具有精确基准频率的数控半桥PWM输出调整电路.pdf

第 1 1 卷第 2期 南京师范大学学报 工程技术 版 Vo 1 1 1 No 2 2 0 1 1年 6月 J O U R N A L O F N A N J I N G N O R M A L U N I V E R S I T Y E N G I N E E R I N G A N D T E C H N O L O G Y E D I T I O N J u n 2 01 1 具有精确基准频率的数控半桥 P WM 输出调整电路 罗 琚 阮 程 徐寅林 南京师范大学 物理科学与技术学院 江苏 南京 2 1 0 0 4 6 摘要 在超声换能器电源电路中 为能使超声换能器以一定的振幅谐振 必须精确控制振荡电路的频率及功放电路的输出 功率 设计 了一种具有精确基准频率控 制的数控半桥 P WM输 出调整电路 利用 D S P芯片 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2控制 A D 9 8 3 3产生精确 的基准频率信号 并结合数控电位器 X 9 3 1 2和 5 5 5定 时器 实现数控调整 P WM波形的 占空 比 达到精确控制输 出信号的频率 功率的 目的 为 了能够驱动乙类 功率放 大电路 还研究了一个半桥变换 电路将单路 P WM波形变换为两路互补的 P WM波形 关键词 D S P A D 9 8 3 3 数控调整 半桥变换电路 中图分类号 T N 7 8 7 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 2 1 2 9 2 2 0 1 1 0 2 0 0 3 4 0 5 Ad j u s t a b l e C i r c u i t o f NC Ha l f B r i d g e P WM Ou t p u t W i t h Pr e c i s e Re f e r e nc e Fr e q ue n c y L u o J u n Ru a n Ch e n g Xu Yi n l i n S c h o o l o f P h y s i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y N a n j i n g N o r m a l U n i v e r s i t y Na n j i n g 2 1 0 0 4 6 C h i n a Ab s t r a c t A n a d j u s t a b l e c i r c u i t o f N C h a l f b r l d g e P WM o u t p u t w i t h p r e c i s e r e f e r e n c e f r e q u e n c y i s d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r wh i c h i s us e d t o ma ke s ur e t h a t t h e ul t r a s o n i c t r a ns d uc e r c a ll wo r k o n t he r e s o na nt p o i n t p r e c i s e l y i n po we r a mpl i f i e r c i r c u i t T h e p r e c i s e r e f e r e n c e f r e q u e n c y i s g e n e r a t e d b y AD9 8 3 3 I n o r d e r t o c o n t r o l t h e o u t p u t p o we r e x a c t l y X9 3 1 2 a n d 5 5 5 t i m e r a r e c o m b i n e d t o a d j u s t t h e d u t y c y c l e o f P WM a n d o n e P WM s i g n a l i s t r a n s f o r m e d i n t o t w o c o mp l e me n t a r y w a v e s t o d r i v e p o we r a mp l i fi e r c i r c u i t o f u l t r a s o n i c t r a n s d u c e r Ke y wo r ds DS P AD98 3 3 d i g i t a l c o nt r o l l e d ha l f b ridg e c i r c u i t 对应用于医学手术之类 的超声换能器 为使其将电能高效地转换为机械能 需要换能器工作在谐振状 态 要求超声波发生器提供的电源信号频率应与换能器 的谐振频率一致 超声手术刀换能器的谐振频率通 常会因温度 负载变化等原因发生变化 信号源也应随之变化 对超声功率的控制方法有两种 控制加 载电压的大小和调控 P WM波 占空 比 为满足精确度高 控制速度快等要求 本文设计一种 以 D S P为主控 芯片的超声手术刀信号源控制系 统 在精确可控的频率信号基础上实现 P WM的控制 在设计中 利用 D S P控制 A D 