??? 本系統(tǒng)的主要特點有：
??? （1）采用數(shù)字DDS技術(shù)產(chǎn)生波形信號，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)通過單片機串行口接收反饋或者其它數(shù)據(jù)的輸入,，利用編程實現(xiàn)智能控制,。
2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
2.1 DDS原理及電路實現(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)生多種信號的優(yōu)點?；贒DS的波形發(fā)生器是通過改變相位增量寄存器的值Δphase(每個時鐘周期的度數(shù))來改變輸出頻率的,。如圖2所示，每當(dāng)N位全加器的輸出鎖存器接收到一個時鐘脈沖時,，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，它就作為波形存儲器的一個尋址地址,，該地址對應(yīng)的波形存儲器中的內(nèi)容就是一個波形合成點的幅度值,，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(gòu)成了整個波形,。

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??? DDS的輸出信號頻率由下式計算：
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??? 由于基準(zhǔn)時鐘的頻率一般固定，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)可以計算出在125MHz時鐘輸入時分辨率為0.0219Hz。
2.1.2? DDS信號發(fā)生電路
??? 波形信號發(fā)生電路原理框圖如圖3所示,。整個電路以單片機AT89C51為控制核心,，用并行輸入的方式實現(xiàn)AD9850控制字的寫入,，同時實時處理鍵盤輸入的各種命令,，并控制顯示輸出,。

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??? AD9850的輸入時鐘采用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,，但是整個系統(tǒng)的輸出頻率范圍由后級功率放大電路中的一些時間常數(shù)決定。將單片機的I/O口P1連接到AD9850的并行輸入口,，P3.4和P3.5聯(lián)合控制單片機對AD9850的輸入輸出,。AD9850控制字寫完之后，便輸出相應(yīng)頻率的方波信號QOUT,。圖4為單片機與AD9850的電路連接圖,。

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2.2 半橋功放電路及其驅(qū)動
??? AD9850產(chǎn)生的信號電流小，驅(qū)動能力弱,，需經(jīng)MOSFET柵極驅(qū)動芯片IR21844驅(qū)動后才能控制MOSFET模塊,。由于系統(tǒng)輸出功率大，為提高驅(qū)動能力,，并聯(lián)使用四片IR21844,。圖5（a）為電路原理圖。AD9850產(chǎn)生的信號QOUT經(jīng)過一個三級管放大后輸入IR21844,，IR21844輸出HO和LO兩路反向信號,，如圖5（b）所示。T_d為死區(qū)時間,，防止半橋電路出現(xiàn)直通,，通過電阻R7可以調(diào)節(jié)T_d的大小，即調(diào)節(jié)開關(guān)管的開通關(guān)斷時間,，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為橋開關(guān)吸收電路元件,。其工作原理如下：兩個反相的方波激勵信號分別接到兩個開關(guān)管的基極,，當(dāng)HO為高電平,，LO為低電平時，即t1時刻,，J1導(dǎo)通,，J2關(guān)閉，電流通過J1至變壓器初級向電容C2充電,，同時C1上的電荷向J1和變壓器初級放電,，從而在輸出變壓器次級感應(yīng)一個正半周期脈沖電壓；當(dāng)?shù)竭_(dá)t2時刻時,，J2被觸發(fā)導(dǎo)通,，J1關(guān)閉，電流通過電容C1和變壓器初級充電,，而C2的電荷也經(jīng)由變壓器初級放電,，在變壓器次級感應(yīng)一個負(fù)半周期脈沖電壓，從而形成一個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)動電流等特點,，耐壓值為500V,，最大工作電流為100A（每一模塊封裝了兩個獨立的小模塊，每一小模塊的最大工作電流為50A^[3]）,。開關(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,、電路相對簡單等特點,。
2.3 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
??? 在功率超聲設(shè)備中，發(fā)生器與換能器的匹配設(shè)計非常重要,，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)變壓器耦合后通過電感連接到換能器上，匹配設(shè)計即為輸出變壓器和匹配電感的設(shè)計,。
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)電壓開關(guān)型D類功率放大器原理相同,，晶體管都工作在開關(guān)狀態(tài)，一般變壓器初級等效負(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開關(guān)電源給半橋電路供電,。根據(jù)實驗需要，希望功率源輸出功率為1500W,，換能器采用多個并聯(lián)的方式,，等效阻抗R_L約0.5Ω，（m,、n分別為變壓器初,、次級匝數(shù)）可以計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,，同時串聯(lián)諧振可以提高換能器兩端電壓，有利于對壓電換能器激勵,。由于壓電換能器存在靜電電容C₀,，在換能器諧振狀態(tài)時，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,，可通過在換能器上并聯(lián)或串聯(lián)一個電感L₀來實現(xiàn)。
??? 需要指出,，換能器的相關(guān)參數(shù)皆在小信號狀態(tài)下測得,，與高電壓下的實際應(yīng)用有所差異，需要在實際工作中進(jìn)行實驗調(diào)節(jié),。
??? 經(jīng)過調(diào)諧匹配,，換能器在超聲功率源驅(qū)動下達(dá)到諧振。圖7為用TDS1002示波器采集的換能器的激勵電壓波形（因量程所限,，圖示為正半周）,。可見獲得了純凈的正弦波,，其峰-峰值接近1000V,。

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