一种基于DDS技术的电磁超声激励电源计设要点

1、一种基于DDSK术的电磁超声鼓励电源 计设一种基于DDSJ术的电磁超声鼓励电源计设 类别：电源技术引 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、粗糙外表的检测条件下。因为不接触的特点，所以用来鼓励电磁超声换能器的鼓励电源是极其重要的一局部，鼓励电源要产生顶峰值电流、窄脉宽特点的电脉冲。对于不同的被测物体，采用适宜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、相位均可调的鼓励电源是非常必要的。本文设计了一种基于DD眼术的电磁超声波?就励电源。1电磁超

2、声波鼓励源组成电磁超声波鼓励电源主要包括DDS言号发生电路、脉冲用控制电路、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，用来设定鼓励电源的参数，单片机控制DDS5片AD9850产生频率为1 kHz2 MHz的可调方波信号，单片 机控制可编程逻辑器件CPLDMAX706先成脉冲用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，缺乏于驱动VMOSs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VMOSt的开通和关断。在VMO篱 电路关

3、断时，高压电源通过充电电阻对电容进行充电；当VMOSMJ通时，电容、VMO篱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 得到顶峰值的窄脉宽电脉冲。为了使电声转换效率到达最大化，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块。2鼓励源硬件实现2. 1 DDS原理及电路信号发生电路为了得到最正确的电声转换，鼓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。DDSK术是一种采用数字控制信号的相位增量技术，具有频率

4、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 变相位增量存放器的值 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，锁存在相位增量存放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DA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勺输出信号频率由式1计算： 式中：F

5、out为输出频率；phase为频率控制字；FCL劭参考频率。DDS勺频率分辨率定义为：式中：Fout为频率分辨率。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，通过上位机申 行通讯控制方波的频率。AD9850勺输入时钟采用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 kHz2 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A

6、D9850的输入 /输出控制。AD9850空制字写完之后，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JT型LC低通滤波器，其动态范围带宽为040 MHz,将纯洁的正弦波送AD9850勺比拟器端口，最终由QOU输出方波。DDS1号发生电路图如图2所示。2. 2脉冲用控制电路 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，这就要求鼓励源的相位应与电磁铁的50 Hz工频相位相一致，并能在0180。之间做出调整。采用单片机控制可编程逻辑器 件(CPLD),在CPLDft部完成对脉冲用个数和相位的控制。最终由

7、上位机与单片 机通讯产生频率、个数、相位均可调的脉冲用。将单片机的P0, P2口分别与CPLES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 用的个数和相位写入CPLDt,便输出HQ LO两路互补单极性方波信号。23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，需将鼓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(MQSFET&成半桥功率放大电路。MQSFET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

8、冲有足够快的上升和下降速度。要使功率MQSFE充分导通，触发脉冲的电压要高于功率MQSFET开启电压。MQSFET的类型很多，如STW15NB50IRF840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VDSmi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 相的方波鼓励信号分别接到两个开关管的基极，当HQ为高电平，LQ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

9、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HQ为低电平，LQ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。MAX442，8 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MQSFET。但是，MAX442刎其他一些集成驱动芯片的驱动频率一般只能到达200 kHz左右，而本设计采用三极管如图4连接，

10、驱动电路频率可以到达2 MHz左右，输出无杂 波且本钱低，能够成功地驱动MQSt的开/断。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1MHZ寸鼓励源输出阻抗为50 Q;由于被测工件也属于换能器的一局部，所以在 对探头阻抗进行测量时，应将探头置于工件外表，假设测得负载阻抗为500 Q,那么双绞线匝数应为10左右。经过调谐匹配，换能器在电磁超声功率源驱动下到达谐振。图5为采集的换能器的鼓励电压波形。可见获得了频率为纯洁的正弦波，在外接电压为100 V时，其峰一峰值接近100 V。3鼓励源软件设计软件设计主要是对单片