可以灵活改变，由于电磁超声换能器 (EMAT)采用了电磁铁，这就要求激励源的相位应与电磁铁的50 Hz工频相位相一致，并能在0～180°之间做出调整。采用单片机控制可编程逻辑器件(CPLD)，在CPLD内部完成对脉冲串个数和相位的控制。最终由上位机与单片机通讯产生频率、个数、相位均可调的脉冲串。将单片机的P0，P2口分别与CPLD连接作为地址和数据接口，P3．4，P3．5作为控制端口，当单片机将脉冲串的个数和相位写入CPLD后，便输出HO，LO两路互补单极性方波信号。

1万 · 2014-5-12 23:38

　2．3 功率放大电路和阻抗匹配电路设计

　　为了增大电磁超声波的强度，需将激励信号的功率进一步放大。根据电磁超声波的强度与电流的平方成正比，可利用功率放大电路实现信号电流的放大。

　　功率放大电路采用大功率管(MOSFET)组成半桥功率放大电路。MOSFET具有开关速度快，可承受高压，且高频特性好，输入阻抗高，驱动功率小，无二次击穿问题等特点。栅极驱动的要求是触发脉冲有足够快的上升和下降速度。要使功率MOSFET充分导通，触发脉冲的电压要高于功率MOSFET的开启电压。MOSFET管的类型很多，如STW15NB50，IRF840等。在该设计中选用STW15NB50，其最短开通时间为24 ns，关断时间为15 ns，漏源电压VDS可达到500 V，峰值脉冲电流58 A，能够满足设计要求。

　　图3为半桥功率放大电路，R1，R2为桥平衡电阻；C1，C2为桥臂电容；D1，D2为桥开关吸收电路元件。其工作原理如下：两个反相的方波激励信号分别接到两个开关管的基极，当HO为高电平，LO为低电平时，Q1导通，Q2关闭，电流通过Q1至变压器初级向电容C2充电，同时C1上的电荷向Q1和变压器初级放电，从而在输出变压器次级感应一个正半周期脉冲电压；当HO为低电平，LO为高电平时，Q2被触发导通，Q1关闭，电流通过电容C1和变压器初级充电，而C2的电荷也经由变压器初级放电，在变压器次级感应一个负半周期脉冲电压，从而形成一个工作频率周期的功率放大波形。由于功放管工作在伏安特性曲线的饱和区或截止区，集电极功耗降到最低限度，从而提高了放大器的能量转换效率，使之可达80％以上。

1万 · 2014-5-12 23:38

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　MAX4428，IRF系列的驱动芯片或由三极管组成的放大电路均可用于驱动MOSFET管。但是，MAX4428和其他一些集成驱动芯片的驱动频率一般只能达到200 kHz左右，而本设计采用三极管如图4连接，驱动电路频率可以达到2 MHz左右，输出无杂波且成本低，能够成功地驱动MOS管的开／断。

1万 · 2014-5-12 23:38

为了使输出的瞬时功率最大，需要对探头的阻抗进行匹配。在功率放大输出端加补偿阻抗，使整个电路的感抗和容抗相抵消，发射的功率最大，电能转换成声能的效率最高，匹配电路如图3虚线框中所示，半桥逆变输出经传输线变压器耦合后通过电容连接到换能器上。传输线变压器由双绞线和磁环组成，电路中脉冲串发射频率在1 MHz时激励源输出阻抗为50 Ω；由于被测工件也属于换能器的一部分，所以在对探头阻抗进行测量时，应将探头置于工件表面，若测得负载阻抗为500 Ω，则双绞线匝数应为10左右。

　　经过调谐匹配，换能器在电磁超声功率源驱动下达到谐振。图5为采集的换能器的激励电压波形。可见获得了频率为纯净的正弦波，在外接电压为100 V时，其峰一峰值接近100 V。