9 8 3 3产生精确基准信 号 用数字电位器结合 5 5 5定时器 电路来调控 P WM波 占空 比 控制功率输出 另外 为 了控制 乙类放大电 路 需要两路相位差为 1 8 0 的互补信号 故加入 了一个半桥变换电路 将单路的 P WM波变换成互补的两 路 P WM波形 以驱动乙类功率放大电路 1 硬件系统结构 和原理 分析 电路 由精确频率信号的产生电路 数控的脉宽调节电路和半桥变换电路三部分构成 如图 1所示 通过对超声刀换能器谐振频率特性的研究 测得本实验 中超声手术刀 的串联谐振频率和并联谐振 频率分别为 2 0 5 6 k H z 2 0 8 5 k H z 为了结合扫频方法精确控制超声信号源频率的大小 所设定的 扫频最高精确度至少在 1 Hz 以下 D S P的最高工作频率为 1 5 0 MH z 在 2 0 k H z的基础上进行扫频 最小步 长只有 3 Hz 无法达到至少在 1 Hz 以下的精度 而 A D 9 8 3 3在基准输人频率为 2 5 MH z 时信号输 出最小精 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 0 2 通讯联系 人 徐 寅林 博士 教授 研究方向 生物医学电子学 E m a i l x u y i n l i n n j n u e d u c n 3 4 罗瑁 等 具有精确基准频率的数控半桥 P WM输出调整电路 度为 0 1 H z 满足系统设计要求 用 5 5 5定时器和数控电阻 X 9 3 1 2可调控波形的 占空 比 并 通过简单的组合逻辑 电路使之转换为两路反相控制信号用以控 制功率开关和功放电路 1 1 超 声信 号 的产 生 超声波发生器是超声设备 的重要组成部 分 担负着 向超声 换能器提供超声频电能 的任务 为此需要精确频率 的超声波 电 图 1系 统 框 图 Fi g 1 S y s t e m b l o c k di a g r a m 压信号 由于系统要求产生的信号为 2 0 k H z 左右的半桥驱动信号 所 以在信号产生的电路部分 使用 D S P 结合 D D S的方法产生 4 0 k H z的基准频率信号 这样可在扫频中满足高精度的要求 本系统中采用 了 A D公司的产品 AD 9 8 3 3产生高精度基准频率信号 它是一个低功耗 频率可编程的 波形发生器 A D 9 8 3 3输 出信号的频率和相位是可编程 且无需外围器件 采用 D S P为核心控制器件 对 D D S输送频率控制字 使 D D S输 出相应频率和类型 的信号 接 口电路 如 图 2所 示 图 2超 声 信 号 产 生 电路 Fi g 2 Th e c i r c ui t di a g r a m o f ul t r a s o n i c s i g na l g e n e r a t i ng 由于输入 2 5 MH z的基准频率时 输出的精度可达 0 1 H z 故 A D 9 8 3 3的 脚 MC L K的输入既可采用 2 5 MH z的有源晶振 也可采用 D S P的 XC L K O U T输 出控制 D S P与 A D 9 8 3 3的接 口采用 3 WI R E串行方 式 分别用 D S P的 S P I S T E A S P I C L K A S P I S I M O A接 A D 9 8 3 3的 F S Y N C S C L K和 S D A T A 通过 D S P对其配 置所需的控制字 脚输 出即为所需要的 4 0 k H z 左右的超声方波信号 1 2 数控 的脉宽调节电路 l 5 1 2 1 用 5 5 5定 时 器 实现 脉 宽调 制 的原理 用 5 5 5定时器 外接少量的电阻和电容元件 可以方便地 构成单 稳态电路 如图 3所示 将 5 5 5定时器的 脚 阈值端和放电端 连接在一起接人 R C 电路 将 脚单独用 作启动脚 将 P WM波形 4 0 k H z左右 的超声信 号 作为触发信号送人 控制电压端 端 施加一个变化 电压 t 脚为输出端 设输 出电压为 v o t 若定时器 脚有触发信 号 v 5 5 5 电 路进人 暂稳 态 放电 端近似悬空 电 容c 进人充 电状态 当 C充电电压上升到 t 时 电路翻转 输出状态 由 高电平跳变为低 电平 放 电端近似接地 于是 电容 C放 电 电路返 回到F i g 3 稳定状态 输出信号的脉宽为 一 n VCC 图 3 P W M 占空 比 调 节 电 路 T h e c i r c u i t d i a g r a m o f P WM a d j l l s t 当输出的脉冲宽度小于 P WM波形的周期 时 就可以实现波形 占空比的改变 一 3 5 南京师范大学学报 工程技术版 第 1 1 卷第 2期 2 0 1 1 年 1 2 2数 字 电位 器 X 9 3 1 2 W 通常情况下 在 5 5 5定时器 的 端接入一个普通 的电位器 则可用手动 的方式来改变 v k t 的大小 从 而可改 变 输 出脉 冲 的 占空 比 现 改 用 数 字 电位 器 X 9 3 1 2 W 替代以便于由程序精确且稳定地控制输 出脉 冲的占空比 数字电位器采用控制 MS O管的开关来 调节滑动 端 V w 在 V H和 V L之间多个等值电阻的位置 抽头数 越多 等值电阻越多 调整的范围越宽 本设计中所使用 