張　鵬,朱曉明,李　靜,徐鹿眉

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

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基于AD9958的雙路超聲電源設(shè)計(jì)

張鵬,朱曉明,李靜,徐鹿眉

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

介紹一種用于超聲懸浮傳輸?shù)碾p路信號(hào)輸出超聲電源。電源使用雙路輸出的直接數(shù)字合成芯片作為超聲信號(hào)的發(fā)生器件，該信號(hào)經(jīng)過放大整形后輸入半橋功率放大電路，最終輸出功率信號(hào)來驅(qū)動(dòng)超聲換能器。電源可輸出頻率、幅值、相位獨(dú)立可調(diào)的雙路超聲功率信號(hào)，其中，幅值的調(diào)整通過改變半橋電路的供電電壓實(shí)現(xiàn)，頻率和相位的調(diào)整通過改變直接數(shù)字頻率合成芯片的設(shè)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)。在半橋功率放大電路中，使用死區(qū)時(shí)間可設(shè)定的專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)上下橋臂的場效應(yīng)管進(jìn)行控制，有效地防止上下橋臂直通現(xiàn)象的發(fā)生，提高電源的穩(wěn)定性。

超聲；懸浮；電源；直接數(shù)字合成；半橋電路

高強(qiáng)度超聲駐波聲場中可以產(chǎn)生垂直向上的超聲懸浮力，當(dāng)這個(gè)力等于物體的重力時(shí)，物體就會(huì)懸浮在聲場中。超聲駐波懸浮傳輸技術(shù)則是在超聲駐波懸浮技術(shù)的基礎(chǔ)上漸漸發(fā)展起來的控制被懸浮物進(jìn)行空間二維或三維傳輸?shù)囊环N非接觸處理方法。超聲駐波懸浮傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)微量液體材料或微小器件的非接觸操作，使其在微裝配、生物化學(xué)工程、制藥、凝固態(tài)物理學(xué)、無容器的材料處理和制備、液滴動(dòng)力學(xué)、太空模擬實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。

許多科研團(tuán)體對(duì)超聲駐波懸浮傳輸技術(shù)進(jìn)行研究并開發(fā)超聲駐波懸浮傳輸裝置。Yu Ito[4]等人用彎曲振子和反射平面實(shí)現(xiàn)了空氣中聚苯乙烯小球(直徑2 mm)的非接觸遠(yuǎn)距離直線傳輸，小球的直線傳輸速度達(dá)到410 m/s。Daisuke Koyama[5]等人通過控制兩個(gè)換能器驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的相位，在沿著連接兩個(gè)換能器輻射端的振動(dòng)平面方向產(chǎn)生了彎曲行波，從而實(shí)現(xiàn)了酒精液滴及聚苯乙烯小球在空氣中的直線和環(huán)形軌跡移動(dòng)傳輸，移動(dòng)位移精度為0.046 mm/deg。Daniele Foresti[6]等人設(shè)計(jì)了一種顆粒操縱裝置，可以通過改變振動(dòng)器和反射器之間的距離來移動(dòng)顆粒。同時(shí)，該研究小組通過構(gòu)建超聲換能器陣列，實(shí)現(xiàn)了液滴在水平平面內(nèi)的二維懸浮移動(dòng)，并在駐波懸浮狀態(tài)下研究了液滴懸浮混合、流固封裝、DNA的轉(zhuǎn)染等技術(shù)[7]。該技術(shù)通過將多個(gè)超聲換能器組合起來形成換能器陣列，并利用改變相鄰換能器激勵(lì)電壓幅值的方法對(duì)換能器陣列中不同陣元的振動(dòng)情況進(jìn)行控制，從而改變超聲聲場參數(shù)，實(shí)現(xiàn)換能器陣式超聲駐波懸浮傳輸。

