張興紅，蔡 偉，邱 磊，陳 鑫，何 濤

(1．重慶理工大學，時柵傳感及先進檢測技術重慶市重點實驗室，重慶 400054；2．重慶卓觀科技有限公司，重慶400039)

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基于FPGA與DDS技術的可調(diào)超聲波驅(qū)動電源設計

張興紅1，蔡 偉2，邱 磊1，陳 鑫1，何 濤1

(1．重慶理工大學，時柵傳感及先進檢測技術重慶市重點實驗室，重慶 400054；2．重慶卓觀科技有限公司，重慶400039)

為解決超聲波驅(qū)動電源存在激勵信號單一、頻率范圍窄、專機專用等問題，結(jié)合DDS技術的優(yōu)點以及FPGA的可編程性的特點,提出了一種以FPGA為控制核心，基于DDS技術的可以通用的超聲波驅(qū)動電源的設計方案。設計的超聲波驅(qū)動電源可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波4種激勵信號，并通過對DDS頻率控制字的調(diào)整可以有效實現(xiàn)頻率在20 kHz～ 1 MHz范圍內(nèi)任意可調(diào)，利用可編程增益放大器AD8250結(jié)合分段放大算法實現(xiàn)了電源功率的方法與可調(diào)。經(jīng)仿真實驗驗證設計的超聲波驅(qū)動電源可以實現(xiàn)波形可選、頻率可調(diào)、功率可調(diào)的功能，能有效驅(qū)動應用于超聲波精密測量領域的超聲波換能器。

超聲換能器；驅(qū)動電源；FPGA；DDS

0 引言

超聲波驅(qū)動電源是是整個超聲測量系統(tǒng)的基礎[1]，其實質(zhì)是用于產(chǎn)生激勵信號并向超聲波換能器提供超聲能量的一種裝置，它產(chǎn)生的激勵信號經(jīng)過功率放大以后再通過匹配電路與換能器阻抗匹配，從而驅(qū)動換能器工作，即為超聲波換能器提供驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)過超聲波換能器后轉(zhuǎn)換成所需要的聲場，將電信號變換為機械振動信號以使超聲波換能器正常工作[2]。目前國內(nèi)的超聲波驅(qū)動電源存在頻率范圍窄，激勵信號單一，專機專用等問題，研制一種可滿足不同信號類別、不同諧振頻率、不同驅(qū)動功率，能實現(xiàn)一機多用的超聲波可調(diào)驅(qū)動電源顯得尤為必要。

本文采用他激模式，利用FPGA結(jié)合DDS技術設計了一種超聲波可調(diào)驅(qū)動電源，該驅(qū)動電源產(chǎn)生的激勵信號波形可選、頻率可調(diào)、功率可調(diào)，其可以實現(xiàn)頻率在20 kHz～ 1 MHz范圍內(nèi)任意可調(diào)，且誤差小于1 Hz，能有效驅(qū)動應用于超聲波精密測量領域的超聲波換能器。

1 超聲波可調(diào)驅(qū)動電源的系統(tǒng)組成

超聲波可調(diào)驅(qū)動電源的原理框圖如圖1所示，其主要由信號源、功率放大模塊和阻抗匹配等3部分組成[3]。信號源部分是采用FPGA為核心的信號發(fā)生器和控制部分，信號放大模塊是將信號源產(chǎn)生的信號放大后輸出給超聲波換能器。換能器網(wǎng)絡匹配是指換能器與驅(qū)動電源之間的參數(shù)匹配，匹配網(wǎng)絡的目的是為了保證換能器能夠獲得最大的電功率[4]。

圖1 超聲波可調(diào)驅(qū)動電源的原理結(jié)構(gòu)框圖

超聲波驅(qū)動電源的工作原理是當外部按鍵設置好輸入的波形種類及頻率值后，經(jīng)過FPGA內(nèi)控制模塊譯碼使能對應的DDS模塊輸出相應的信號，由于構(gòu)建于FPGA內(nèi)部的DDS模塊輸出的激勵信號是數(shù)字信號，因此需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路將該信號轉(zhuǎn)變成模擬信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出的模擬信號經(jīng)過濾波電路消除其中的雜散分量。但此時信號比較弱，需要功率放大器將已經(jīng)消除雜散分量的信號進行功率放大，并通過變壓器與換能器進行阻抗匹配，從而驅(qū)動換能器工作。由于外接晶振的信號時鐘并不絕對穩(wěn)定，因此引入數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)來對時鐘信號進行鎖相優(yōu)化，以提高在該時鐘驅(qū)動下產(chǎn)生的數(shù)字信號的精度。為實現(xiàn)功率可調(diào)采用信號發(fā)生源與放大電路結(jié)合的方式實現(xiàn)，F(xiàn)PGA控制功率放大電路放大倍數(shù)(粗調(diào))，同時在FPGA內(nèi)部采用幅值控制算法在相應區(qū)間對FPGA內(nèi)部產(chǎn)生的信號發(fā)生器幅值進行調(diào)節(jié)(細調(diào))，實現(xiàn)了超聲波功率的精確控制。

