基于FPGA與DDS技術(shù)的可調(diào)超聲波驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

張興紅，蔡 偉，邱 磊，陳 鑫，何 濤

(1．重慶理工大學(xué)，時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shù)的可調(diào)超聲波驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

張興紅1，蔡 偉2，邱 磊1，陳 鑫1，何 濤1

(1．重慶理工大學(xué)，時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)電源存在激勵(lì)信號(hào)單一、頻率范圍窄、專(zhuān)機(jī)專(zhuān)用等問(wèn)題，結(jié)合DDS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及FPGA的可編程性的特點(diǎn),提出了一種以FPGA為控制核心，基于DDS技術(shù)的可以通用的超聲波驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)的超聲波驅(qū)動(dòng)電源可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波4種激勵(lì)信號(hào)，并通過(guò)對(duì)DDS頻率控制字的調(diào)整可以有效實(shí)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(shí)現(xiàn)了電源功率的方法與可調(diào)。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的超聲波驅(qū)動(dòng)電源可以實(shí)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(dòng)應(yīng)用于超聲波精密測(cè)量領(lǐng)域的超聲波換能器。

超聲換能器；驅(qū)動(dòng)電源；FPGA；DDS

0 引言

超聲波驅(qū)動(dòng)電源是是整個(gè)超聲測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)[1]，其實(shí)質(zhì)是用于產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)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(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大以后再通過(guò)匹配電路與換能器阻抗匹配，從而驅(qū)動(dòng)換能器工作，即為超聲波換能器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)超聲波換能器后轉(zhuǎn)換成所需要的聲場(chǎng)，將電信號(hào)變換為機(jī)械振動(dòng)信號(hào)以使超聲波換能器正常工作[2]。目前國(guó)內(nèi)的超聲波驅(qū)動(dòng)電源存在頻率范圍窄，激勵(lì)信號(hào)單一，專(zhuān)機(jī)專(zhuān)用等問(wèn)題，研制一種可滿足不同信號(hào)類(lèi)別、不同諧振頻率、不同驅(qū)動(dòng)功率，能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的超聲波可調(diào)驅(qū)動(dòng)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(shù)設(shè)計(jì)了一種超聲波可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源，該驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)波形可選、頻率可調(diào)、功率可調(diào)，其可以實(shí)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(dòng)應(yīng)用于超聲波精密測(cè)量領(lǐng)域的超聲波換能器。

1 超聲波可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源的系統(tǒng)組成

超聲波可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源的原理框圖如圖1所示，其主要由信號(hào)源、功率放大模塊和阻抗匹配等3部分組成[3]。信號(hào)源部分是采用FPGA為核心的信號(hào)發(fā)生器和控制部分，信號(hào)放大模塊是將信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)放大后輸出給超聲波換能器。換能器網(wǎng)絡(luò)匹配是指換能器與驅(qū)動(dòng)電源之間的參數(shù)匹配，匹配網(wǎng)絡(luò)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(dòng)電源的原理結(jié)構(gòu)框圖

超聲波驅(qū)動(dòng)電源的工作原理是當(dāng)外部按鍵設(shè)置好輸入的波形種類(lèi)及頻率值后，經(jīng)過(guò)FPGA內(nèi)控制模塊譯碼使能對(duì)應(yīng)的DDS模塊輸出相應(yīng)的信號(hào)，由于構(gòu)建于FPGA內(nèi)部的DDS模塊輸出的激勵(lì)信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，因此需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將該信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路消除其中的雜散分量。但此時(shí)信號(hào)比較弱，需要功率放大器將已經(jīng)消除雜散分量的信號(hào)進(jìn)行功率放大，并通過(guò)變壓器與換能器進(jìn)行阻抗匹配，從而驅(qū)動(dòng)換能器工作。由于外接晶振的信號(hào)時(shí)鐘并不絕對(duì)穩(wěn)定，因此引入數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)來(lái)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行鎖相優(yōu)化，以提高在該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)的精度。為實(shí)現(xiàn)功率可調(diào)采用信號(hào)發(fā)生源與放大電路結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA控制功率放大電路放大倍數(shù)(粗調(diào))，同時(shí)在FPGA內(nèi)部采用幅值控制算法在相應(yīng)區(qū)間對(duì)FPGA內(nèi)部產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)生器幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)(細(xì)調(diào))，實(shí)現(xiàn)了超聲波功率的精確控制。

