工程師分享：基于DDS的電磁超聲激勵(lì)的電源設(shè)計(jì)

為了調(diào)節(jié)電磁超聲的諧振點(diǎn)，要求控制信號(hào)的個(gè)數(shù)可以靈活改變，由于電磁超聲換能器 (EMAT)采用了電磁鐵，這就要求激勵(lì)源的相位應(yīng)與電磁鐵的50 Hz工頻相位相一致，并能在0～180°之間做出調(diào)整。采用單片機(jī)控制可編程邏輯器件(CPLD)，在CPLD內(nèi)部完成對(duì)脈沖串個(gè)數(shù)和相位的控制。最終由上位機(jī)與單片機(jī)通訊產(chǎn)生頻率、個(gè)數(shù)、相位均可調(diào)的脈沖串。將單片機(jī)的P0，P2口分別與CPLD連接作為地址和數(shù)據(jù)接口，P3.4，P3.5作為控制端口，當(dāng)單片機(jī)將脈沖串的個(gè)數(shù)和相位寫入CPLD后，便輸出HO，LO兩路互補(bǔ)單極性方波信號(hào)。

2.3 功率放大電路和阻抗匹配電路設(shè)計(jì)

為了增大電磁超聲波的強(qiáng)度，需將激勵(lì)信號(hào)的功率進(jìn)一步放大。根據(jù)電磁超聲波的強(qiáng)度與電流的平方成正比，可利用功率放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)電流的放大。

功率放大電路采用大功率管(MOSFET)組成半橋功率放大電路。MOSFET具有開關(guān)速度快，可承受高壓，且高頻特性好，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，無(wú)二次擊穿問(wèn)題等特點(diǎn)。柵極驅(qū)動(dòng)的要求是觸發(fā)脈沖有足夠快的上升和下降速度。要使功率 MOSFET充分導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖的電壓要高于功率MOSFET的開啟電壓。MOSFET管的類型很多，如STW15NB50，IRF840等。在該設(shè)計(jì)中選用STW15NB50，其最短開通時(shí)間為24 ns，關(guān)斷時(shí)間為15 ns，漏源電壓VDS可達(dá)到500 V，峰值脈沖電流58 A，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3為半橋功率放大電路，R1，R2為橋平衡電阻;C1，C2為橋臂電容;D1，D2為橋開關(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)開關(guān)管的基極，當(dāng)HO為高電平，LO為低電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)閉，電流通過(guò)Q1至變壓器初級(jí)向電容C2充電，同時(shí)C1上的電荷向Q1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)HO為低電平，LO為高電平時(shí)，Q2被觸發(fā)導(dǎo)通，Q1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)80%以上。

MAX4428，IRF系列的驅(qū)動(dòng)芯片或由三極管組成的放大電路均可用于驅(qū)動(dòng)MOSFET管。但是，MAX4428和其他一些集成驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)頻率一般只能達(dá)到200 kHz左右，而本設(shè)計(jì)采用三極管如圖4連接，驅(qū)動(dòng)電路頻率可以達(dá)到2 MHz左右，輸出無(wú)雜波且成本低，能夠成功地驅(qū)動(dòng)MOS管的開/斷。

為了使輸出的瞬時(shí)功率最大，需要對(duì)探頭的阻抗進(jìn)行匹配。在功率放大輸出端加補(bǔ)償阻抗，使整個(gè)電路的感抗和容抗相抵消，發(fā)射的功率最大，電能轉(zhuǎn)換成聲能的效率最高，匹配電路如圖3虛線框中所示，半橋逆變輸出經(jīng)傳輸線變壓器耦合后通過(guò)電容連接到換能器上。傳輸線變壓器由雙絞線和磁環(huán)組成，電路中脈沖串發(fā)射頻率在1 MHz時(shí)激勵(lì)源輸出阻抗為50 Ω;由于被測(cè)工件也屬于換能器的一部分，所以在對(duì)探頭阻抗進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)將探頭置于工件表面，若測(cè)得負(fù)載阻抗為500 Ω，則雙絞線匝數(shù)應(yīng)為10左右。

經(jīng)過(guò)調(diào)諧匹配，換能器在電磁超聲功率源驅(qū)動(dòng)下達(dá)到諧振。圖5為采集的換能器的激勵(lì)電壓波形。可見獲得了頻率為純凈的正弦波，在外接電壓為100 V時(shí)，其峰一峰值接近100 V。

激勵(lì)源軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊、控制CPLD的輸出、調(diào)節(jié)AD9850輸出頻率等。程序流程如圖6所示。

結(jié)語(yǔ)

采用DDS技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)的電磁超聲激勵(lì)電源硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程控制也比較方便。與傳統(tǒng)的模擬信號(hào)發(fā)生器相比，頻率精度高，相位精確可控，從而改善了探傷效果，便于整套設(shè)備的數(shù)字化控制和操作，并減小了設(shè)備的體積和重量