基于FPGA与DDS技术的可调超声波驱动电源设计

张兴红，蔡 伟，邱 磊，陈 鑫，何 涛

(1．重庆理工大学，时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆 400054；2．重庆卓观科技有限公司，重庆400039)



基于FPGA与DDS技术的可调超声波驱动电源设计

张兴红1，蔡 伟2，邱 磊1，陈 鑫1，何 涛1

(1．重庆理工大学，时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆 400054；2．重庆卓观科技有限公司，重庆400039)

为解决超声波驱动电源存在激励信号单一、频率范围窄、专机专用等问题，结合DDS技术的优点以及FPGA的可编程性的特点,提出了一种以FPGA为控制核心，基于DDS技术的可以通用的超声波驱动电源的设计方案。设计的超声波驱动电源可以产生正弦波、三角波、方波、锯齿波4种激励信号，并通过对DDS频率控制字的调整可以有效实现频率在20 kHz～ 1 MHz范围内任意可调，利用可编程增益放大器AD8250结合分段放大算法实现了电源功率的方法与可调。经仿真实验验证设计的超声波驱动电源可以实现波形可选、频率可调、功率可调的功能，能有效驱动应用于超声波精密测量领域的超声波换能器。

超声换能器；驱动电源；FPGA；DDS

0 引言

超声波驱动电源是是整个超声测量系统的基础[1]，其实质是用于产生激励信号并向超声波换能器提供超声能量的一种装置，它产生的激励信号经过功率放大以后再通过匹配电路与换能器阻抗匹配，从而驱动换能器工作，即为超声波换能器提供驱动信号，驱动信号经过超声波换能器后转换成所需要的声场，将电信号变换为机械振动信号以使超声波换能器正常工作[2]。目前国内的超声波驱动电源存在频率范围窄，激励信号单一，专机专用等问题，研制一种可满足不同信号类别、不同谐振频率、不同驱动功率，能实现一机多用的超声波可调驱动电源显得尤为必要。

本文采用他激模式，利用FPGA结合DDS技术设计了一种超声波可调驱动电源，该驱动电源产生的激励信号波形可选、频率可调、功率可调，其可以实现频率在20 kHz～ 1 MHz范围内任意可调，且误差小于1 Hz，能有效驱动应用于超声波精密测量领域的超声波换能器。

1 超声波可调驱动电源的系统组成

超声波可调驱动电源的原理框图如图1所示，其主要由信号源、功率放大模块和阻抗匹配等3部分组成[3]。信号源部分是采用FPGA为核心的信号发生器和控制部分，信号放大模块是将信号源产生的信号放大后输出给超声波换能器。换能器网络匹配是指换能器与驱动电源之间的参数匹配，匹配网络的目的是为了保证换能器能够获得最大的电功率[4]。

图1 超声波可调驱动电源的原理结构框图

超声波驱动电源的工作原理是当外部按键设置好输入的波形种类及频率值后，经过FPGA内控制模块译码使能对应的DDS模块输出相应的信号，由于构建于FPGA内部的DDS模块输出的激励信号是数字信号，因此需要经过A/D转换电路将该信号转变成模拟信号，经D/A转换后输出的模拟信号经过滤波电路消除其中的杂散分量。但此时信号比较弱，需要功率放大器将已经消除杂散分量的信号进行功率放大，并通过变压器与换能器进行阻抗匹配，从而驱动换能器工作。由于外接晶振的信号时钟并不绝对稳定，因此引入数字锁相环(PLL)来对时钟信号进行锁相优化，以提高在该时钟驱动下产生的数字信号的精度。为实现功率可调采用信号发生源与放大电路结合的方式实现，FPGA控制功率放大电路放大倍数(粗调)，同时在FPGA内部采用幅值控制算法在相应区间对FPGA内部产生的信号发生器幅值进行调节(细调)，实现了超声波功率的精确控制。

2 超声波可调驱动电源的实现

本文中所设计的超声波可调驱动电源采用的是基于FPGA的直接频率合成技术(DDS)。通过基于FPGA的直接频率合成器(DDS)与D/A转换器相互协作可以实现高分辨率频率可调与波形可切换的信号发生源，同时FPGA通过幅值控制算法控制信号发生器产生的电平大小并通过对功率放大器的控制实现功率的高准确度控制。基于以FPGA为核心的的信号发生源与信号功率放大电路的相互协作可以实现超声波换能器可调驱动电源高分辨率、低功耗、频率宽范围可调等要求。

2．1 基于DDS技术的信号发生器

本设计要求实现在20 kHz～1 MHz范围内任意频率输出，采用直接数字频率合成(DDS)技术设计的信号源能在很宽的频率范围内进行精细的频率调节，实现频率可调功能。