2 超聲波可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源的實(shí)現(xiàn)

本文中所設(shè)計(jì)的超聲波可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源采用的是基于FPGA的直接頻率合成技術(shù)(DDS)。通過(guò)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(shí)現(xiàn)高分辨率頻率可調(diào)與波形可切換的信號(hào)發(fā)生源，同時(shí)FPGA通過(guò)幅值控制算法控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電平大小并通過(guò)對(duì)功率放大器的控制實(shí)現(xiàn)功率的高準(zhǔn)確度控制。基于以FPGA為核心的的信號(hào)發(fā)生源與信號(hào)功率放大電路的相互協(xié)作可以實(shí)現(xiàn)超聲波換能器可調(diào)驅(qū)動(dòng)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(shù)的信號(hào)發(fā)生器

本設(shè)計(jì)要求實(shí)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(shù)設(shè)計(jì)的信號(hào)源能在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行精細(xì)的頻率調(diào)節(jié)，實(shí)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(shí)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(diǎn)[5]。DDS是根據(jù)Nyquist采樣定理，通過(guò)查找法產(chǎn)生波形。將模擬信號(hào)離散化，然后以二進(jìn)制形式存放在存儲(chǔ)器中。當(dāng)需要該信號(hào)時(shí)，以一定的速率重復(fù)從存儲(chǔ)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(hào),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(shí)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(dāng)k為1時(shí)，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(dòng)時(shí)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(dá)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(yīng)為20 MHz,當(dāng)頻率控制字為k=0時(shí)，對(duì)應(yīng)于DDS的輸出頻率下限輸出信號(hào)頻率為0 Hz，則DDS輸出頻率的最大范圍為0～20 MHz，通過(guò)控制DDS頻率控制字k的大小，完全可以實(shí)現(xiàn)頻率在20 kHz～1 MHz范圍內(nèi)任意可調(diào)。

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)所接換能器負(fù)載的不同，有的可能需要不同的激勵(lì)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)，因此在超聲波可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)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(dòng)需要通過(guò)控制波形選擇對(duì)波形的種類(lèi)進(jìn)行簡(jiǎn)便的波形切換，從而使驅(qū)動(dòng)電路可以有效地應(yīng)用于不同種類(lèi)的換能器驅(qū)動(dòng)。

2．2 放大電路設(shè)計(jì)

FPGA完成信號(hào)合成與控制后將信號(hào)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(hào)。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(yīng)用。由于AD9760是電流輸出型，信號(hào)源輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)AD9760轉(zhuǎn)換后變成模擬信號(hào)，其經(jīng)過(guò)負(fù)載電阻之后轉(zhuǎn)變成電壓輸出信號(hào)，輸出的信號(hào)非常小，為了驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作，必須對(duì)小信號(hào)進(jìn)行功率放大。為保證足夠的功率驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作，同時(shí)實(shí)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(dòng)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(shí)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(hào)越多，所以在實(shí)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(hào)的可控性相結(jié)合可以達(dá)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(hào)預(yù)處理與模擬信號(hào)放大器各自的優(yōu)點(diǎn)，采用軟件硬件相結(jié)合，利用分段放大算法實(shí)現(xiàn)電壓連續(xù)可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓，從而實(shí)現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)。在保證足夠功率的同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電流恒定時(shí)，電壓的可調(diào)幅值分辨率達(dá)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(shí)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(hào)；DG為數(shù)字信號(hào)幅度值控制字；AG為放大器的放大倍數(shù)。

通過(guò)該方法可實(shí)現(xiàn)0～10 V電壓幅度值可調(diào)的功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用FPGA芯片EP2C5T144C8作為超聲波驅(qū)動(dòng)電源的核心控制芯片，以Altera的Quartus II軟件提供了完整的設(shè)計(jì)平臺(tái)通過(guò)使用硬件描述語(yǔ)言Verilog來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)。波形選擇控制信號(hào)名為mode，通過(guò)兩位控制信號(hào)線來(lái)實(shí)現(xiàn)4種波形信號(hào)的輸出選擇，兩位控制信號(hào)按二進(jìn)制表示，其數(shù)值為“0，1，2，3”，即當(dāng)用戶鍵盤(pán)輸入按0時(shí)產(chǎn)生鋸齒波，按1時(shí)產(chǎn)生正弦波，按2時(shí)產(chǎn)生方波，按3 時(shí)產(chǎn)生三角波。將信號(hào)發(fā)生器的頻率控制與波形控制結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)頻率與波形的自由控制。在該開(kāi)發(fā)軟件下設(shè)計(jì)的總體軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)流程圖

