一種基于DDS技術(shù)的電磁超聲激勵(lì)電源

　　引 言

　　電磁超聲是一種非接觸式的超聲檢測(cè)方法，不需要與被測(cè)對(duì)象有任何的物理接觸，不需要耦合劑，能夠應(yīng)用于被測(cè)對(duì)象處于高溫、高速、粗糙表面的檢測(cè)條件下。因?yàn)椴唤佑|的特點(diǎn)，所以用來(lái)激勵(lì)電磁超聲換能器的激勵(lì)電源是極其重要的一部分，激勵(lì)電源要產(chǎn)生高峰值電流、窄脈寬特點(diǎn)的電脈沖。對(duì)于不同的被測(cè)物體，采用合適的參數(shù)激發(fā)電磁超聲，使電磁超聲換能器的電／聲轉(zhuǎn)換效率最大化，也是提高信噪比的關(guān)鍵之一。因此，設(shè)計(jì)脈沖串頻率、個(gè)數(shù)、相位均可調(diào)的激勵(lì)電源是非常必要的。本文設(shè)計(jì)了一種基于DDS技術(shù)的電磁超聲波激勵(lì)電源。

　　1 電磁超聲波激勵(lì)源組成

　　電磁超聲波激勵(lì)電源主要包括DDS信號(hào)發(fā)生電路、脈沖串控制電路、功率放大電路、阻抗匹配電路，如圖1所示。為了方便調(diào)節(jié)激發(fā)脈沖的頻率、相位和控制激發(fā)脈沖的個(gè)數(shù)，上位機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行串行通訊，用來(lái)設(shè)定激勵(lì)電源的參數(shù)，單片機(jī)控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生頻率為1 kHz～2 MHz的可調(diào)方波信號(hào)，單片機(jī)控制可編程邏輯器件(CPLD)MAX7064完成脈沖串的個(gè)數(shù)和相位的設(shè)定。由于信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)功率較弱，電壓幅值低，不足于驅(qū)動(dòng)VMOS管，在脈沖發(fā)生電路與功率放大電路之間加一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。由信號(hào)發(fā)生器電路和驅(qū)動(dòng)電路組成控制電路，控制 VMOS管的開(kāi)通和關(guān)斷。在VMOS管電路關(guān)斷時(shí)，高壓電源通過(guò)充電電阻對(duì)電容進(jìn)行充電；當(dāng)VMOS管導(dǎo)通時(shí)，電容、VMOS管以及探頭(包括阻抗匹配電路)形成放電回路，使得在探頭兩端能夠得到高峰值的窄脈寬電脈沖。

　　為了使電／聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大化，在功率放大電路與換能器之間增加了阻抗匹配電路，由阻抗匹配變壓器和電容組成。功率放大電路采用半橋功率放大方式，其中，功率開(kāi)關(guān)使用MOSFET模塊。

　　2 激勵(lì)源硬件實(shí)現(xiàn)

　　2．1 DDS原理及電路信號(hào)發(fā)生電路

　　為了得到最佳的電／聲轉(zhuǎn)換，激勵(lì)頻率應(yīng)當(dāng)與探頭的諧振頻率一致，因此要求控制信號(hào)的頻率可以靈活改變。采用單片機(jī)和直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器電路。DDS技術(shù)是一種采用數(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)?；贒DS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。每當(dāng)N位全加器的輸出鎖存器接收到一個(gè)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與N位全加器的輸出相加。在相位累加器的輸出被鎖存后，即作為波形存儲(chǔ)器的一個(gè)尋址地址，該地址對(duì)應(yīng)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，相位累加器檢索到足夠的點(diǎn)就構(gòu)成了整個(gè)波形。DDS的輸出信號(hào)頻率由式(1)計(jì)算：

　　式中：Fout為輸出頻率；△phase為頻率控制字；FCLK為參考頻率。

　　DDS的頻率分辨率定義為：

　　式中：△Fout為頻率分辨率。

　　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。以單片機(jī)STC89C516為控制核心，采用并行輸入的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9850控制字的寫(xiě)入，通過(guò)上位機(jī)串行通訊控制方波的頻率。AD9850的輸入時(shí)鐘采用50 MHz有源晶振，輸出頻率范圍可從幾赫茲到幾兆赫茲，但是整個(gè)系統(tǒng)的輸出頻率范圍由后級(jí)功率放大電路中一些時(shí)間常數(shù)決定，所以頻率范圍為1 kHz～2 MHz可調(diào)。將單片機(jī)的P1口連接到AD9850的并行輸入口，P3．6和P3．7完成單片機(jī)對(duì)AD9850的輸入／輸出控制。AD9850控制字寫(xiě)完之后，便由IOUT輸出相應(yīng)頻率的正弦波信號(hào)。為了使輸出頻率不受高頻斜波的干擾，選用兩級(jí)丌型LC低通濾波器，其動(dòng)態(tài)范圍帶寬為0～40 MHz，將純凈的正弦波送AD9850的比較器端口，最終由QOUT輸出方波。DDS信號(hào)發(fā)生電路圖如圖2所示。

