液压气动与密封／２０１２年第９期 一种基于ＡＤ９８５０的超声波信号发生器 符 东 （广东工业大学机电工程学院，广东广州５１０００６） 摘要：为满足海底沉积物声学特性的实验室测量，该文基于ＤＤＳ专用芯片ＡＤ９８５０，设计了一种高精度可编程的超声波信号发生器。 介绍了ＡＤ９８５０的基本原理和工作特点，给出了单片机与ＡＤ９８５０的硬件接口模块、功率放大电路模块。运用此信号发生器产生的超声 波对海底沉积物柱状样品的声特性进行实验测量，并对实验结果进行分析。 关键词：超声波；ＡＤ９８５０；单片机；信号发生器 中图分类号：ＴＰ２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—０８１３（２０１２）０９—００２８—０３ Ａ Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｗａｖｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤ９８５０ ＦＵ Ｄｏｎｇ （Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓａｔｉｓｆｙ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｅａｂｅｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ，ａ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ＡＤ９８５０ ｃｈｉｐ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＤＳ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ＡＤ９８５０ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ＭＣＵ ａｎｄ ＡＤ９８５０ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｂｙ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｂｅｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｈｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ；ＡＤ９８５０；ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｏ 引言 目前，海底沉积物声学特性的实验室研究。主要采 用超声波透射法测量海底沉积物柱状样品的穿透时间 本文以ＡＤ９８５０为频率合成器，以单片机为主控制核 心，设计了一个超声波信号发生器。通过对实验结果的 分析，验证了此信号发生器的可靠性。 和振幅，在已知样品长度的情况下可计算得到沉积物 的声速、声衰减等声学特性参数。在沉积物声学特性的 １ ＡＤ９８５０芯片介绍 ＡＤ９８５０是美国ＡＤ公司推出的一款低功耗、可编 测量过程中，影响其测量精度的因素很多，而一种高精 度、高稳定性和高分辨率的超声波信号发生器是保证 程的高集成度频率合成器。该芯片采用先进的ＣＭＯＳ工 艺，在３．３Ｖ供电电压时功耗仅为１５５ｍＷ，工业级温度范 围为＿４Ｏ。Ｃ～８Ｏ。Ｃ，采用２８脚ＳＳＯＰ表面贴片封装形式。 ＡＤ９８５０主要包含可编程高速ＤＤＳ系统、高性能 数／模转换器（ＤＡＣ）和高速比较器三部分，能实现全数 其精度的一个重要因素。ＤＤＳ技术是一种先进的频率 合成技术，具有低失真输出波形、输出频率稳定度高、 分辨率高、可编程和宽的频率输出范围等优良性能，在 现代测量仪器领域中具有十分广泛的应用前景。因此， 字编程控制的频率合成，并具有时钟产生功能。