DDS是一种全数字化的频率合成器，具有频率分辨率高，频率切换速度快，频率切换时相位连续，输出相位噪声低，以及能产生任意波形等优点[5]。DDS是根据Nyquist采样定理，通过查找法产生波形。将模拟信号离散化，然后以二进制形式存放在存储器中。当需要该信号时，以一定的速率重复从存储器中取出数据，送入D/A 转换器转换，再经低通滤波器去除高频分量，平滑输出信号,就得到想要的波形。DDS的原理框图如图2 所示[6]。

图2 DDS原理结构框图

图2中，fclk为DDS输入的参考时钟频率，N为DDS相位累加器的位数，k为频率控制字，则DDS的输出频率f0为[7]

(1)

当k为1时，输出最小频率(即频率分辨率)为

(2)

采用的是50 MHz的DDS驱动时钟和32位的相位累加器，即fclk=50 MHz,N=32，则超声波频率发生器的的频率分辨率达到0．011 6 Hz。由奈奎斯特采样定理可知，DDS输出的最大频率为

(3)

则DDS输出频率上限应为20 MHz,当频率控制字为k=0时，对应于DDS的输出频率下限输出信号频率为0 Hz，则DDS输出频率的最大范围为0～20 MHz，通过控制DDS频率控制字k的大小，完全可以实现频率在20 kHz～1 MHz范围内任意可调。

在实际应用中，根据所接换能器负载的不同，有的可能需要不同的激励信号来驱动，因此在超声波可调驱动电源的设计中，利用DDS合成了正弦波、三角波、锯齿波、方波等4种波形，构建于FPGA内部的控制模块根据换能器的驱动需要通过控制波形选择对波形的种类进行简便的波形切换，从而使驱动电路可以有效地应用于不同种类的换能器驱动。

2．2 放大电路设计

FPGA完成信号合成与控制后将信号传输到向D/A转换器，由D/A转换器转换成模拟信号。D/A转换芯片采用的是TxDAC 9760AR，该芯片是一种单通道高速、高性能、低功耗10位CMOS D/A转换器，具有低功耗特性，非常适合便携式和低功耗应用。由于AD9760是电流输出型，信号源输出的信号经过AD9760转换后变成模拟信号，其经过负载电阻之后转变成电压输出信号，输出的信号非常小，为了驱动超声波换能器工作，必须对小信号进行功率放大。为保证足够的功率驱动超声波换能器工作，同时实现功率可调，在D/A转换后增加可编程增益放大器AD8250。二者共同构成超声波可调驱动电源的核心部分。D/A转换电路与放大电路如图3所示。

AD8250是一款具有数字式可编程增益的仪表放大器。它能实现电压倍数的放大，通常放大器的放大倍数越高引入的杂散和噪声信号越多，所以在实现放大倍数可调的情况下采用分段的方式与数字信号的可控性相结合可以达到更好精度的调节。根据AD8250与D/A转换器的输出可调性，结合数字信号预处理与模拟信号放大器各自的优点，采用软件硬件相结合，利用分段放大算法实现电压连续可调，通过调节电压，从而实现功率的调节。在保证足够功率的同时，在驱动电流恒定时，电压的可调幅值分辨率达到10 mV以上，足以满足各种精密超声波换能器的功率要求。其实现方式如式(4)所示：

(4)

式中：VI为输入的幅度电压值数值；DAI为DDS产生数字波形信号；DG为数字信号幅度值控制字；AG为放大器的放大倍数。

通过该方法可实现0～10 V电压幅度值可调的功能。

3 软件设计

系统采用FPGA芯片EP2C5T144C8作为超声波驱动电源的核心控制芯片，以Altera的Quartus II软件提供了完整的设计平台通过使用硬件描述语言Verilog来实现软件设计。波形选择控制信号名为mode，通过两位控制信号线来实现4种波形信号的输出选择，两位控制信号按二进制表示，其数值为“0，1，2，3”，即当用户键盘输入按0时产生锯齿波，按1时产生正弦波，按2时产生方波，按3 时产生三角波。将信号发生器的频率控制与波形控制结合在一起，实现频率与波形的自由控制。在该开发软件下设计的总体软件设计流程图如图4所示。

图3 D/A转换器与程控放大器电路

图4 软件设计流程图

实现步骤如下：

首先，硬件上电开始工作先进入初始化设置，FPGA在50 MHz的系统时钟下初始化各寄存器状态：波形输出初始化为正弦波，功率发大倍数为1倍，频率输出为20 kHz。

其次，通过功能控制模块判断键盘的操作，当键盘键入指令时对键盘命令进行识别，并执行相应的操作命令。该操作命令主要有3个部分：频率调节、波形选择和功率调节，具体参见本章的键盘预处理设计部分。

第三，在各控制字的信息下，控制各功能模块，执行相应的操作。例如，在第二步时如得到正弦波的波形控制字，则将通过该信号使能正弦信号发生器，产生数字正弦波信号。其他具体控制字操作参看信号发生器的设计部分。