2 超聲波可調(diào)驅(qū)動電源的實現(xiàn)

本文中所設計的超聲波可調(diào)驅(qū)動電源采用的是基于FPGA的直接頻率合成技術(DDS)。通過基于FPGA的直接頻率合成器(DDS)與D/A轉(zhuǎn)換器相互協(xié)作可以實現(xiàn)高分辨率頻率可調(diào)與波形可切換的信號發(fā)生源，同時FPGA通過幅值控制算法控制信號發(fā)生器產(chǎn)生的電平大小并通過對功率放大器的控制實現(xiàn)功率的高準確度控制?；谝訤PGA為核心的的信號發(fā)生源與信號功率放大電路的相互協(xié)作可以實現(xiàn)超聲波換能器可調(diào)驅(qū)動電源高分辨率、低功耗、頻率寬范圍可調(diào)等要求。

2．1 基于DDS技術的信號發(fā)生器

本設計要求實現(xiàn)在20 kHz～1 MHz范圍內(nèi)任意頻率輸出，采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術設計的信號源能在很寬的頻率范圍內(nèi)進行精細的頻率調(diào)節(jié)，實現(xiàn)頻率可調(diào)功能。

DDS是一種全數(shù)字化的頻率合成器，具有頻率分辨率高，頻率切換速度快，頻率切換時相位連續(xù)，輸出相位噪聲低，以及能產(chǎn)生任意波形等優(yōu)點[5]。DDS是根據(jù)Nyquist采樣定理，通過查找法產(chǎn)生波形。將模擬信號離散化，然后以二進制形式存放在存儲器中。當需要該信號時，以一定的速率重復從存儲器中取出數(shù)據(jù)，送入D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，再經(jīng)低通濾波器去除高頻分量，平滑輸出信號,就得到想要的波形。DDS的原理框圖如圖2 所示[6]。

圖2 DDS原理結(jié)構(gòu)框圖

圖2中，fclk為DDS輸入的參考時鐘頻率，N為DDS相位累加器的位數(shù)，k為頻率控制字，則DDS的輸出頻率f0為[7]

(1)

當k為1時，輸出最小頻率(即頻率分辨率)為

(2)

采用的是50 MHz的DDS驅(qū)動時鐘和32位的相位累加器，即fclk=50 MHz,N=32，則超聲波頻率發(fā)生器的的頻率分辨率達到0．011 6 Hz。由奈奎斯特采樣定理可知，DDS輸出的最大頻率為

(3)

則DDS輸出頻率上限應為20 MHz,當頻率控制字為k=0時，對應于DDS的輸出頻率下限輸出信號頻率為0 Hz，則DDS輸出頻率的最大范圍為0～20 MHz，通過控制DDS頻率控制字k的大小，完全可以實現(xiàn)頻率在20 kHz～1 MHz范圍內(nèi)任意可調(diào)。

在實際應用中，根據(jù)所接換能器負載的不同，有的可能需要不同的激勵信號來驅(qū)動，因此在超聲波可調(diào)驅(qū)動電源的設計中，利用DDS合成了正弦波、三角波、鋸齒波、方波等4種波形，構(gòu)建于FPGA內(nèi)部的控制模塊根據(jù)換能器的驅(qū)動需要通過控制波形選擇對波形的種類進行簡便的波形切換，從而使驅(qū)動電路可以有效地應用于不同種類的換能器驅(qū)動。

2．2 放大電路設計

FPGA完成信號合成與控制后將信號傳輸?shù)较駾/A轉(zhuǎn)換器，由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號。D/A轉(zhuǎn)換芯片采用的是TxDAC 9760AR，該芯片是一種單通道高速、高性能、低功耗10位CMOS D/A轉(zhuǎn)換器，具有低功耗特性，非常適合便攜式和低功耗應用。由于AD9760是電流輸出型，信號源輸出的信號經(jīng)過AD9760轉(zhuǎn)換后變成模擬信號，其經(jīng)過負載電阻之后轉(zhuǎn)變成電壓輸出信號，輸出的信號非常小，為了驅(qū)動超聲波換能器工作，必須對小信號進行功率放大。為保證足夠的功率驅(qū)動超聲波換能器工作，同時實現(xiàn)功率可調(diào)，在D/A轉(zhuǎn)換后增加可編程增益放大器AD8250。二者共同構(gòu)成超聲波可調(diào)驅(qū)動電源的核心部分。D/A轉(zhuǎn)換電路與放大電路如圖3所示。