高速 ＤＤＳ系统包括相位累加器和正弦查询表，其中相位累 收稿日期：２０１２—０３—２０ 加器由一个加法器和一个３２位相位寄存器组成，相位 寄存器的输出与一个５位的外部相位控制字相加后作 作者简介：符东（１９８３一），男，广西玉林人，硕士研究生，主要从事海洋技 术与电子技术研究。 ・为正弦查询表的地址。每到来一个外部参考时钟． ，相 ＋一＋－＋－＋一＋＊＋ （３）计算机模拟能够在实际的工作中得到很好的 应用，将模拟应用于发动机的开发流程中能够缩短开 发周期，降低开发成本。进气歧管ＣＦＤ模拟在产品设计 分析中已经非常成熟，可以用于指导产品设计开发。 参 考２８ 【２］蒋炎坤．ＣＦＤ辅助发动机工程的理论与应用【Ｍ】．北京：科学 出版社．２００４． 【３】苏铭德，黄素逸．计算流体力学基础［Ｍ】．北京：清华大学出版 社．１９９７． ［４］吴望一．流体力学［Ｍ】．北京：北京大学出版社，２００４． 文 献 ［５】施准备，等．基于ＣＦＤ数值模拟的水泵机组振动分析［Ｊ］．水力 发电，２０１０，（Ｉ１）． 【ｌ】张也影．流体力学（第二版）［Ｍ】．北京：高等教育出版社，１９９８ Ｈｖｄｒａｕｌｉｃｓ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ＆Ｓｅａｌｓ／Ｎｏ．９．２０１２ 位寄存器便以步长Ｍ递加。相位寄存器的输出与相位 控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询 表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址 对应正弦波中范围的一个相位点。查询表把输入地址 的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动１Ｏ位 ＤＡＣ数／模转换器以输出模拟量，输出２个互补的电 流，其幅度可通过外接电阻（Ｒ ）进行调节［２１。 ＡＤ９８５０包含一个４０位频率／相位控制字，３２位用 于频率控制，５位用于相位控制，１位用于电源休眠控 制。２位用于选择工作方式。这４０位控制字可通过并 行方式或串行方式写入ＡＤ９８５０：并行方式需连续写５ 次，每次输入８位（１个字节）；串行方式则是在一个管 脚上完成４Ｏ位串行数据的输入。本文采用并行方式输 入控制字，通过软件编程来实现对输出波形频率的控 制，输出信号频率． 、参考时钟频率． 及频率转换字 ｐｈａｓｅ之间的关系可由下式计算： ｆｏ＝（ｐｈａｓｅ＊ｆ￣）／２弛 （１） ２信号发生器整体方案设计 超声波信号发生器的整体方案如图ｌ所示。 图１ 信号发生器整体方粟图 本系统采用ＡＴ８９Ｓ５２单片机作为微控制器来控制 ＤＤＳ芯片产生所需的频率信号，并通过光耦隔离器隔 离ＤＤＳ芯片输出信号的杂波，再经功率放大，使输出的 信号满足信号发生器的需求，最后经驱动电路和阻抗 匹配电路驱动超声波换能器，使超声波换能器产生超 声波。此信号发生器可用于超声探伤、岩体测量、海洋 声学测量等。 ３信号发生器的硬件设计 １）单片机与ＡＤ９８５０接口电路 运用单片机通过并行输入方式实现对ＡＤ９８５０的 控制，具有编程容易、接口简单、成本低，易于实现小型 化等优点。其电路图如图２所示。 本文选择１００ＭＨｚ的有源晶体振荡器作为 ＡＤ９８５０的主频时钟。ＡＤ９８５０工作在控制字并行输入 方式，４Ｏ位控制字在ＷＣＬＫ和ＦＱ—ＵＤ控制信号的控 制下，通过单片机的Ｐ１口输入到ＡＤ９８５０中。从而使 ＤＤＳ芯片的ＱＯＵＴ引脚输出所需的频率信号。输出信 号频率的大小可通过ｐｈａｓｅ转换字来设置。 图２单片机与ＡＤ９８５０接口电路图 ２）功率放大和驱动电路设计 由ＡＤ９８５０产生的方波信号为小功率方波信号，无 法直接驱动超声波换能器，必须经过功率放大电路。设 计中采用晶体管开关型甲类功率放大电路来完成驱 动。电路原理图如图３所示。 图３功翠放大及驱动电路 由图可知，电路采用一个高速光耦隔离器实现信 号发生器与功放电路之间的电气隔离，以保护系统电 路。同时，为了提高驱动能力，在信号输入ＭＯＳ管前， 加了一级ＮＰＮ三级管的射随驱动电路。