近年來,超聲波技術在工業(yè)中的應用不時涌現(xiàn),比如超聲波焊接機,超聲波清洗機等等。伴隨著超聲技術的普及，超聲波發(fā)生器其性能特性直接影響著超聲應用的工作。上述需求需要超聲波具有高能量、大功率、高穩(wěn)定性、頻率大范圍可調等特性，為此，本文提出了一種基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA DDS技術用來發(fā)作超聲波功率源的計劃，并已將其應用在實踐的聲學研討中。
一．系統(tǒng)原理及特性
用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA芯片，經過直接數字頻率合成(DDS技術發(fā)作頻率為1kHz100kHz波形信號；功率放大采用功放模塊；功率放模塊的輸出經過輸出變壓器和電感組成的匹配網絡驅動壓電換能器激起超聲波。
本系統(tǒng)的主要特性有
1用數字DDS技術發(fā)作波形信號，分辨率高、穩(wěn)定性好、頻率范圍大，系統(tǒng)頻率不會隨工作時間呈現(xiàn)漂移。
2功率放大功放模塊，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，功率可達500W左右。
3系統(tǒng)經過上位機串行口輸入控制數據或接納反應，操作靈敏便當。
二．系統(tǒng)硬件完成
2.1DDS原理及電路完成 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(wěn)定性好、可靈敏發(fā)作多種信號的優(yōu)點。智能型超聲波發(fā)生器的設計基于DDS波形發(fā)作器是經過改動相位增量存放器的值△phase每個時鐘周期的度數)來改動輸出頻率的如圖2所示，每當N位全加器的輸出鎖存器接納到一個時鐘脈沖時，鎖存在相位增量存放器中的頻率控制字就和N位全加器的輸出相加。相位累加器的輸出被鎖存后，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 轉換變成模仿值輸出。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輸出信號頻率由下式計算：
Fout=△phaseFCLK/2N1
DDS頻率分辨率定義為：
Fout=FCLK/2N2
由于基準時鐘的頻率普通固定，因而相位累加器的位數決議了頻率分辨率，位數越多，分頻率越高。
2.2DDSFPGA 完成
FPGA 現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）從80年代中期開端呈現(xiàn)的一種新的可編程器件，編程方式先進高速，能夠在線編程修正，普通工作頻率能夠到達100MHz所以在數字電路設計范疇得到越來越普遍的應用。本系統(tǒng)中采用Altera公司的cyclon系列的FPGA 停止DDS設計，采用的芯片是EP1C3T144C8
1相位字存放器
一個24位的并行輸入并行輸出存放器，用來寄存24位的相位值，即頻率控制字，系統(tǒng)工作時，能夠經過上位機的串口輸入頻率控制字。
2相位累加器
相位累加器用于對代表頻率的相位字停止累加運算，智能型超聲波發(fā)生器的設計相位字的值決議了輸出信號的頻率。
如圖3本系統(tǒng)中的累加器采用的24位的構造，假如直接采用很寬位數的加法器構成累加器，則加法器的延時會大大的限制累加器的操作速度，所以采用的3個8位的累加器級連的構造，每一級采用一個小的累加器完成部分位的累加，然后再將進位值傳給下一級做進一步的累加，從而進步了系統(tǒng)的運算速度。 3查找表的構造
本系統(tǒng)將累加器的高8位作為查表表的地址，其中高兩位用來肯定象限。
FPGA 中，正弦表是用ROM來完成的為了儉省資源，思索到正弦波的對稱性，實踐上只需求存儲正弦值在第一象限的值，如圖4所示。查找表的邏輯流程如圖5
2.3DA 轉換電路的完成
本系統(tǒng)中，思索到系統(tǒng)在高頻時請求DA 轉換速度較快，所以選用了DA公司的AD975010位的DA 芯片，具有125MSPS轉換速度，其典型接法如圖6
2.4濾波放大及阻抗匹配的完成
思索到系統(tǒng)中的超聲波的頻率范圍大約處于1k至100k之間，所以前向濾波采用的Sallen-KeiLow-PassFilter濾波器，其電路構造如圖7所示。
為了使系統(tǒng)能高效穩(wěn)定的工作，選用了集勝利率放大模塊D-500W
超聲波功率源的設計中，發(fā)作器與換能器的匹配設計十分重要，智能型超聲波發(fā)生器的設計很大程度上決議了超聲設備能否正常、高效地工作。超聲波發(fā)作器與換能器的匹配包括兩個方面：阻抗匹配和調諧匹配。阻抗匹配使換能器的阻抗變換為最佳負載，即起阻抗變換作用。調諧匹配使換能器兩端的電壓和電流同相，從而使效率最高，同時串聯(lián)諧振能夠進步換能器兩端電壓，有利于對壓電換能器鼓勵。本系統(tǒng)中的阻抗匹配采用的一個高頻變壓器，功放的輸出經過高頻變壓器的耦合以后加在超聲波換能器上，如圖8所示，獲得了較好的匹配效果。
三 實驗結果
實驗中采用的超聲波換能器的參數如下：智能型超聲波發(fā)生器的設計諧振頻率fKH49.05等效阻抗RΩ）73.9靜電容C0nf4.94FPGA 發(fā)作的正弦波的頻率設定位49.5KHz,測得的功放的輸出電壓和換能器兩端的輸入電壓的波形如下圖所示。
可見，系統(tǒng)在高頻下的波形較為穩(wěn)定，且可在較高的功率下連續(xù)工作，取得了較為完好的波形。
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