在這些超聲懸浮傳輸裝置中，換能器振動(dòng)狀態(tài)的改變均是通過改變其驅(qū)動(dòng)電源的電參數(shù)實(shí)現(xiàn)的，因此，驅(qū)動(dòng)電源的性能是超聲懸浮傳輸裝置能否實(shí)現(xiàn)樣品傳輸?shù)年P(guān)鍵。本文介紹了一種可用于超聲懸浮傳輸?shù)某曤娫矗撾娫纯梢暂敵鰞陕奉l率、相位、幅值獨(dú)立可調(diào)的超聲換能器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

1　雙路超聲電源組成及工作原理

本文介紹的雙路電源由信號(hào)發(fā)生電路、放大比較電路、功率放大電路和換能器阻抗匹配電路4個(gè)模塊組成，如圖1所示。由信號(hào)發(fā)生電路模塊產(chǎn)生兩路頻率和相位分別獨(dú)立可調(diào)的小電壓正弦信號(hào)，此正弦信號(hào)經(jīng)過放大比較電路模塊后轉(zhuǎn)化為直流方波脈沖信號(hào)，此信號(hào)輸入到功放電路中門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路部分，作為控制半橋放大電路中開關(guān)元件導(dǎo)通和截止的控制信號(hào)。半橋放大電路將門級(jí)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為與其同頻的、幅值可

調(diào)的大功率交流方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。交流方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值調(diào)整通過調(diào)節(jié)半橋放大電路的橋路供電電源實(shí)現(xiàn)。圖中的阻抗匹配電路可以實(shí)現(xiàn)功放電路輸出阻抗與換能器諧振阻抗的匹配，從而保證超聲電源可以高效地將電能輸送至換能器負(fù)載上。

圖1　雙路超聲電源組成

2　雙路超聲電源硬件設(shè)計(jì)

2.1信號(hào)發(fā)生電路

為了產(chǎn)生兩路高質(zhì)量頻率、相位獨(dú)立可調(diào)的超聲電信號(hào)，選擇ADI公司的雙通道直接數(shù)字合成器(DDS)集成芯片AD9958 作為信號(hào)生成芯片。該芯片內(nèi)部有兩個(gè)DDS內(nèi)核通道，每個(gè)通道都可以提供相互獨(dú)立的頻率、相位和幅度控制。圖2給出了AD9958的應(yīng)用電路。

圖2　AD9958應(yīng)用電路

由于AD9958內(nèi)部的輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸出為互補(bǔ)電流輸出，因此，需要使用一個(gè)帶中間抽頭的1∶1高頻變壓器將其輸出的互補(bǔ)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出的電壓信號(hào)。DAC的滿刻度輸出電流可以通過電阻R27進(jìn)行設(shè)置，其阻值計(jì)算方法見式(1)，其中IOUT的單位為mA。

(1)

依據(jù)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，當(dāng)滿刻度輸出電流被設(shè)置為10 mA時(shí)，可以獲得最優(yōu)芯片的無雜散動(dòng)態(tài)范圍，因此，電路圖中R27=1.91 K。

2.2放大比較電路

信號(hào)發(fā)生電路輸出的電壓信號(hào)為幅值為130 mV左右的正弦波形，無法直接作為功放電路中門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行放大和比較整形，轉(zhuǎn)換為幅值為5 V的直流脈沖方波。圖3給出了放大比較電路。

電路輸入的小幅值正弦信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)反向放大后轉(zhuǎn)換為幅值為4.8 V左右的正弦信號(hào)。圖中，RJ1用來調(diào)整初級(jí)放大電路的增益，次級(jí)放大電路的增益由R12和R17設(shè)定為8.2倍。放大后的正弦信號(hào)經(jīng)過低通濾波后進(jìn)入由U3A構(gòu)成的過零比較器電路后被轉(zhuǎn)換為幅值為5 V的交流脈沖方波。D16,D17組成U3B的限幅電路，U4A輸出門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路所需要的直流脈沖方波信號(hào)。

2.3功放電路

由圖1可知，功放電路由柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、半橋放大電路和電壓可調(diào)電源組成。半橋放大電路如圖4所示。

