基于FPGA的智能超聲波功率源的設(shè)計(jì)

1、 收稿日期 :2005-04-18 修訂日期 :2005-05-28作者簡(jiǎn)介 :李鋒 , (1982- , 男 , 安徽巢湖人 , 碩士研究生 , 研究方向 :電氣控制 , 嵌入式系統(tǒng)?；?FPG A 的智能超聲波功率源的設(shè)計(jì)李 鋒 , 顏鋼鋒(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院 , 浙江 杭州 310027摘 要 :介紹了一種基于直接數(shù)字合成 (D irect D 設(shè)計(jì) 。 詳細(xì)介紹了基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列 (FPG A 的 超聲波功率源與換能器的匹配設(shè)計(jì) , , 。關(guān)鍵詞 :直接數(shù)字合成 ; ; :T :A 文章編號(hào) :1001-4551(2005 07-0030-03D esi gn of I

2、n telli gen t Ultra son i c Power Source Ba sed on FPGAL I Feng, Y AN Gang 2feng(College of E lectrical Engineering, Zhejiang U niversity, Hangzhou 310027, China Abstract:This paper intr oduces the design of U ltras onic power s ource based on the technol ogic of DDS . which detailed describes the D

3、DS signal p r oduce circuit based on the FPG A, power a mp lified cuicuit as well as the matching circuit design bet w een the power s ource and the power exchange, compared with the typ ical DDS syste m, The power of this syste m is suit 2able for the app licati on of industry .Key words:DDS; FPG A

4、; U ltras onic 近年來(lái) , 隨著超聲波在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用 , 如超聲波探傷 、 超聲波清洗等 , 要求性能更高的超聲波功 率源 。 基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列 (FPG A 的 DDS 技術(shù)開(kāi)發(fā)的超聲波功率源 , 已應(yīng)用于實(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 。 用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣 列 (FPG A 芯片 , 通過(guò)直接數(shù)字頻率合成 (DDS 技 術(shù)產(chǎn)生頻率為 1100kHz 的波形信號(hào) 。 功率放大采 用功放模塊 ; 功率放大模塊的輸出 , 通過(guò)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 。系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有 1:(1 用數(shù)字 DDS

5、技術(shù)產(chǎn)生波形信號(hào) , 分辨率高 、 穩(wěn)定性好 、 頻率范圍大 , 系統(tǒng)頻率不會(huì)隨工作時(shí)間出 現(xiàn)漂移 。(2 功率放大模塊 , 系統(tǒng)性能穩(wěn)定 , 功率可達(dá) 500W 左右 。(3 系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)串行口輸入控制數(shù)據(jù)或接收反饋 , 操作靈活方便 。圖 1 系統(tǒng)原理框圖2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)2. 1DDS 原理及電路實(shí)現(xiàn)2DDS 技術(shù)是一種用數(shù)字控制信號(hào)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(hào)的優(yōu)點(diǎn) 。基于 DDS 的波形發(fā)生器是通過(guò)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(lái)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)

6、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 03 Mechanical &Electrical Engineering Magazine Vol . 22 No . 7 2005 機(jī)電工程 2005年 第 22卷 第 7期 作為波形存儲(chǔ)器的一個(gè)尋址地址 , 該地址對(duì)應(yīng)的波 形存儲(chǔ)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(lái)時(shí) , 相位累加器的輸出又加一次頻率控制字 , 使 波形存儲(chǔ)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

7、足夠的點(diǎn)就構(gòu)成了整 個(gè)波形 。圖 2 DDS 系統(tǒng)框圖DDS 的輸出信號(hào)頻率由式 (1 計(jì)算 :f out =(phase ×FCLK /2N(1 DDS 的頻率分辨率定義為 :f out =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 。2. 2 DD S 的 FPGA 實(shí)現(xiàn) 3, 42. 2. 1 相位字寄存器它是一個(gè) 24位的并行輸入并行輸出寄存器 , 用 來(lái)存放 24位的相位值 , 即頻率控制字 , 系統(tǒng)工作可 以通過(guò)上位機(jī)的串口輸入頻率控制字 。 2. 2. 2 相位累加器相位累加器用于對(duì)代表

