一种基于DDS技术的电磁超声激励电源

2．2 脉冲串控制电路
为了调节电磁超声的谐振点，要求控制信号的个数可以灵活改变，由于电磁超声换能器 (EMAT)采用了电磁铁，这就要求激励源的相位应与电磁铁的50 Hz工频相位相一致，并能在0～180°之间做出调整。采用单片机控制可编程逻辑器件(CPLD)，在CPLD内部完成对脉冲串个数和相位的控制。最终由上位机与单片机通讯产生频率、个数、相位均可调的脉冲串。将单片机的P0，P2口分别与CPLD连接作为地址和数据接口，P3．4，P3．5作为控制端口，当单片机将脉冲串的个数和相位写入CPLD后，便输出HO，LO两路互补单极性方波信号。
2．3 功率放大电路和阻抗匹配电路设计
为了增大电磁超声波的强度，需将激励信号的功率进一步放大。根据电磁超声波的强度与电流的平方成正比，可利用功率放大电路实现信号电流的放大。
功率放大电路采用大功率管(MOSFET)组成半桥功率放大电路。MOSFET具有开关速度快，可承受高压，且高频特性好，输入阻抗高，驱动功率小，无二次击穿问题等特点。栅极驱动的要求是触发脉冲有足够快的上升和下降速度。要使功率MOSFET充分导通，触发脉冲的电压要高于功率MOSFET的开启电压。MOSFET管的类型很多，如STW15NB50，IRF840等。在该设计中选用STW15NB50，其最短开通时间为24 ns，关断时间为15 ns，漏源电压VDS可达到500 V，峰值脉冲电流58 A，能够满足设计要求。
图3为半桥功率放大电路，R1，R2为桥平衡电阻；C1，C2为桥臂电容；D1，D2为桥开关吸收电路元件。其工作原理如下：两个反相的方波激励信号分别接到两个开关管的基极，当HO为高电平，LO为低电平时，Q1导通，Q2关闭，电流通过Q1至变压器初级向电容C2充电，同时C1上的电荷向Q1和变压器初级放电，从而在输出变压器次级感应一个正半周期脉冲电压；当HO为低电平，LO为高电平时，Q2被触发导通，Q1关闭，电流通过电容C1和变压器初级充电，而C2的电荷也经由变压器初级放电，在变压器次级感应一个负半周期脉冲电压，从而形成一个工作频率周期的功率放大波形。由于功放管工作在伏安特性曲线的饱和区或截止区，集电极功耗降到最低限度，从而提高了放大器的能量转换效率，使之可达80％以上。

MAX4428，IRF系列的驱动芯片或由三极管组成的放大电路均可用于驱动MOSFET管。但是，MAX4428和其他一些集成驱动芯片的驱动频率一般只能达到200 kHz左右，而本设计采用三极管如图4连接，驱动电路频率可以达到2 MHz左右，输出无杂波且成本低，能够成功地驱动MOS管的开／断。

为了使输出的瞬时功率最大，需要对探头的阻抗进行匹配。在功率放大输出端加补偿阻抗，使整个电路的感抗和容抗相抵消，发射的功率最大，电能转换成声能的效率最高，匹配电路如图3虚线框中所示，半桥逆变输出经传输线变压器耦合后通过电容连接到换能器上。传输线变压器由双绞线和磁环组成，电路中脉冲串发射频率在1 MHz时激励源输出阻抗为50 Ω；由于被测工件也属于换能器的一部分，所以在对探头阻抗进行测量时，应将探头置于工件表面，若测得负载阻抗为500 Ω，则双绞线匝数应为10左右。
经过调谐匹配，换能器在电磁超声功率源驱动下达到谐振。图5为采集的换能器的激励电压波形。可见获得了频率为纯净的正弦波，在外接电压为100 V时，其峰一峰值接近100 V