工程师分享：基于DDS的电磁超声激励的电源设计

引言

电磁超声是一种非接触式的超声检测方法，不需要与被测对象有任何的物理接触，不需要耦合剂，能够应用于被测对象处于高温、高速、粗糙表面的检测条件下。因为不接触的特点，所以用来激励电磁超声换能器的激励电源是极其重要的一部分，激励电源要产生高峰值电流、窄脉宽特点的电脉冲。对于不同的被测物体，采用合适的参数激发电磁超声，使电磁超声换能器的电/声转换效率最大化，也是提高信噪比的关键之一。因此，设计脉冲串频率、个数、相位均可调的激励电源是非常必要的。本文设计了一种基于DDS技术的电磁超声波激励电源。

电磁超声波激励源组成

电磁超声波激励电源主要包括DDS信号发生电路、脉冲串控制电路、功率放大电路、阻抗匹配电路，如图1所示。为了方便调节激发脉冲的频率、相位和控制激发脉冲的个数，上位机与单片机进行串行通讯，用来设定激励电源的参数，单片机控制DDS芯片AD9850产生频率为1 kHz～2 MHz的可调方波信号，单片机控制可编程逻辑器件(CPLD)MAX7064完成脉冲串的个数和相位的设定。由于信号发生电路产生的脉冲信号功率较弱，电压幅值低，不足于驱动VMOS管，在脉冲发生电路与功率放大电路之间加一级驱动电路，对信号进行放大。由信号发生器电路和驱动电路组成控制电路，控制 VMOS管的开通和关断。在VMOS管电路关断时，高压电源通过充电电阻对电容进行充电;当VMOS管导通时，电容、VMOS管以及探头(包括阻抗匹配电路)形成放电回路，使得在探头两端能够得到高峰值的窄脉宽电脉冲。

为了使电/声转换效率达到最大化，在功率放大电路与换能器之间增加了阻抗匹配电路，由阻抗匹配变压器和电容组成。功率放大电路采用半桥功率放大方式，其中，功率开关使用MOSFET模块。激励源硬件实现

2.1 DDS原理及电路信号发生电路

为了得到最佳的电/声转换，激励频率应当与探头的谐振频率一致，因此要求控制信号的频率可以灵活改变。采用单片机和直接数字频率合成(DDS)技术来设计信号发生器电路。DDS技术是一种采用数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率高，稳定性好，可灵活产生多种信号的优点。基于DDS的波形发生器是通过改变相位增量寄存器的值 △phase(每个时钟周期的度数)来改变输出频率的。每当N位全加器的输出锁存器接收到一个时钟脉冲时，锁存在相位增量寄存器中的频率控制字就与N位全加器的输出相加。在相位累加器的输出被锁存后，即作为波形存储器的一个寻址地址，该地址对应波形存储器中的内容就是一个波形合成点的幅度值，然后经D/A 转换变成模拟值输出。当下一个时钟到来时，相位累加器的输出又加一次频率控制字，使波形存储器的地址处于所合成波形的下一个幅值点上。最终，相位累加器检索到足够的点就构成了整个波形。DDS的输出信号频率由式(1)计算：

式中：Fout为输出频率;△phase为频率控制字;FCLK为参考频率。

DDS的频率分辨率定义为：

式中：△Fout为频率分辨率。

由于基准时钟的频率一般固定，因此相位累加器的位数决定了频率分辨率，位数越多，分频率越高。以单片机STC89C516为控制核心，采用并行输入的方式实现对AD9850控制字的写入，通过上位机串行通讯控制方波的频率。AD9850的输入时钟采用50 MHz有源晶振，输出频率范围可从几赫兹到几兆赫兹，但是整个系统的输出频率范围由后级功率放大电路中一些时间常数决定，所以频率范围为1 kHz～2 MHz可调。将单片机的P1口连接到AD9850的并行输入口，P3.6和P3.7完成单片机对AD9850的输入/输出控制。AD9850控制字写完之后，便由IOUT输出相应频率的正弦波信号。为了使输出频率不受高频斜波的干扰，选用两级丌型LC低通滤波器，其动态范围带宽为0～40 MHz，将纯净的正弦波送AD9850的比较器端口，最终由QOUT输出方波。DDS信号发生电路图如图2所示。

2.2 脉冲串控制电路

为了调节电磁超声的谐振点，要求控制信号的个数可以灵活改变，由于电磁超声换能器 (EMAT)采用了电磁铁，这就要求激励源的相位应与电磁铁的50 Hz工频相位相一致，并能在0～180°之间做出调整。采用单片机控制可编程逻辑器件(CPLD)，在CPLD内部完成对脉冲串个数和相位的控制。最终由上位机与单片机通讯产生频率、个数、相位均可调的脉冲串。将单片机的P0，P2口分别与CPLD连接作为地址和数据接口，P3.4，P3.5作为控制端口，当单片机将脉冲串的个数和相位写入CPLD后，便输出HO，LO两路互补单极性方波信号。

2.3 功率放大电路和阻抗匹配电路设计

为了增大电磁超声波的强度，需将激励信号的功率进一步放大。根据电磁超声波的强度与电流的平方成正比