从图３可以看 出，信号经过一个ＮＰＮ管转换为带有一定驱动能力的 方波信号，该方波信号进一步驱动Ｍ０Ｓ管ＩＲＦ８４０。使 连接在ＭＯＳ管漏极和ＶＣＣ之间隔离变压器的２个副 边线圈感应出两个相位相反、幅值相同的方波。方波信 号经电感Ｌ１匹配后驱动换能器Ｙ１输出超声波。 ３）换能器匹配网络设计 超声波换能器匹配网络的作用是保证电信号能高 效而安全地传输给换能器，以提高发射功率和效率。匹 配一般要解决两个问题：调谐和阻抗变换。调谐使发生 器输出效率最高：阻抗变换使超声波发生器的输出功 率达到换能器的额定功率。本文采用变压器和串联电 感的匹配方法来实现阻抗变换和调谐。电感串联匹配 电路如图４所示。 图４中 。为串入电感，Ｃ 为换能器静态电容， 为 换能器动态电阻。当系统角频率在串联谐振点 （Ｏｃｓ＝２＇ｒｉｆｒ，ｉｆ为串联谐振频率）处时，串联电感可通过 液压气动与密封／２０１２年第９期 下式计算。 ２ ， 标为声波幅值，其输出波形图如图６所示。 １＝Ｃ ０ Ｒ ／［１＋（ Ｃｏ Ｒ １）‘］ ４０００ ３０００ ２０００ 毫１０００ 馨０ ２０００ 螗一１０００ ３０００ ４０００ ０ －２００ ４００ ６００ ８００ １０００ 图４电感串联匹配电路 测量点数 串联电感匹配可以有效地抑制电源输出方波中存 在的谐波成分，同时串联匹配兼有变阻和滤波的作用， 图６起振时的波形 从图中可以看出，换能器的起振是一个平稳的、连 从而改善输出电压的波形［３１。 ４）高频变压器设计 高频变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率 的重要部件，其设计与绕制工艺对系统的安全工作十 分重要 。高频变压器主要有两个功能：阻抗变换和升 压。本系统采用的变压器变比为１：２５。最大输出电压可 达３００Ｖ，足可驱动超声波换能器。 ４软件程序设计 本系统程序由三部分构成：主程序、中断０服务子 程序、中断１服务子程序。程序流程图如图５所示。 开始 初始化ＡＤ９８５０ 与开中断０、中断１ 停止发射声波 图５程序流程图 ５实验分析 运用此信号发生器对海底沉积物柱状样品进行实 验测量，设定ＡＤ９８５０输出信号的频率为４０ｋＨｚ，即超 声波发射频率，数据采集卡采样频率为１ＭＨｚ．数据通 过并口传输到计算机中。 １）换能器起振过程的测量 将采集到的数据导人ＭＡＴＬＡＢ并绘制原始图。对 换能器的起振过程进行测量，横坐标为测量点数．纵坐 续上升的过程，没有分叉，表明驱动电路的输出信号是 均匀连续的。 ２）换能器平移输出的测量 换能器经过短暂的起振时间后达到稳定．其输出 如图７所示。 ４０００ ３０００ 童 ００ 一 骧０ 蜡一１０００ －２０００ ３０００ －４０００ Ｕ ２ＵＵ ４００ ６００ ８００ ｌ０００ 测量点数 图７输出平稳后波形 由图７中可以看出，输出的超声波为平滑的正弦 波，无高频杂波成分。 ６结语 本文运用ＤＤＳ芯片设计的超声波信号发生器具有 输出信号稳定、失真小等优点。将其运用到海底沉积物 声学特性的实验室测量中，获得了很好的测量效果。 参考 文 献 ［１】周建平，陶春辉，何拥华．超声无损检测技术在海底沉积物调 查中的应用『Ｊ１．海洋技术，２００７，（４）． 【２］郭林伟，林书玉，许龙．压电换能器静态匹配电路的研究［Ｊ］．纺 织高校基础科学学报．２００８，（３）． 『３１林书玉．功率超声技术的研究现状及其最新进ＮＥＪ］．陕西师范 大学学报（自然科学版１，２００１，（１）． ［４】徐涛．超声波发生器电源技术的发／￣ＥＪ］．洗净技术，２００３，（４）． ［５】于颖，李林．基于ＡＤ９８３３的一种超声波信号发生器【ＪＪ．长春 工业大学学报（自然科学版），２０１０，ｆ４）． ［６】 肖国玲，潘健，王波．一种基于ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５０的信号发生 器【Ｊｌ１．无锡职业技术学院学报，２００７，（５）． ［７］黄为，吴百海．一种气泡流量超声波检测系统的研究ｌＪ１．液压 气动与密封，２０１０，（７）．