實(shí)現(xiàn)步驟如下：

首先，硬件上電開(kāi)始工作先進(jìn)入初始化設(shè)置，F(xiàn)PGA在50 MHz的系統(tǒng)時(shí)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(guò)功能控制模塊判斷鍵盤(pán)的操作，當(dāng)鍵盤(pán)鍵入指令時(shí)對(duì)鍵盤(pán)命令進(jìn)行識(shí)別，并執(zhí)行相應(yīng)的操作命令。該操作命令主要有3個(gè)部分：頻率調(diào)節(jié)、波形選擇和功率調(diào)節(jié)，具體參見(jiàn)本章的鍵盤(pán)預(yù)處理設(shè)計(jì)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(yīng)的操作。例如，在第二步時(shí)如得到正弦波的波形控制字，則將通過(guò)該信號(hào)使能正弦信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生數(shù)字正弦波信號(hào)。其他具體控制字操作參看信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)部分。

最后，在各控制信息的下，各功能模塊按設(shè)置好的信號(hào)發(fā)生器的各種參數(shù)開(kāi)始產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)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(hào)與所設(shè)定值一致。

4 超聲波驅(qū)動(dòng)電源功能的驗(yàn)證

超聲波可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源具有頻率可調(diào)、波形可選、功率可調(diào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中搭建了測(cè)試仿真平臺(tái)來(lái)對(duì)其功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)設(shè)計(jì)要求信號(hào)發(fā)生部分能夠產(chǎn)生4種基本的波形，按鍵輸入為0時(shí)產(chǎn)生鋸齒波、按鍵輸入為1時(shí)產(chǎn)生正弦波、按鍵輸入為2時(shí)產(chǎn)生方波、按鍵輸入為3時(shí)三角波。仿真實(shí)驗(yàn)表明：能成功產(chǎn)生這4種基本的波形并實(shí)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(guò)按鍵控制切換到了頻率為40 kHz、幅值為5 V的方波信號(hào)。在此過(guò)程中頻率控制字F_KEY向左移動(dòng)了一位即增加了2倍信號(hào)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(yàn)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(zhǔn)確控制，通過(guò)換算可知其分辨率小于1 Hz。

圖6 40 kHz,5 V的方波激勵(lì)信號(hào)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(hào)，在此過(guò)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(hào)預(yù)處理模塊AMP_C來(lái)進(jìn)行控制，通過(guò)與圖5對(duì)比分析可知預(yù)處理模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)DGOUT首先進(jìn)行了0．7倍的幅值控制，然后再由放大器進(jìn)行5倍信號(hào)放大實(shí)現(xiàn)3．5 V信號(hào)的產(chǎn)生，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(lì)信號(hào)

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)在常用的超聲波驅(qū)動(dòng)電源所存在的不足，基于FPGA與DDS技術(shù)設(shè)計(jì)了一種超聲波可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源，該電源具有以下特點(diǎn)：

(1)通過(guò)外接按鍵預(yù)置頻率控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電源頻率可調(diào)。

(2)為保證足夠的功率驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率可調(diào)，使用可編程增益放大器AD8250來(lái)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(shí)現(xiàn)電壓連續(xù)可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓，從而實(shí)現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)。

(3)設(shè)計(jì)的超聲波驅(qū)動(dòng)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(jìn)行波形選擇。

通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超聲波驅(qū)動(dòng)電源可以實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)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(yīng)用于精密超聲波測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)的各種超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)。在超聲波流量計(jì)、超聲波溫度計(jì)、超聲波探傷等精密超聲波測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用上具有良好的工程應(yīng)用前景。

[1] 涂曉凱,吳彥,李國(guó)鋒,等．一種高頻超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)．電子測(cè)量技術(shù),2009,32(4)：23-25．

[2] 杜曉明，基于FPGA的自適應(yīng)大功率超聲信號(hào)源的設(shè)計(jì)：[學(xué)位論文]．鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2010：10-15．

[3] 高松巍，李冰,邢燕好．一種基于DDS技術(shù)的電磁超聲激勵(lì)電源，現(xiàn)代電子技術(shù)，2009,32(13)：：5-7．

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[7] 黃志偉．全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京：北京航空航天大學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275551)；重慶市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)。