基于DDS技術的智能超聲波功率源的研制

摘要：介紹了一種基于直接數字合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技術的超聲波功率源的設計。詳細介紹了DDS信號產生電路、單片機控制電路、功率放大電路以及超聲波功率源與換能器的匹配設計，并給出了系統軟件設計方案。

    關鍵詞：直接數字合成 功率超聲 功率放大 阻抗匹配

功率超聲設備利用超聲波的能量改變材料的某些狀態，需要產生相當大或比較大的功率。超聲波功率源(或稱發生器)向超聲換能器提供連續的電能量，其性能特點直接影響著各種功率超聲的研究工作。近年來，我國關于功率超聲的研究十分熱門，尤其是超聲化學和超聲的生物效應，更是聲學研究的熱點。上述研究需要超聲波具有高分辨率、高穩定性、大功率、頻率大范圍可調等特點，為此，研制了一種基于DDS技術的超聲波功率源，并已將其應用在實際的聲學研究中。

1 系統原理及特點

系統原理如圖1所示。用單片機AT89C51控制DDS芯片AD9850產生頻率為1kHz～1MHz的波形信號；功率放大采用半橋放大方式，其中，功率開關使用MOSFET模塊；通過輸出變壓器和電感組成的匹配網絡驅動壓電換能器激發超聲波。

本系統的主要特點有：

(1)采用數字DDS技術產生波形信號，分辨率高、穩定性好、頻率范圍大，系統頻率不會隨工作時間出現漂移。

    (2)功率放大器件采用大功率的MOSFET模塊，功率可達2000W以上。

(3)采用變壓器輸出，通過串聯諧振提高換能器兩端電壓，提高了電能的利用率。

(4)系統通過單片機串行口接收反饋或者其它數據的輸入，利用編程實現智能控制。

2 系統硬件實現

2．1 DDS原理及電路實現

2．1．1 008電路工作原理

DDS技術是一種用數字控制信號的相位增量技術，具有頻率分辨率高、穩定性好、可靈活產生多種信號的優點。基于DDS的波形發生器是通過改變相位增量寄存器的值△phase(每個時鐘周期的度數)來改變輸出頻率的。如圖2所示，每當N位全加器的輸出鎖存器接收到一個時鐘脈沖時，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，它就作為波形存儲器的一個尋址地址，該地址對應的波形存儲器中的內容就是一個波形合成點的幅度值，然后經D/A轉換變成模擬值輸出。當下一個時鐘到來時，相位累加器的輸出又加一次頻率控制字，使波形存儲器的地址處于所合成波形的下一個幅值點上。最終，相位累加器檢索到足夠的點就構成了整個波形。

DDS的輸出信號頻率由下式計算：

Fout=(△phase×FCLK)/2N   

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