引 言

　　電磁超聲是一種非接觸式的超聲檢測方法,，不需要與被測對象有任何的物理接觸，不需要耦合劑,，能夠應(yīng)用于被測對象處于高溫,、高速、粗糙表面的檢測條件下,。因?yàn)椴唤佑|的特點(diǎn),，所以用來激勵電磁超聲換能器的激勵電源是極其重要的一部分，激勵電源要產(chǎn)生高峰值電流,、窄脈寬特點(diǎn)的電脈沖,。對于不同的被測物體，采用合適的參數(shù)激發(fā)電磁超聲,，使電磁超聲換能器的電／聲轉(zhuǎn)換效率最大化,，也是提高信噪比的關(guān)鍵之一。因此,，設(shè)計(jì)脈沖串頻率、個數(shù),、相位均可調(diào)的激勵電源是非常必要的,。本文設(shè)計(jì)了一種基于DDS技術(shù)的電磁超聲波激勵電源。

　　1 電磁超聲波激勵源組成

　　電磁超聲波激勵電源主要包括DDS信號發(fā)生電路,、脈沖串控制電路,、功率放大電路、阻抗匹配電路,，如圖1所示,。為了方便調(diào)節(jié)激發(fā)脈沖的頻率、相位和控制激發(fā)脈沖的個數(shù),，上位機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行串行通訊,，用來設(shè)定激勵電源的參數(shù)，單片機(jī)控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生頻率為1 kHz～2 MHz的可調(diào)方波信號,，單片機(jī)控制可編程邏輯器件(CPLD)MAX7064完成脈沖串的個數(shù)和相位的設(shè)定,。由于信號發(fā)生電路產(chǎn)生的脈沖信號功率較弱，電壓幅值低,，不足于驅(qū)動VMOS管,，在脈沖發(fā)生電路與功率放大電路之間加一級驅(qū)動電路,，對信號進(jìn)行放大。由信號發(fā)生器電路和驅(qū)動電路組成控制電路,，控制 VMOS管的開通和關(guān)斷,。在VMOS管電路關(guān)斷時，高壓電源通過充電電阻對電容進(jìn)行充電,；當(dāng)VMOS管導(dǎo)通時,，電容、VMOS管以及探頭(包括阻抗匹配電路)形成放電回路,，使得在探頭兩端能夠得到高峰值的窄脈寬電脈沖,。

　　為了使電／聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大化，在功率放大電路與換能器之間增加了阻抗匹配電路,，由阻抗匹配變壓器和電容組成,。功率放大電路采用半橋功率放大方式，其中,，功率開關(guān)使用MOSFET模塊,。

　　2 激勵源硬件實(shí)現(xiàn)

　　2．1 DDS原理及電路信號發(fā)生電路

　　為了得到最佳的電／聲轉(zhuǎn)換，激勵頻率應(yīng)當(dāng)與探頭的諧振頻率一致,，因此要求控制信號的頻率可以靈活改變,。采用單片機(jī)和直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)來設(shè)計(jì)信號發(fā)生器電路。DDS技術(shù)是一種采用數(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(diǎn),?；贒DS的波形發(fā)生器是通過改變相位增量寄存器的值 △phase(每個時鐘周期的度數(shù))來改變輸出頻率的。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就與N位全加器的輸出相加,。在相位累加器的輸出被鎖存后，即作為波形存儲器的一個尋址地址,，該地址對應(yīng)波形存儲器中的內(nèi)容就是一個波形合成點(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(diǎn)上。最終,，相位累加器檢索到足夠的點(diǎn)就構(gòu)成了整個波形,。DDS的輸出信號頻率由式(1)計(jì)算：

　　式中：Fout為輸出頻率；△phase為頻率控制字；FCLK為參考頻率,。

　　DDS的頻率分辨率定義為：

　　式中：△Fout為頻率分辨率,。

　　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。以單片機(jī)STC89C516為控制核心,，采用并行輸入的方式實(shí)現(xiàn)對AD9850控制字的寫入,，通過上位機(jī)串行通訊控制方波的頻率。AD9850的輸入時鐘采用50 MHz有源晶振,，輸出頻率范圍可從幾赫茲到幾兆赫茲,，但是整個系統(tǒng)的輸出頻率范圍由后級功率放大電路中一些時間常數(shù)決定，所以頻率范圍為1 kHz～2 MHz可調(diào),。將單片機(jī)的P1口連接到AD9850的并行輸入口,，P3．6和P3．7完成單片機(jī)對AD9850的輸入／輸出控制。AD9850控制字寫完之后,，便由IOUT輸出相應(yīng)頻率的正弦波信號,。為了使輸出頻率不受高頻斜波的干擾，選用兩級丌型LC低通濾波器,，其動態(tài)范圍帶寬為0～40 MHz,，將純凈的正弦波送AD9850的比較器端口，最終由QOUT輸出方波,。DDS信號發(fā)生電路圖如圖2所示,。

　　2．2 脈沖串控制電路

　　為了調(diào)節(jié)電磁超聲的諧振點(diǎn)，要求控制信號的個數(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)部完成對脈沖串個數(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,。

　　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,，需將激勵信號的功率進(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)動功率小,，無二次擊穿問題等特點(diǎn)。柵極驅(qū)動的要求是觸發(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,，其最短開通時間為24 ns,，關(guān)斷時間為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,，Q1導(dǎo)通,，Q2關(guān)閉，電流通過Q1至變壓器初級向電容C2充電,，同時C1上的電荷向Q1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)HO為低電平，LO為高電平時,，Q2被觸發(fā)導(dǎo)通,，Q1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)80％以上,。

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

　　為了使輸出的瞬時功率最大,，需要對探頭的阻抗進(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時激勵源輸出阻抗為50 Ω,；由于被測工件也屬于換能器的一部分，所以在對探頭阻抗進(jìn)行測量時,，應(yīng)將探頭置于工件表面,，若測得負(fù)載阻抗為500 Ω，則雙絞線匝數(shù)應(yīng)為10左右,。

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

　　3 激勵源軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要是對單片機(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,。

　　4 結(jié) 語

　　采用DDS技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)的電磁超聲激勵電源硬件結(jié)構(gòu)簡單,，編程控制也比較方便。與傳統(tǒng)的模擬信號發(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。