8、頻率的相位字進(jìn)行累加 運(yùn)算 , 相位字的值決定了輸出信號(hào)的頻率 。如圖 3所示 , 系統(tǒng)中的累加器采用的是 24位的結(jié)構(gòu) , 如果 直接采用很寬位數(shù)的加法器構(gòu)成累加器 , 則加法器 的延時(shí)會(huì)大大的限制累加器的操作速度 , 所以采用 的是 3個(gè) 8位的累加器級(jí)連的結(jié)構(gòu) , 每一級(jí)采用一 個(gè)小的累加器實(shí)現(xiàn)部分位的累加 , 然后再將進(jìn)位值 傳給下一級(jí)做進(jìn)一步的累加 , 從而提高了系統(tǒng)的運(yùn) 算速度 。2. 2. 3 查找表的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)將累加器的高 8位作為查表表的地址 , 其 中高兩位用來(lái)確定象限 。3ROM 來(lái)實(shí)現(xiàn)的 , 為了 , 考慮到正弦波的對(duì)稱(chēng)性 , 實(shí)際上只需要存儲(chǔ)正弦值在第一象限的值 , 如

9、圖 4所示 。查找表的 邏輯流程如圖 5所示 。MS B MS B 21所在象限正弦輸出信號(hào)00+01 +10 -11-圖 4 輸出象限的確定圖 5 查找表流程圖2. 3 DA 轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中 , 考慮到系統(tǒng)在高頻時(shí)要求 DA 的轉(zhuǎn)換速度較快 , 所以選用了 DA 公司的 AD9750, 它是 10位的 DA 芯片 , 具有 125MSPS 的轉(zhuǎn)換速度 , 其典型接 法如圖 6所示 。2. 4 濾波放大及阻抗匹配的實(shí)現(xiàn)考慮到系統(tǒng)中的超聲波的頻率范圍大概處于 1100kHz 之間 , 所以前向?yàn)V波采用的是 Sallen 2Key Low 2Pass Filter 濾波器 , 其電路結(jié)構(gòu)如圖

10、 7所示 。 為了使系統(tǒng)能高效穩(wěn)定的工作 , 選用集成功率 放大模塊 D 2500W 。13 機(jī)電工程 2005年 第 22卷 第 7期 Mechanical &Electrical EngineeringMagazine Vol . 22 No . 7 2005 圖 6 DA 的典型電路圖 7 濾波電路在超聲波功率源的設(shè)計(jì)中 , 發(fā)生器與換能器的匹配設(shè)計(jì)非常重要 , 在很大程度上決定了超聲設(shè)備 能否正常 、 高效地工作 。超聲波發(fā)生器與換能器的 匹配包括兩個(gè)方面 :阻抗匹配和調(diào)諧匹配 。阻抗匹 配使換能器的阻抗變換為最佳負(fù)載 , 即起阻抗變換 作用 。 調(diào)諧匹配使換能器兩端的電壓和電

11、流同相 , 從而使效率最高 , 同時(shí)串聯(lián)諧振可以提高換能器兩 端電壓 , 有利于對(duì)壓電換能器激勵(lì) 。如圖 8所示 , 采用高頻變壓器系統(tǒng)中的阻抗匹 配 , 實(shí)現(xiàn)功放的輸出經(jīng)過(guò)高頻變壓器的耦合以后加 在超聲波換能器上 , 取得了較好的匹配效果 。圖 8 阻抗匹配框圖3 試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)中采用的超聲波換能器的參數(shù)如下 :諧振頻率 f 為 49. 05kHz, 等效阻抗 R 為 73. 9靜電容 C 04. 94nF, FPG A 產(chǎn)生的正弦波的頻率設(shè)定 位 49. 5kHz, 測(cè)得的功放的輸出電壓和換能器兩端 的輸入電壓的波形如圖 9 。圖 9 功放輸出波形圖 10 換能器輸入波形可見(jiàn) , 系統(tǒng)在高頻下的波形較為穩(wěn)定 , 且可在較高的功率下連續(xù)工作 , 獲得了較為完好的波形 。參考文獻(xiàn) :1 姜 萍 . FPG A 實(shí)現(xiàn)的直接數(shù)字頻率合成器 J .電子工程師 , 2002, 28(5 :43-47.2 劉 晨 . 直接數(shù)字頻率合成器的設(shè)計(jì)及 FPG A 實(shí)現(xiàn)J .微電子學(xué)與計(jì)算機(jī) , 2004, 21(5 :63-65. 3 劉成堯 . 基于 CP LD 集成芯片 F LEX6016實(shí)現(xiàn) DDS 技術(shù)的任意波形發(fā)生器的研制 J