基于DDS的超聲驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龐宇 袁鵬飛 陽妙

摘? 要： 針對超聲驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)工作易失諧，傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生方式頻率易漂移、精度低等問題，提出一種基于DDS的超聲理療儀驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控平臺(tái)，利用DDS信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生超聲激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)功率放大器處理后，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高穩(wěn)定和高精度。驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)后端采用串聯(lián)匹配電路進(jìn)行阻抗匹配，并利用鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率跟蹤。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試表明，該系統(tǒng)具有輸出功率穩(wěn)定、輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率自動(dòng)調(diào)整、工作安全等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 超聲驅(qū)動(dòng)電源; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 信號(hào)處理; 阻抗匹配; 頻率跟蹤; 系統(tǒng)測試

中圖分類號(hào)： TN752.6?34; TP318.6? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）10?0018?03

Design of ultrasonic driving power supply system based on DDS

PANG Yu， YUAN Pengfei， YANG Miao

（Chongqing Key Laboratory of Optoelectronic Information Sensing and Transmission Technology，

Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract： In allusion to the problems that the driving power supply system is easy to detuned， the frequency of the traditional signal generation mode is easy to drifting， and the precision is low， a DDS?based driving power supply design of ultrasonic physiotherapy instrument is proposed. In the driving power supply system， the STM32 single?chip is used as the master control platform， and DDS signal generator is used to generate ultrasonic excitation signal， which is processed by the power amplification to realize the high stability and high precision of driving signal. The series matching circuit is applied to the back end of the driving power system for the impedance matching， and the phase?locked loop technology is used for the frequency tracking of ultrasonic driving signal. The experimental results show that the ultrasonic driving power system has the features of stable output power， automatic frequency adjustment of output driving signal， safe operation and so on.

Keywords： ultrasonic driving power supply; system design; signal processing; impedance matching; frequency tracking; system testing

0? 引? 言

傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器工作不穩(wěn)定，信號(hào)頻率和占空比不易調(diào)節(jié)，頻率上限低，而超聲驅(qū)動(dòng)電源要求能夠輸出頻率具有連續(xù)的、穩(wěn)定的和可調(diào)的電壓信號(hào)。在實(shí)際工作過程中，由于系統(tǒng)環(huán)境的變化，換能系統(tǒng)的固有諧振頻率會(huì)發(fā)生漂移，導(dǎo)致?lián)Q能系統(tǒng)工作于非諧振點(diǎn)，使得系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率降低，換能器大量積熱。

為此，本文將STM32L151C8T6作為核心控制器，基于直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)，設(shè)計(jì)一種超聲驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)。系統(tǒng)后端采用串聯(lián)匹配電路進(jìn)行電路阻抗匹配，同時(shí)比較不同跟蹤方法，選取鎖相環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)跟蹤。

1? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為超聲驅(qū)動(dòng)電源總體框架。圖中虛線框內(nèi)是驅(qū)動(dòng)電源的主要組成部分，包括直流電源、主控制器電路、信號(hào)發(fā)生電路、功率放大電路、阻抗匹配電路、過溫保護(hù)電路和相位檢測電路;虛線框外為人機(jī)交互部分和負(fù)載部分。

1.1? 電源控制電路

驅(qū)動(dòng)電源控制板有三種電壓制式：功率管供電（12 V）、信號(hào)發(fā)生器供電（5 V）、主控芯片供電（3.3 V）。12 V可充電鋰電池直接為功率放大電路供電;信號(hào)發(fā)生電路通過線性穩(wěn)壓芯片LM7805將12 V電壓轉(zhuǎn)化為5 V進(jìn)行供電;主控芯片電路采用穩(wěn)壓芯片TLV70033將5 V電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V進(jìn)行供電。

1.2? DDS信號(hào)發(fā)生電路

本文采用AD9833信號(hào)發(fā)生器，其電路連接如圖2所示。通過串行總線連接主控制器，將主控制引腳配置成SPI總線模式配合AD9833進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用16 MHz有源晶振，輸出信號(hào)頻率上限可達(dá)64 MHz。

1.3? 阻抗匹配電路

超聲換能器作為驅(qū)動(dòng)電源的負(fù)載，其阻抗特征常呈容性，容性阻抗的存在會(huì)使得系統(tǒng)的無功功率增加，故需在驅(qū)動(dòng)電源和換能器之間進(jìn)行阻抗匹配。本文選用串聯(lián)電感的方式來抵消換能器容性阻抗的影響，其等效電路如圖3所示。

圖3右端回路為換能器等效電路，其中[Cn]為換能器的靜態(tài)電容，[Lm，Rm，Cm]是由換能器質(zhì)量、機(jī)械損耗近似折算過來的等效參數(shù)。當(dāng)換能器工作于諧振狀態(tài)下時(shí)，換能器端呈純阻性，基于此串聯(lián)支路阻抗可用[Rm]近似。系統(tǒng)的整體阻抗為：

[Z=Rm1+wsCnRm2+jwsL1-wsCnR2m1+wsCnRm2] （1）

式中，[ws=2πfs]。由諧振狀態(tài)下?lián)Q能器阻抗呈純阻性可得到串聯(lián)電感[L1]的大小為：

[L1=C0R2m1+wsCnRm2]? ? ? ? ? ?（2）

串聯(lián)匹配電路總阻抗為：

[Z=Rm1+wsCnRm2]? ? ? ? ? ? （3）

本文選用平面壓電陶瓷片作為超聲換能器，換能器參數(shù)如表1所示。

根據(jù)上述公式可計(jì)算出串聯(lián)電感[L1]為10 μH。

1.4? 功率放大電路

由于AD9833輸出激勵(lì)信號(hào)強(qiáng)度不足以驅(qū)動(dòng)超聲換能器，故需將激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大。功率放大電路如圖4所示，超聲激勵(lì)信號(hào)經(jīng)邏輯芯片74HC74D分頻濾波處理后，送入柵極驅(qū)動(dòng)芯片UCC27525進(jìn)行后續(xù)放大。經(jīng)放大處理后的超聲驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)可達(dá)40 V，可直接驅(qū)動(dòng)超聲換能器工作。通過單片機(jī)產(chǎn)生PWM波控制柵極驅(qū)動(dòng)器使能端，實(shí)現(xiàn)對超聲輸出功率的間接控制。

2? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 鎖相環(huán)頻率控制的實(shí)現(xiàn)

超聲驅(qū)動(dòng)電源工作在非諧振狀態(tài)下時(shí)，換能器兩端的電流電壓信號(hào)相位會(huì)發(fā)生偏差。根據(jù)這一原理，本設(shè)計(jì)采用鎖相環(huán)（PLL）控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)頻率控制。鎖相環(huán)控制的原理如圖5所示。

鎖相環(huán)主要分為三部分：鑒相器（PD）、低通濾波器（LF）和壓電振蕩器（VCO），DIV為分頻器。鑒相器的作用是比較輸入其中的兩路信號(hào)的相位信息，并且輸出一個(gè)相位差的電壓信號(hào)。壓電振蕩器是一種電壓頻率轉(zhuǎn)換裝置，輸入電壓信號(hào)決定了輸出頻率的大小，當(dāng)電壓信號(hào)隨著頻率的調(diào)節(jié)而逐漸變小時(shí)，說明相位差也在逐步縮小，直至電壓信號(hào)消失，環(huán)路鎖定。鎖相環(huán)控制精確程度取決于鑒相電路性能的好壞，本文設(shè)計(jì)的鑒相電路如圖6所示。

圖中，U1和U2為過零比較器，作用是將輸入同頻率的電壓信號(hào)和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為同周期的方波信號(hào)，U3和U4為兩個(gè)反相器。若D觸發(fā)器輸出端1Q輸出為邏輯高電平，則電流超前電壓;若為邏輯低電平，則電流滯后電壓。U5為與非門，則U5輸出信號(hào)的占空比反映了兩方波信號(hào)相位的誤差大小。當(dāng)輸出信號(hào)的占空比為50%時(shí)，表示兩方波此時(shí)同向。

2.2? 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件控制流程如圖7所示。系統(tǒng)上電以后，首先進(jìn)行中斷復(fù)位、啟動(dòng)代碼配置、系統(tǒng)時(shí)鐘和中斷分組控制器初始化，然后進(jìn)行各個(gè)模塊所用資源初始化。在完成初始化以后，系統(tǒng)就進(jìn)入周期性輪詢狀態(tài)，主要是掃描按鍵輸入。

系統(tǒng)子模塊（包括功率控制、頻率自動(dòng)跟蹤和過溫保護(hù)等軟件模塊）的功能均以子程序形式在中斷函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，這樣可以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和軟件整體的層次性。

3? 測試結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)中的超聲驅(qū)動(dòng)電源的可行性和超聲產(chǎn)生效果，基于上述的設(shè)計(jì)方案制作了一款超聲驅(qū)動(dòng)電源。超聲驅(qū)動(dòng)電源控制板如圖8所示。

設(shè)定DDS信號(hào)發(fā)生器的初始信號(hào)頻率為2 MHz，并利用示波器測量激勵(lì)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形。測試波形如圖9所示，激勵(lì)信號(hào)方波占空比為50%，頻率為2 MHz。該驅(qū)動(dòng)正弦波頻率為1 MHz，波形無畸變，說明裝置工作穩(wěn)定。

4? 結(jié)? 語

本文設(shè)計(jì)一款以STM32為主控制器的超聲驅(qū)動(dòng)電源，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生采用直接數(shù)字式頻率合成技術(shù);分析換能器的電路結(jié)構(gòu)，采用串聯(lián)匹配電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)電路阻抗匹配;功率放大利用柵極驅(qū)動(dòng)芯片和Boost電路來實(shí)現(xiàn)。頻率跟蹤利用鎖相環(huán)技術(shù)（PLL）來實(shí)現(xiàn)頻率控制。經(jīng)過試驗(yàn)測試表明，本裝置能夠輸出穩(wěn)定、功率和頻率可調(diào)的超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)，有很好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 李夏林，朱武.基于DDS技術(shù)的超聲電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，33（1）：81?85.

[2] 屈百達(dá)，倪正龍.基于Fuzzy?DDS的超聲換能器頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)[J].壓電與聲光，2014，36（1）：156?158.

[3] 余建，趙小勇，賀良國，等.基于Boost拓?fù)涞氖殖质匠暤厄?qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2018，35（8）：863?867.

[4] WANG H P， WANG F， WANG Q， et al. Design and implementation of ultrasonic detection system based on substation inspection robot [J]. Manufacturing automation， 2012， 15： 10?17.

[5] 徐曉偉.壓電超聲換能器的阻抗匹配分析[J].壓電與聲光，2014，36（5）：745?747.

[6] 陳鵬，覃慶良，馮宇平.頻率自動(dòng)跟蹤超聲波電源設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用聲學(xué)，2017，36（6）：533?539.

[7] 周愛愛.基于DSP控制的超聲波脈沖電源系統(tǒng)的研究[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2016.

[8] 林書玉.超聲技術(shù)的基石：超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)[J].物理，2009，38（3）：141?148.

[9] 王磊，王時(shí)英.壓電換能器T型匹配電路的優(yōu)化[J].壓電與聲光，2014，36（5）：861?864.

[10] 潘鵬翔，林偉，施淑媛，等.基于DDS的超聲波按摩儀的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2018，14（5）：257?259.