圖3　放大比較電路

Q5和Q6為漏源耐壓500 V、漏極電流為20 A的N溝道功率場效應(yīng)管，R8，R10為阻值相等的大功率電阻，起分壓作用，橋路的輸出連接至換能器匹配電路。Q5,Q6,C5,C8組成橋路，C5和C8容值相等。當(dāng)Q5導(dǎo)通、Q6截止時(shí)，C5上的電壓通過Q5加在匹配電路上，P1端為正，其值為PVCC/2。當(dāng)Q5截止、Q6導(dǎo)通時(shí)，C8上的電壓通過Q6加在匹配電路上，P2端為正，其值為PVCC/2。隨著Q5與Q6的輪流導(dǎo)通，在匹配電路兩端得到一個(gè)正負(fù)交變的矩形方波脈沖，該方波經(jīng)匹配電路后，加在換能器兩端，激勵(lì)換能器發(fā)生振動(dòng)。通過對(duì)Q5,Q6開關(guān)頻率的調(diào)節(jié)，可以改變半橋放大電路輸出交流方波頻率，進(jìn)而改變換能器的激勵(lì)頻率。

在半橋放大電路中，采用在場效應(yīng)管兩端并聯(lián)，由R,C,D組成的減振網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，防止場效應(yīng)管因高頻開關(guān)作用產(chǎn)生的寄生震蕩而損壞。減振網(wǎng)絡(luò)的加入改變了場效應(yīng)管的負(fù)載線，在輸出最大功率時(shí)提高電路的可靠性，同時(shí)消耗掉場效應(yīng)管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止時(shí)電路的多余能力，減輕了場效應(yīng)管的負(fù)擔(dān)，吸收了場效應(yīng)管截止時(shí)的尖峰能量，對(duì)場效應(yīng)管起保護(hù)作用。

Q5和Q6的柵級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)由柵極驅(qū)動(dòng)專用芯片IR21844提供，其電路如圖5所示。IR21844是IR公司的一款可以耐受600 V電壓的專用柵極驅(qū)動(dòng)集成芯片，可以產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間可以通過改變DT端的輸入電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而有效地防止半橋電路中上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象的發(fā)生，提高了電源的穩(wěn)定性。

圖5　柵極驅(qū)動(dòng)電路

圖5中C7為高端場效應(yīng)管的柵極驅(qū)動(dòng)自舉電容，當(dāng)橋路中的高端場效應(yīng)管Q5關(guān)閉，低端場效應(yīng)管Q6打開的時(shí)候，+15 V電源通過二極管D12和充電電阻Rbs1為自舉電容C7充電。C7必須在Q6打開的過程中存儲(chǔ)足夠的能量，從而保證當(dāng)Q5開通時(shí)，芯片的HO引腳可以輸出足夠高的電平使Q5導(dǎo)通。

2.4換能器阻抗匹配電路

單軸式超聲懸浮器中使用的超聲換能器多為壓電陶瓷式郎之萬換能器。為了獲得較大的機(jī)械振幅和工作效率，換能器通常工作在其機(jī)械諧振頻率附近，而此時(shí)換能器在其工作頻率附近呈現(xiàn)電容性阻抗，導(dǎo)致超聲波電源功率傳輸效率降低。為了克服這一缺點(diǎn)，通過加入匹配電路的方法，使匹配后的電源負(fù)載呈純阻性并且與超聲電源的輸出阻抗相等，從而提高電源的工作效率。本文使用的匹配電路見圖6。

圖6　次級(jí)串聯(lián)匹配原理

如圖6所示，超聲換能器在工作頻率ωs附近可以等效為動(dòng)態(tài)電阻Rm、動(dòng)態(tài)電感Lm、動(dòng)態(tài)電容Cm以及靜態(tài)電容Ce的組合電路，如圖6中虛線框內(nèi)所示為其機(jī)械諧振頻率的等效電路，輸出高頻變壓器TR的初級(jí)線圈連接至半橋驅(qū)動(dòng)電路的輸出級(jí)，次級(jí)線圈則通過一個(gè)串聯(lián)匹配電感Ls連接至超聲換能器。