AD8250是一款具有數(shù)字式可編程增益的儀表放大器。它能實現(xiàn)電壓倍數(shù)的放大，通常放大器的放大倍數(shù)越高引入的雜散和噪聲信號越多，所以在實現(xiàn)放大倍數(shù)可調(diào)的情況下采用分段的方式與數(shù)字信號的可控性相結(jié)合可以達到更好精度的調(diào)節(jié)。根據(jù)AD8250與D/A轉(zhuǎn)換器的輸出可調(diào)性，結(jié)合數(shù)字信號預處理與模擬信號放大器各自的優(yōu)點，采用軟件硬件相結(jié)合，利用分段放大算法實現(xiàn)電壓連續(xù)可調(diào)，通過調(diào)節(jié)電壓，從而實現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)。在保證足夠功率的同時，在驅(qū)動電流恒定時，電壓的可調(diào)幅值分辨率達到10 mV以上，足以滿足各種精密超聲波換能器的功率要求。其實現(xiàn)方式如式(4)所示：

(4)

式中：VI為輸入的幅度電壓值數(shù)值；DAI為DDS產(chǎn)生數(shù)字波形信號；DG為數(shù)字信號幅度值控制字；AG為放大器的放大倍數(shù)。

通過該方法可實現(xiàn)0～10 V電壓幅度值可調(diào)的功能。

3 軟件設計

系統(tǒng)采用FPGA芯片EP2C5T144C8作為超聲波驅(qū)動電源的核心控制芯片，以Altera的Quartus II軟件提供了完整的設計平臺通過使用硬件描述語言Verilog來實現(xiàn)軟件設計。波形選擇控制信號名為mode，通過兩位控制信號線來實現(xiàn)4種波形信號的輸出選擇，兩位控制信號按二進制表示，其數(shù)值為“0，1，2，3”，即當用戶鍵盤輸入按0時產(chǎn)生鋸齒波，按1時產(chǎn)生正弦波，按2時產(chǎn)生方波，按3 時產(chǎn)生三角波。將信號發(fā)生器的頻率控制與波形控制結(jié)合在一起，實現(xiàn)頻率與波形的自由控制。在該開發(fā)軟件下設計的總體軟件設計流程圖如圖4所示。

圖3 D/A轉(zhuǎn)換器與程控放大器電路

圖4 軟件設計流程圖

實現(xiàn)步驟如下：

首先，硬件上電開始工作先進入初始化設置，F(xiàn)PGA在50 MHz的系統(tǒng)時鐘下初始化各寄存器狀態(tài)：波形輸出初始化為正弦波，功率發(fā)大倍數(shù)為1倍，頻率輸出為20 kHz。

其次，通過功能控制模塊判斷鍵盤的操作，當鍵盤鍵入指令時對鍵盤命令進行識別，并執(zhí)行相應的操作命令。該操作命令主要有3個部分：頻率調(diào)節(jié)、波形選擇和功率調(diào)節(jié)，具體參見本章的鍵盤預處理設計部分。

第三，在各控制字的信息下，控制各功能模塊，執(zhí)行相應的操作。例如，在第二步時如得到正弦波的波形控制字，則將通過該信號使能正弦信號發(fā)生器，產(chǎn)生數(shù)字正弦波信號。其他具體控制字操作參看信號發(fā)生器的設計部分。

最后，在各控制信息的下，各功能模塊按設置好的信號發(fā)生器的各種參數(shù)開始產(chǎn)生相應的數(shù)字信號。數(shù)字信號將輸出到FPGA外部的DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)和放大器，使最終的模擬信號與所設定值一致。

4 超聲波驅(qū)動電源功能的驗證

超聲波可調(diào)驅(qū)動電源具有頻率可調(diào)、波形可選、功率可調(diào)的特點，設計中搭建了測試仿真平臺來對其功能的實現(xiàn)進行了驗證。根據(jù)設計要求信號發(fā)生部分能夠產(chǎn)生4種基本的波形，按鍵輸入為0時產(chǎn)生鋸齒波、按鍵輸入為1時產(chǎn)生正弦波、按鍵輸入為2時產(chǎn)生方波、按鍵輸入為3時三角波。仿真實驗表明：能成功產(chǎn)生這4種基本的波形并實現(xiàn)波形切換，其波形仿真圖如圖5 所示。

圖5 FPGA仿真波形

如圖6所示，系統(tǒng)在初始狀態(tài)下頻率20 kHz、幅值為1 V的正弦波，通過按鍵控制切換到了頻率為40 kHz、幅值為5 V的方波信號。在此過程中頻率控制字F_KEY向左移動了一位即增加了2倍信號頻率，功率放大器的控制字A由“00”變?yōu)榱恕?0”使放大倍數(shù)增加了5倍。這初步驗證了波形切換、頻率可調(diào)、幅值可控的功能。頻率由頻率控制字F_KEY準確控制，通過換算可知其分辨率小于1 Hz。

