??? 本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：
??? （1）采用數(shù)字DDS技術(shù)產(chǎn)生波形信號(hào),，分辨率高、穩(wěn)定性好,、頻率范圍大,，系統(tǒng)頻率不會(huì)隨工作時(shí)間出現(xiàn)漂移。
??? （2）功率放大器件采用大功率的MOSFET模塊,，功率可達(dá)2000W以上,。
??? （3）采用變壓器輸出,，通過(guò)串聯(lián)諧振提高換能器兩端電壓，提高了電能的利用率,。
??? （4）系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)串行口接收反饋或者其它數(shù)據(jù)的輸入,，利用編程實(shí)現(xiàn)智能控制。
2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
2.1 DDS原理及電路實(shí)現(xiàn)
2.1.1 DDS電路工作原理
??? DDS技術(shù)是一種用數(shù)字控制信號(hào)的相位增量技術(shù),，具有頻率分辨率高,、穩(wěn)定性好,、可靈活產(chǎn)生多種信號(hào)的優(yōu)點(diǎn),。基于DDS的波形發(fā)生器是通過(guò)改變相位增量寄存器的值Δphase(每個(gè)時(shí)鐘周期的度數(shù))來(lái)改變輸出頻率的,。如圖2所示,，每當(dāng)N位全加器的輸出鎖存器接收到一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，鎖存在相位增量寄存器中的頻率控制字" title="控制字">控制字就和N位全加器的輸出相加,。在相位累加器的輸出被鎖存后,，它就作為波形存儲(chǔ)器的一個(gè)尋址地址，該地址對(duì)應(yīng)的波形存儲(chǔ)器中的內(nèi)容就是一個(gè)波形合成點(diǎn)的幅度值,，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬值輸出,。當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，相位累加器的輸出又加一次頻率控制字,，使波形存儲(chǔ)器的地址處于所合成波形的下一個(gè)幅值點(diǎn)上,。最終，相位累加器檢索到足夠的點(diǎn)就構(gòu)成了整個(gè)波形,。

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??? DDS的輸出信號(hào)頻率由下式計(jì)算：
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??? 由于基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率一般固定,，因此相位累加器的位數(shù)決定了頻率分辨率，位數(shù)越多,，分頻率越高,。本文采用的DDS芯片AD9850支持的時(shí)鐘輸入最高為125MHz，頻率控制字的位數(shù)為32位^[1],。由式(2)可以計(jì)算出在125MHz時(shí)鐘輸入時(shí)分辨率為0.0219Hz,。
2.1.2? DDS信號(hào)發(fā)生電路
??? 波形信號(hào)發(fā)生電路原理框圖如圖3所示。整個(gè)電路以單片機(jī)AT89C51為控制核心,，用并行輸入的方式實(shí)現(xiàn)AD9850控制字的寫(xiě)入,，同時(shí)實(shí)時(shí)處理鍵盤(pán)輸入的各種命令，并控制顯示輸出,。

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??? AD9850的輸入時(shí)鐘采用80MHz的晶振,，根據(jù)式(2)可知系統(tǒng)的分辨率為0.0186Hz，頻率范圍可以從幾Hz到幾十MHz,，但是整個(gè)系統(tǒng)的輸出頻率范圍由后級(jí)功率放大電路中的一些時(shí)間常數(shù)決定,。將單片機(jī)的I/O口P1連接到AD9850的并行輸入口,，P3.4和P3.5聯(lián)合控制單片機(jī)對(duì)AD9850的輸入輸出。AD9850控制字寫(xiě)完之后,，便輸出相應(yīng)頻率的方波信號(hào)QOUT,。圖4為單片機(jī)與AD9850的電路連接圖。

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2.2 半橋功放電路及其驅(qū)動(dòng)
??? AD9850產(chǎn)生的信號(hào)電流小,，驅(qū)動(dòng)能力弱,，需經(jīng)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR21844驅(qū)動(dòng)后才能控制MOSFET模塊。由于系統(tǒng)輸出功率大,，為提高驅(qū)動(dòng)能力,，并聯(lián)使用四片IR21844。圖5（a）為電路原理圖,。AD9850產(chǎn)生的信號(hào)QOUT經(jīng)過(guò)一個(gè)三級(jí)管放大后輸入IR21844,，IR21844輸出HO和LO兩路反向信號(hào)，如圖5（b）所示,。T_d為死區(qū)時(shí)間,，防止半橋電路出現(xiàn)直通，通過(guò)電阻R7可以調(diào)節(jié)T_d的大小,，即調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間,，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出功率。

