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基于DDS技術(shù)的智能超聲波功率源的研制
摘要：介紹了一種基于直接數(shù)字合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技術(shù)的超聲波功率源的設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了DDS信號(hào)產(chǎn)生電路、單片機(jī)控制電路、功率放大電路以及超聲波功率源與換能器的匹配設(shè)計(jì)，并給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：直接數(shù)字合成 功率超聲 功率放大 阻抗匹配
功率超聲設(shè)備利用超聲波的能量改變材料的某些狀態(tài)，需要產(chǎn)生相當(dāng)大或比較大的功率。超聲波功率源(或稱發(fā)生器)向超聲換能器提供連續(xù)的電能量，其性能特點(diǎn)直接影響著各種功率超聲的研究工作。近年來，我國(guó)關(guān)于功率超聲的研究十分熱門，尤其是超聲化學(xué)和超聲的生物效應(yīng)，更是聲學(xué)研究的熱點(diǎn)。上述研究需要超聲波具有高分辨率、高穩(wěn)定性、大功率、頻率大范圍可調(diào)等特點(diǎn)，為此，研制了一種基于DDS技術(shù)的超聲波功率源，并已將其應(yīng)用在實(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。用單片機(jī)AT89C51控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生頻率為1kHz～1MHz的波形信號(hào)；功率放大采用半橋放大方式，其中，功率開關(guān)使用MOSFET模塊；通過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。
本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：
(1)采用數(shù)字DDS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)功率放大器件采用大功率的MOSFET模塊，功率可達(dá)2000W以上。
(3)采用變壓器輸出，通過串聯(lián)諧振提高換能器兩端電壓，提高了電能的利用率。
(4)系統(tǒng)通過單片機(jī)串行口接收反饋或者其它數(shù)據(jù)的輸入，利用編程實(shí)現(xiàn)智能控制。
2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 DDS原理及電路實(shí)現(xiàn)
2．1．1 008電路工作原理
DDS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)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)頻率由下式計(jì)算：
Fout=(△phase×FCLK)/2N
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