FPGA的智能超声波功率源的设计

【Word版本下载可任意编辑】 FPGA的智能超声波功率源的设计 关键字：直接数字合成 可编程逻辑门阵列 超声波 近年来,超声波在工业中的应用不断涌现,比方超声波探伤,超声波清洗等等。伴随着超声研究的热门，如何有效的产生符合要求的超声波功率源也变的迫切起来，其性能特点直接影响着超声的研究工作。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，本文提出了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的DDS技术用来产生超声波功率源的方案，并已将其应用在实际的声学研究中。 一.系统原理及特点 系统原理如图1所示。用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片，通过直接数字频率合成(DDS)技术产生频率为1kHz100kHz的波形信号；功率放大采用功放模块；功率放模块的输出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。 (3)查找表的构造 本系统将累加器的高8位作为查表表的地址，其中高两位用来确定象限。 在FPGA中，正弦表是用ROM来实现的，为了节省资源，考虑到正弦波的对称性，实际上只需要存储正弦值在第一象限的值，如图4所示。查找表的逻辑流程如图5。 2.3 DA转换电路的实现 本系统中，考虑到系统在高频时要求DA的转换速度较快，所以选用了DA公司的AD9750，它是10位的DA芯片，具有125MSPS的转换速度，其典型接法如图6： 2.4滤波放大及阻抗匹配的实现 考虑到系统中的超声波的频率范围大概处于1k至100k之间，所以前向滤波采用的是Sallen-Key Low-Pass Filter滤波器，其电路构造如图7所示。 为了使系统能高效稳定的工作，我们选用了集成功率放大模块D-500W。 在超声波功率源的设计中，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。阻抗匹配使换能器的阻抗变换为最正确负载，即起阻抗变换作用。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。 本系统中的阻抗匹配采用的是一个高频变压器，功放的输出经过高频变压器的耦合以后加在超声波换能器上，如图8所示，取得了较好的匹配效果。 三 试验结果 试验中采用的超声波换能器的参数如下： 谐振频率f(KH) 49.05等效阻抗R（）73.9静电容C0（nf）4.94， FPGA产生的正弦波的频率设定位49.5KHz,测得的功放的输出电压和换能器两端的输入电压的波形如下列图所示 可见，系统在高频下的波形较为稳定，且可在较高的功率下连续工作，获得了较为完好的波形。 3 / 3