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。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 (1)
DDS的頻率分辨率定義為：
Fout=FCLK/2N (2)
由于基準時鐘的頻率一般固定，因此相位累加器的位數決定了頻率分辨率，位數越多，分頻率越高。本文采用的DDS芯片AD9850支持的時鐘輸入最高為125MHz，頻率控制字的位數為32位［1］。 由式(2)可以計算出在125MHz時鐘輸入時分辨率為0．0219Hz。
圖4
2．1．2 DDS信號發生電路
波形信號發生電路原理框圖如圖3所示。整個電路以單片機AT89C51為控制核心，用并行輸入的方式實現AD9850控制字的寫入，同時實時處理鍵盤輸入的各種命令，并控制顯示輸出。
圖5
AD9850的輸入時鐘采用80MHz的晶振，根據式(2)可知系統的分辨率為0．0186Hz，頻率范圍可以從幾Hz到幾十MHz，但是整個系統的輸出頻率范圍由后級功率放大電路中的一些時間常數決定。將單片機的I／O口P1連接到AD9850的并行輸入口，P3．4和P3．5聯合控制單片機對AD9850的輸入輸出。AD9850控制字寫完之后，便輸出相應頻率的方波信號QOUT。圖4為單片機與AD9850的電路連接圖。
2．2 半橋功放電路及其驅動
AD9850產生的信號電流小，驅動能力弱，需經MOSFET柵極驅動芯片IR21844驅動后才能控制MOSFET模塊。由于系統輸出功率大，為提高驅動能力，
并聯使用四片
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