圖6 40 kHz,5 V的方波激勵信號的產(chǎn)生

如圖7所示，系統(tǒng)從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換到頻率為45 kHz，幅值為3．5 V正弦信號，在此過程中，除了頻率由DDS模塊精確控制外，幅值的控制也需要借助FPGA中數(shù)字信號預處理模塊AMP_C來進行控制，通過與圖5對比分析可知預處理模塊對數(shù)字信號DGOUT首先進行了0．7倍的幅值控制，然后再由放大器進行5倍信號放大實現(xiàn)3．5 V信號的產(chǎn)生，驗證了設計能夠?qū)崿F(xiàn)幅值的高分辨率調(diào)節(jié)。

圖7 45 kHz，3．5 V的正弦激勵信號

5 結(jié)束語

針對現(xiàn)在常用的超聲波驅(qū)動電源所存在的不足，基于FPGA與DDS技術設計了一種超聲波可調(diào)驅(qū)動電源，該電源具有以下特點：

(1)通過外接按鍵預置頻率控制字來實現(xiàn)驅(qū)動電源頻率可調(diào)。

(2)為保證足夠的功率驅(qū)動超聲波換能器工作，同時實現(xiàn)功率可調(diào)，使用可編程增益放大器AD8250來控制電源輸出功

率。采用軟件硬件相結(jié)合，利用分段放大算法實現(xiàn)電壓連續(xù)可調(diào)，通過調(diào)節(jié)電壓，從而實現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)。

(3)設計的超聲波驅(qū)動電源可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波4種波形，可以根據(jù)換能器的具體使用功能進行波形選擇。

通過仿真和實驗驗證了超聲波驅(qū)動電源可以實現(xiàn)激勵信號波形可選，幅值的高分辨率可控，頻率高分辨率可調(diào)，以及頻率在20 kHz～ 1 MHz范圍內(nèi)任意可調(diào)，且誤差小于1 Hz，可有效應用于精密超聲波測量領域內(nèi)的各種超聲波換能器的驅(qū)動。在超聲波流量計、超聲波溫度計、超聲波探傷等精密超聲波測量領域的應用上具有良好的工程應用前景。

[1] 涂曉凱,吳彥,李國鋒,等．一種高頻超聲波換能器驅(qū)動電路的設計．電子測量技術,2009,32(4)：23-25．

[2] 杜曉明，基于FPGA的自適應大功率超聲信號源的設計：[學位論文]．鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2010：10-15．

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[4] 徐春龍,胡卓蕊,田華．壓電超聲換能器電端匹配電路研究．紡織高?；A科學學報,2007,60(2)：193-197．

[5] 吳衛(wèi)華．基于DDS-PLL超聲波電源的頻率自動跟蹤研究．電力電子技術,2008,42(5)：50-52．

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[7] 黃志偉．全國大學生電子設計競賽系統(tǒng)設計．北京：北京航空航天大學出版社,2006：50-65．

Design of Ultrasonic Power Supply Based on FPGA and DDS

ZHANG Xing1-hong，CAI Wei2，QIU Lei1，CHEN Xin1，HE Tao1

(1．Engineering research center of Mechanical Testing Technology and Equipment,Ministry of Education,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054，China；2．Chongqing ZhuoGuan Technology Co．Ltd.,Chongqing 400039，China)

To solve the problems existed in the usage of ultrasonic drive power,such as single excitation signal,narrow frequency range,and special dedicated,a universal design scheme useing FPGA as the control core of ultrasonic drive power supply was put forward,based on DDS technology,and combining with the advantages of DDS technology and programmable characteristics of FPGA．The designed ultrasonic drive power supply can generate excitation signals of sine wave,triangular wave,square waveand sawtooth wave,and can effectively achieve arbitrary adjustment of frequency within 20 kHz～ 1 MHz through the adjustment of DDS frequency control word．The programmable gain amplifier AD8250 combining with subsection amplification algorithm was used to realize the adjustment of power amplification．The simulation results verify that the design of ultrasonic drive power can realize function of optional waveform,adjustable frequency and power,and can effectively drive ultrasonic transducer used in the field of precision measurement．

ultrasonic transducer；power supply； FPGA；DDS

國家自然科學基金資助項目(51275551)；重慶市自然科學基金資助項目(cstc2012jjA70004，cstc2012jjA40062)

2014-08-10 收修改稿日期：2015-03-06

TN462

A

1002-1841(2015)06-0084-04

張興紅(1970—)，教授，博士，主要研究方向為計算機輔助測試技術。