當(dāng)換能器工作在ωs時(shí)，換能器與串聯(lián)電感Ls的整體阻抗為Zs，Zs可用下式計(jì)算：

(2)

由于超聲電源的輸出阻抗Zo呈現(xiàn)純阻性，因此，為了滿足最大功率傳輸條件，Zs應(yīng)該呈純阻性，即式(2)中的阻抗虛部為0，從而推導(dǎo)出串聯(lián)的Ls應(yīng)滿足以下條件：

(3)

同時(shí)，輸出高頻變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的匝數(shù)比應(yīng)滿足：

(4)

經(jīng)測量，本文使用的超聲換能器的串聯(lián)機(jī)械諧振頻率ωs=19.975 kHz，動(dòng)態(tài)電阻Rm=9.28 Ω，Ce=10.618 3 nf，超聲電源的輸出阻抗Zo=15 Ω。計(jì)算后得到匹配電路中使用的匹配變壓器變比ηs=1.27，串聯(lián)匹配電感Ls=0.913 uH。

圖7　超聲電源主程序

3　雙路超聲電源軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序設(shè)計(jì)

超聲電源接通電源后，需要進(jìn)行初始化操作，主要包括微控制器的時(shí)鐘、端口初始化、AD9958芯片初始化及顯示初始化等。初始化完畢后，電源立即輸出當(dāng)前設(shè)置的頻率和相位超聲電信號(hào)，之后判斷主程序是否需要修改信號(hào)的頻率和相位，若需要修改，則根據(jù)要修改的頻率和相位值，按照AD9958的寄存器格式，計(jì)算出AD9958的控制字并通過串行SPI接口將控制字傳送至AD9958內(nèi)部，改變其輸出信號(hào)的頻率和相位參數(shù)。之后，將更新后的頻率和相位值顯示在液晶顯示屏上。圖7給出了超聲電源的軟件主程序流程。

3.2AD9958讀寫程序

電源中對(duì)DDS芯片AD9958的操作是通過其串行接口實(shí)現(xiàn)的，圖8給出了AD9958的讀寫流程。

圖8　AD9958讀寫子程序流程

4　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了用于超聲懸浮的雙路輸出超聲電源，完成了超聲電源的硬件電路以及軟件程序設(shè)計(jì)。電源使用DDS芯片AD9958作為超聲信號(hào)的發(fā)生器件，可輸出頻率、幅值、相位獨(dú)立可調(diào)的雙路超聲功率信號(hào)，通過使用專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)上下橋臂的場效應(yīng)管進(jìn)行控制，有效地防止了上下橋臂直通現(xiàn)象的發(fā)生，提高了電源的穩(wěn)定性。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Design of the ultrasonic power with dual output based on AD9958

ZHANG Peng, ZHU Xiaoming, LI Jing, XU Lumei

(College of Electrical and Information Engineering,Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050,China)

This paper introduces a kind of ultrasonic power supply with dual signal output for ultrasonic levitation transportation. The power uses a 2-channel direct digital synthesis chip as the generating device of the ultrasonic signal,which is amplified, shaped and inputted with the half-bridge power amplification circuit. Finally, the power amplification circuit will output the power signal to drive the ultrasonic transducer. The frequency, amplitude and phase of the dual ultrasonic power signal can be independently adjusted. The adjustment of the amplitude is realized by changing the power supply voltage of the half-bridge circuit, and the adjustment of frequency and phase are realized by changing the parameters of the direct digital synthesis chip. In half-bridge power amplification circuit, the gate drive chip of which dead time can be set is used to control the field effect tube from the up and down bridge arm. This will prevent the shoot-through phenomenon of the bridge arm and improve the stability of the power supply.

ultrasonic；levitation；power；direct digital synthesis；half-bridge circuit

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.04.009

2016-03-24

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(12531561)

張鵬(1980-),男，副教授，研究方向：檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置.

TP23

A

1671-4679(2016)04-0041-06