最后，在各控制信息的下，各功能模块按设置好的信号发生器的各种参数开始产生相应的数字信号。数字信号将输出到FPGA外部的DAC(数模转换器)和放大器，使最终的模拟信号与所设定值一致。

4 超声波驱动电源功能的验证

超声波可调驱动电源具有频率可调、波形可选、功率可调的特点，设计中搭建了测试仿真平台来对其功能的实现进行了验证。根据设计要求信号发生部分能够产生4种基本的波形，按键输入为0时产生锯齿波、按键输入为1时产生正弦波、按键输入为2时产生方波、按键输入为3时三角波。仿真实验表明：能成功产生这4种基本的波形并实现波形切换，其波形仿真图如图5 所示。

图5 FPGA仿真波形

如图6所示，系统在初始状态下频率20 kHz、幅值为1 V的正弦波，通过按键控制切换到了频率为40 kHz、幅值为5 V的方波信号。在此过程中频率控制字F_KEY向左移动了一位即增加了2倍信号频率，功率放大器的控制字A由“00”变为了“10”使放大倍数增加了5倍。这初步验证了波形切换、频率可调、幅值可控的功能。频率由频率控制字F_KEY准确控制，通过换算可知其分辨率小于1 Hz。

图6 40 kHz,5 V的方波激励信号的产生

如图7所示，系统从初始状态转换到频率为45 kHz，幅值为3．5 V正弦信号，在此过程中，除了频率由DDS模块精确控制外，幅值的控制也需要借助FPGA中数字信号预处理模块AMP_C来进行控制，通过与图5对比分析可知预处理模块对数字信号DGOUT首先进行了0．7倍的幅值控制，然后再由放大器进行5倍信号放大实现3．5 V信号的产生，验证了设计能够实现幅值的高分辨率调节。

图7 45 kHz，3．5 V的正弦激励信号

5 结束语

针对现在常用的超声波驱动电源所存在的不足，基于FPGA与DDS技术设计了一种超声波可调驱动电源，该电源具有以下特点：

(1)通过外接按键预置频率控制字来实现驱动电源频率可调。

(2)为保证足够的功率驱动超声波换能器工作，同时实现功率可调，使用可编程增益放大器AD8250来控制电源输出功

率。采用软件硬件相结合，利用分段放大算法实现电压连续可调，通过调节电压，从而实现功率的调节。

(3)设计的超声波驱动电源可以产生正弦波、三角波、方波、锯齿波4种波形，可以根据换能器的具体使用功能进行波形选择。

通过仿真和实验验证了超声波驱动电源可以实现激励信号波形可选，幅值的高分辨率可控，频率高分辨率可调，以及频率在20 kHz～ 1 MHz范围内任意可调，且误差小于1 Hz，可有效应用于精密超声波测量领域内的各种超声波换能器的驱动。在超声波流量计、超声波温度计、超声波探伤等精密超声波测量领域的应用上具有良好的工程应用前景。

[1] 涂晓凯,吴彦,李国锋,等．一种高频超声波换能器驱动电路的设计．电子测量技术,2009,32(4)：23-25．

[2] 杜晓明，基于FPGA的自适应大功率超声信号源的设计：[学位论文]．镇江：江苏科技大学，2010：10-15．

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[7] 黄志伟．全国大学生电子设计竞赛系统设计．北京：北京航空航天大学出版社,2006：50-65．

Design of Ultrasonic Power Supply Based on FPGA and DDS

ZHANG Xing1-hong，CAI Wei2，QIU Lei1，CHEN Xin1，HE Tao1

(1．Engineering research center of Mechanical Testing Technology and Equipment,Ministry of Education,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054，China；2．Chongqing ZhuoGuan Technology Co．Ltd.,Chongqing 400039，China)

To solve the problems existed in the usage of ultrasonic drive power,such as single excitation signal,narrow frequency range,and special dedicated,a universal design scheme useing FPGA as the control core of ultrasonic drive power supply was put forward,based on DDS technology,and combining with the advantages of DDS technology and programmable characteristics of FPGA．The designed ultrasonic drive power supply can generate excitation signals of sine wave,triangular wave,square waveand sawtooth wave,and can effectively achieve arbitrary adjustment of frequency within 20 kHz～ 1 MHz through the adjustment of DDS frequency control word．The programmable gain amplifier AD8250 combining with subsection amplification algorithm was used to realize the adjustment of power amplification．The simulation results verify that the design of ultrasonic drive power can realize function of optional waveform,adjustable frequency and power,and can effectively drive ultrasonic transducer used in the field of precision measurement．

ultrasonic transducer；power supply； FPGA；DDS

国家自然科学基金资助项目(51275551)；重庆市自然科学基金资助项目(cstc2012jjA70004，cstc2012jjA40062)

2014-08-10 收修改稿日期：2015-03-06

TN462

A

1002-1841(2015)06-0084-04

张兴红(1970—)，教授，博士，主要研究方向为计算机辅助测试技术。