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??? 圖6所示為系統(tǒng)的半橋功率放大電路,，R1,、R2為橋平衡電阻；C1,、C2為橋臂電容,；R3、R4,、C3,、C4、D1,、D2為橋開(kāi)關(guān)吸收電路元件,。其工作原理如下：兩個(gè)反相的方波激勵(lì)信號(hào)分別接到兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的基極，當(dāng)HO為高電平,，LO為低電平時(shí),，即t1時(shí)刻，J1導(dǎo)通,，J2關(guān)閉,，電流通過(guò)J1至變壓器初級(jí)向電容C2充電，同時(shí)C1上的電荷向J1和變壓器初級(jí)放電,，從而在輸出變壓器次級(jí)感應(yīng)一個(gè)正半周期脈沖電壓,；當(dāng)?shù)竭_(dá)t2時(shí)刻時(shí),，J2被觸發(fā)導(dǎo)通，J1關(guān)閉,，電流通過(guò)電容C1和變壓器初級(jí)充電,，而C2的電荷也經(jīng)由變壓器初級(jí)放電，在變壓器次級(jí)感應(yīng)一個(gè)負(fù)半周期脈沖電壓,，從而形成一個(gè)工作頻率周期的功率放大波形,。由于功放管工作在伏安特性曲線的飽和區(qū)或截止區(qū)，集電極功耗降到最低限度,，從而提高了放大器的能量轉(zhuǎn)換效率,，使之可達(dá)90％以上^[2]。

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??? 功率開(kāi)關(guān)器件選用日立公司的N通道功率MOSFET模塊PM50502C,，其具有高功率,、高轉(zhuǎn)換速度,、低導(dǎo)通阻抗,、低驅(qū)動(dòng)電流等特點(diǎn)，耐壓值為500V,，最大工作電流為100A（每一模塊封裝了兩個(gè)獨(dú)立的小模塊,，每一小模塊的最大工作電流為50A^[3]）。開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到500kHz,。吸收電路采用RCD吸收電路,，具有吸收效果好、電路相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),。
2.3 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
??? 在功率超聲設(shè)備中,，發(fā)生器與換能器的匹配設(shè)計(jì)非常重要，在很大程度上決定了超聲設(shè)備能否正常,、高效地工作,。超聲波發(fā)生器與換能器的匹配包括兩個(gè)方面：阻抗匹配和調(diào)諧匹配。匹配電路如圖6虛線框中所示,，半橋逆變輸出經(jīng)變壓器耦合后通過(guò)電感連接到換能器上,，匹配設(shè)計(jì)即為輸出變壓器和匹配電感的設(shè)計(jì)。
2.3.1 阻抗匹配
??? 阻抗匹配使換能器的阻抗變換為最佳負(fù)載,，即起阻抗變換作用,。在電源電壓給定的條件下，電源輸出的功率大小主要取決于等效負(fù)載阻抗,。本文的半橋功率放大器與串聯(lián)電壓開(kāi)關(guān)型D類(lèi)功率放大器原理相同,，晶體管都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，一般變壓器初級(jí)等效負(fù)載R_L′上的輸出功率表達(dá)式為：
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式中,，V_cc為電源電壓,，V_ces為功放管飽和壓降,。
??? 本文采用48V開(kāi)關(guān)電源給半橋電路供電。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要,，希望功率源輸出功率為1500W,，換能器采用多個(gè)并聯(lián)的方式，等效阻抗R_L約0.5Ω,，（m,、n分別為變壓器初、次級(jí)匝數(shù)）可以計(jì)算出輸出變壓器的匝數(shù)比n/m=3,。
2.3.2 調(diào)諧匹配
??? 調(diào)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(shí)串聯(lián)諧振可以提高換能器兩端電壓,，有利于對(duì)壓電換能器激勵(lì),。由于壓電換能器存在靜電電容C₀，在換能器諧振狀態(tài)時(shí),，換能器上的電壓V_RL與電流I_RL間存在著一相位角,，其輸出功率P₀=V_RLI_RLcos。由于的存在,，輸出功率達(dá)不到最大值,，要使電壓V_RL與電流I_RL同相，可通過(guò)在換能器上并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)電感L₀來(lái)實(shí)現(xiàn),。
??? 需要指出,，換能器的相關(guān)參數(shù)皆在小信號(hào)狀態(tài)下測(cè)得，與高電壓下的實(shí)際應(yīng)用有所差異,，需要在實(shí)際工作中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié),。
??? 經(jīng)過(guò)調(diào)諧匹配，換能器在超聲功率源驅(qū)動(dòng)下達(dá)到諧振,。圖7為用TDS1002示波器采集的換能器的激勵(lì)電壓波形（因量程所限,，圖示為正半周）?？梢?jiàn)獲得了純凈的正弦波,，其峰-峰值接近1000V。

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