网站首页 国升荣誉 产品中心 成功案例 技术资讯 资料下载 贵宾留言 联系我们
当前位置技术资讯 >> DDS的智能超声波电源
DDS的智能超声波电源

功率超声设备利用超声波的能量改变材料的某些状态,需要产生相当大或比较大的功率。超声波 功率源(或称发生器)向超声换能器提供连续的电能量,其性能特点直接影响着各种功率超声的研究工作。近年来,我国关于功率超声的研究十分热门,尤其是超声 化学和超声的生物效应,更是声学研究的热点。上述研究需要超声波具有高分辨率、高稳定性、大功率、频率大范围可调等特点,为此,研制了一种基于DDS技术 的超声波功率源,并已将其应用在实际的声学研究中。

1 系统原理及特点

系统原理如图1所示。用单片机AT89C51控制DDS芯片AD9850产生频率为1kHz~1MHz的波形信号;功率放大采用半桥放大方式,其中,功率开关使用MOSFET模块;通过输出变压器和电感组成的匹配网络驱动压电换能器激发超声波。

本系统的主要特点有:

(1)采用数字DDS技术产生波形信号,分辨率高、稳定性好、频率范围大,系统频率不会随工作时间出现漂移。

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

(3)采用变压器输出,通过串联谐振提高换能器两端电压,提高了电能的利用率。

(4)系统通过
2 系统硬件实现

2.1 DDS原理及电路实现

2.1.1 008电路工作原理

DDS技术是一种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。如图2所示,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和N位全加器的输出相加。在相位累加器的输出被锁存后,它就作为波形存储器的一 个寻址地址,该地址对应的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的输出信号频率由下式计算:

Fout=(△phase×FCLK)/2N     (1)

DDS的频率分辨率定义为:

Fout=FCLK/2N     (2)

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。本文采用的DDS芯片AD9850支持的时钟输入最高为125MHz,频率控制字的位数为32位[1]。 由式(2)可以计算出在125MHz时钟输入时分辨率为0.0219Hz。

图4

    2.1.2 DDS信号发生电路

波形信号发生电路原理框图如图3所示。整个电路以单片机AT89C51为控制核心,用并行输入的方式实现AD9850控制字的写入,同时实时处理键盘输入的各种命令,并控制显示输出。

图5

    AD9850 的输入时钟采用80MHz的晶振,根据式(2)可知系统的分辨率为0.0186Hz,频率范围可以从几Hz到几十MHz,但是整个系统的输出频率范围由后 级功率放大电路中的一些时间常数决定。将单片机的I/O口P1连接到AD9850的并行输入口,P3.4和P3.5联合控制单片机对AD9850的输入输 出。AD9850控制字写完之后,便输出相应频率的方波信号QOUT。图4为
    2.2 半桥功放电路及其驱动

AD9850产生的信号电流小,驱动能力弱,需经MOSFET栅极驱动芯片IR21844驱动后才能控制MOSFET模块。由于系统输出功率大,为提高驱动能力,并联使用四片IR21844。图5(a)为电路原理图。AD9850产生的信号QOUT经过一个三级管放大后输入IR21844,IR21844输出HO和LO两路反向信号,如图5(b)所示。Td为死区时间,防止半桥电路出现直通,通过电阻R7可以调节Td的大小,即调节开关管的开通关断时间,从而调节系统的输出功率。

    图6所示为系统的半桥功率放大电路,R1、R2为桥平衡电阻;C1、 C2为桥臂电容;R3、R4、C3、C4、D1、D2为桥开关吸收电路元件。其工作原理如下:两个反相的方波激励信号分别接到两个开关管的基极,当HO为 高电平,LO为低电平时,即t1时刻,J1导通,J2关闭,电流通过J1至变压器初级向电容C2充电,同时C1上的电荷向J1和变压器初级放电,从而在输 出变压器次级感应一个正半周期脉冲电压;当到达t2时刻时,J2被触发导通,J1关闭,电流通过电容C1和变压器初级充电,而C2的电荷也经由变压器初级 放电,在变压器次级感应一个负半周期脉冲电压,从而形成一个工作频率周期的功率放大波形。由于功放管工作在伏安特性曲线的饱和区或截止区,集电极功耗降到 最低限度,从而提高了放大器的能量转换效率,使之可达90%以上[2]。

功率开关器件选用日立公司的N通道功率MOSFET模块PM50502C,其 具有高功率、高转换速度、低导通阻抗、低驱动电流等特点,耐压值为500V,最大工作电流为100A(每一模块封装了两个独立的小模块,每一小模块的最大 工作电流为50A[3]。开关频率可达到500kHz。吸收电路采用RCD吸收电路,具有吸收效果好、电路相对简单等特点。

    2.3 匹配网络设计

在功率超声设备中,发生器与换能器的匹配设计非常重要,在很大程度上决定了超声设备能否正 常、高效地工作。超声波发生器与换能器的匹配包括两个方面:阻抗匹配和调谐匹配。匹配电路如图6虚线框中所示,半桥逆变输出经变压器耦合后通过电感连接到 换能器上,匹配设计即为输出变压器和匹配电感的设计。

    2.3.1 阻抗匹配

阻抗匹配使换能器的阻抗变换为最佳负载,即起阻抗变换作用。在电源电压给定的条件下,电源 输出的功率大小主要取决于等效负载阻抗。本文的半桥功率放大器与串联电压开关型D类功率放大器原理相同,晶体管都工作在开关状态,一般变压器初级等效负载 RL′,上的输出功率表达式为:

式中,Vcc为电源电压,Vces,为功放管饱和压降。

本文采用48V开关电源给半桥电路供电。根据实验需要,希望功率源输出功率为1500W,换能器采用多个并联的方式,等效阻抗RL约0.5Ω,由公式n/m=RL/RL′(m、n分别为变压器初、次级匝数)可以计算出输出变压器的匝数比n/m=3。

2.3.2 调谐匹配

调谐匹配使换能器两端的电压和电流同相,从而使效率最高,同时串联谐振可以提高换能器两端 电压,有利于对压电换能器激励。由于压电换能器存在静电电容C0,在换能器谐振状态时,换能器上的电压VRL与电流IRL间存在着一相位角ψ,其输出功率 P0=VRLIRLcosψ。由于ψ的存在,输出功率达不到最大值,要使电压VRL与电流IRL同相,可通过在换能器上并联或串联一个电感乙。来实现。

需要指出,换能器的相关参数皆在小信号状态下测得,与高电压下的实际应用有所差异,需要在实际工作中进行实验调节。

经过调谐匹配,换能器在超声功率源驱动下达到谐振。图7为用TDS1002示波器采集的换能器的激励电压波形(因量程所限,图示为正半周)。可见获得了纯净的正弦波,其峰—峰值接近1000V。

3 系统软件设计

软件设计主要是对单片机进行编程,实现LED显示、键盘输入、调节AD9850输出频率等控制。程序流程如图8所示。根据需要还要对单片机进行编程实现系统的智能控制,如扫描输出、输出定时等多种功能。

[来源:来自网络] [作者:不详] [日期:08-09-09]
地址:山东威海高区火炬路213号创业基地B432 电话0631-5661308 传真:0631-5661309 电邮:info@whguo.com 服务热线:186-0641-5657 鲁ICP备06036990
公司产品:超声波焊接机-超声波清洗机-超声波电源-超声波塑料焊接机-超声波金属焊接机-超声波点焊机-超声波切割机-超声波金属表面加工-超声波冲击-超声波提取
主要产品:超声波焊接机