　　2．2 脈沖串控制電路

　　為了調(diào)節(jié)電磁超聲的諧振點(diǎn)，要求控制信號(hào)的個(gè)數(shù)可以靈活改變，由于電磁超聲換能器 (EMAT)采用了電磁鐵，這就要求激勵(lì)源的相位應(yīng)與電磁鐵的50 Hz工頻相位相一致，并能在0～180°之間做出調(diào)整。采用單片機(jī)控制可編程邏輯器件(CPLD)，在CPLD內(nèi)部完成對(duì)脈沖串個(gè)數(shù)和相位的控制。最終由上位機(jī)與單片機(jī)通訊產(chǎn)生頻率、個(gè)數(shù)、相位均可調(diào)的脈沖串。將單片機(jī)的P0，P2口分別與CPLD連接作為地址和數(shù)據(jù)接口，P3．4，P3．5作為控制端口，當(dāng)單片機(jī)將脈沖串的個(gè)數(shù)和相位寫(xiě)入CPLD后，便輸出HO，LO兩路互補(bǔ)單極性方波信號(hào)。

　　2．3 功率放大電路和阻抗匹配電路設(shè)計(jì)

　　為了增大電磁超聲波的強(qiáng)度，需將激勵(lì)信號(hào)的功率進(jìn)一步放大。根據(jù)電磁超聲波的強(qiáng)度與電流的平方成正比，可利用功率放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)電流的放大。

　　功率放大電路采用大功率管(MOSFET)組成半橋功率放大電路。MOSFET具有開(kāi)關(guān)速度快，可承受高壓，且高頻特性好，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，無(wú)二次擊穿問(wèn)題等特點(diǎn)。柵極驅(qū)動(dòng)的要求是觸發(fā)脈沖有足夠快的上升和下降速度。要使功率MOSFET充分導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖的電壓要高于功率MOSFET的開(kāi)啟電壓。MOSFET管的類(lèi)型很多，如STW15NB50，IRF840等。在該設(shè)計(jì)中選用STW15NB50，其最短開(kāi)通時(shí)間為24 ns，關(guān)斷時(shí)間為15 ns，漏源電壓VDS可達(dá)到500 V，峰值脈沖電流58 A，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

　　圖3為半橋功率放大電路，R1，R2為橋平衡電阻；C1，C2為橋臂電容；D1，D2為橋開(kāi)關(guān)吸收電路元件。其工作原理如下：兩個(gè)反相的方波激勵(lì)信號(hào)分別接到兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的基極，當(dāng)HO為高電平，LO為低電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)閉，電流通過(guò)Q1至變壓器初級(jí)向電容C2充電，同時(shí)C1上的電荷向Q1和變壓器初級(jí)放電，從而在輸出變壓器次級(jí)感應(yīng)一個(gè)正半周期脈沖電壓；當(dāng)HO為低電平，LO為高電平時(shí)，Q2被觸發(fā)導(dǎo)通，Q1關(guān)閉，電流通過(guò)電容C1和變壓器初級(jí)充電，而C2的電荷也經(jīng)由變壓器初級(jí)放電，在變壓器次級(jí)感應(yīng)一個(gè)負(fù)半周期脈沖電壓，從而形成一個(gè)工作頻率周期的功率放大波形。由于功放管工作在伏安特性曲線的飽和區(qū)或截止區(qū)，集電極功耗降到最低限度，從而提高了放大器的能量轉(zhuǎn)換效率，使之可達(dá)80％以上。

　　MAX4428，IRF系列的驅(qū)動(dòng)芯片或由三極管組成的放大電路均可用于驅(qū)動(dòng)MOSFET管。但是，MAX4428和其他一些集成驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)頻率一般只能達(dá)到200 kHz左右，而本設(shè)計(jì)采用三極管如圖4連接，驅(qū)動(dòng)電路頻率可以達(dá)到2 MHz左右，輸出無(wú)雜波且成本低，能夠成功地驅(qū)動(dòng)MOS管的開(kāi)／斷。

　　為了使輸出的瞬時(shí)功率最大，需要對(duì)探頭的阻抗進(jìn)行匹配。在功率放大輸出端加補(bǔ)償阻抗，使整個(gè)電路的感抗和容抗相抵消，發(fā)射的功率最大，電能轉(zhuǎn)換成聲能的效率最高，匹配電路如圖3虛線框中所示，半橋逆變輸出經(jīng)傳輸線變壓器耦合后通過(guò)電容連接到換能器上。傳輸線變壓器由雙絞線和磁環(huán)組成，電路中脈沖串發(fā)射頻率在1 MHz時(shí)激勵(lì)源輸出阻抗為50 Ω；由于被測(cè)工件也屬于換能器的一部分，所以在對(duì)探頭阻抗進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)將探頭置于工件表面，若測(cè)得負(fù)載阻抗為500 Ω，則雙絞線匝數(shù)應(yīng)為10左右。

　　經(jīng)過(guò)調(diào)諧匹配，換能器在電磁超聲功率源驅(qū)動(dòng)下達(dá)到諧振。圖5為采集的換能器的激勵(lì)電壓波形?？梢?jiàn)獲得了頻率為純凈的正弦波，在外接電壓為100 V時(shí)，其峰一峰值接近100 V。

　　3 激勵(lì)源軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊、控制CPLD的輸出、調(diào)節(jié)AD9850輸出頻率等。程序流程如圖6所示。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　采用DDS技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)的電磁超聲激勵(lì)電源硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程控制也比較方便。與傳統(tǒng)的模擬信號(hào)發(fā)生器相比，頻率精度高，相位精確可控，從而改善了探傷效果，便于整套設(shè)備的數(shù)字化控制和操作，并減小了設(shè)備的體積和重量。