的数字电位器为 X 9 3 1 2 W 内部结 构如图 4所示 X 9 3 1 2 W 的最大阻值为 1 0 k f l 其 间有 9 9个等值 电阻 每个 电阻的两端都 可以通过转换门的 u似 计数器 9 9 9 8 I 7 位 非 易 失l 1 0 0 9 7 毒 l l眭 存 储 器 I 选 9 6 1电 阻 1 传 l 阵 列 l 译 输 1 码2 门 存 取 控l 器 l l 制 电 路 I 0 图 4 X9 3 l 2的内部结构 Fi g 4 I n t e r n a l s t r u c t ur e o fX9 3 1 2 R H R d v L R w 控制接通数控电位器的抽头点 7位加减计数器用以记录输入端的脉冲个数 7位非易失性存储器用于保 护计数器的数据 以备下次通电时使用 存取控制 电路控制 7位非易失性存储器 中计数 的存取 1 0 0选 1 译码器根据计数器的数值进行译码来控制转换门中的一个 MO S管导通 D S P与 X 9 3 1 2 W 的接 口电路如图5所示 电位器的高 电压端接电源 低电压端接地 3个控制端分别 与 D S P的 1 0端 口连接 通过对端 口的不 同设置 即可对 X 9 3 1 2 W 进 行操作 十分方便 数字电位 器 的优点 是调整 的精确度 高于机 械 电位 器 缺点是线性度没有机械 电位器好 此外 机械 电位器 有触点 滑动端长期滑动易出现接触问题 而数字电位器 没有触点 因而使用寿命 和可靠性优于机械 电位器 1 3半桥变 换 电路 为 了控制 乙类放大 电路结构 中的功率开关管 需要 两路波形 幅值完全对称 而相位严格相差 1 8 0 的 P WM 波形 本文中用 最简单 的组合 逻辑器件 设计 了如 图 6 所示的电路结构 可实现将单路的 P WM信号转换为两 路反相信号的要求 图中 i n p u t 为已调整好 占空 比的脉 冲波形 c o n t r o l 接 D S P的 I O控制端 口 只有 当 c o n t r o l 为高时 信号才能通过 o u t p u t l与 o u t p u t 2即为变换后 的 两路信号 用 Q u a r t u s I I 软件进行仿真 输出的波形结果如图 7 所示 5 V 图 5 D S P与 X9 3 1 2 W 的接 口电路 F i g 5 I n t e rfa c e c i r c ui t o f DS P a n d X9 3 1 2 W 口 图 6半 桥 变 换 电路 图 Fi g 6 Th e c i r c u i t d i a g r a m o f ha l f b r i d g e t r a n s f o r m 图 7仿真 波 形 Fi g 7 S i mu l a t i o n wa v e f o r m 由图7可见 当最后输出的两路波形的频率为输入的波形频率的一半 即若要最后输 出的 P WM波频 率为 2 0 k H z 左右 为超 声换能器 所需 的工 作频率 那么从 AD 9 8 3 3电路产 生 的 P WM 波频率 要求 为 4 0 k Hz 左右 一 3 6 一 簦 星查 墨 塑奎 塑 P W M输出 调整电路 二 二 l 0 E D 口 2 软件设计 图 8为用 D S P控制 A D 9 8 3 3产生波 形 并调节 X 9 3 1 2 W 的程序框图 在完成 D S P的初始 化以后 通过 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 的 S P I口向 A D 9 8 3 3写入相应的频率控制字 就 能 产 生相 应 的 基 准 频 率 信 号 其 中 需 要 注 意 的 是 A D 9 8 3 3的频率控制字是 1 6位 的 因此对于 S P I 的 写 操 作 来 说 需 要 分 两 次 来 完 成 并 通 过 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2的 I O口控制数字 电位 器 X 9 3 1 2 W 的 变化 调 节信 号 占卒 比 3 实验分析 图 8 D S P 的 控 制 流 程 图 Fi g 8 Th e c o nt r o l fl o w c ha r t o f DSP 实验结果如图 9所示 从图中可 以看出 通过 电 4 0 k H z P W M 波 转 变 为 两 路 同 频 为 2 0 k H z 且 反 相 的 P W M 波 形 而 对 于 信 号 占 空 比 的 控 制 只 需 要 改 变 X 3 9 1 2 的 大 小 即 可 检验证 明 整个系统简单易行 且控制精度高 满足超声电源设计的要 求 一 l l I 1 I 1 J I 1 占空 比调节前后对 比图 1 l lI 一 1 L t f l 蹬 一 l L 一 目 0 一 r 一 一 i j 2 A D 9 8 3 3输 波形和调整后的半桥 P WM输 出对 比图 Fi g 9 Ex pe r i m e nt a l c o mpa r i s o n c h a r t 4 结论 本文提出了在超声 电源设计中 对超声信号的产生 脉宽 的数 控调整和半桥变换 电路的设计方案 系 统采用 D s P为核心 控制 A D 9 8 3 3产生精确基准信号 N 5 5 5定时器和数字电位器对信号进行数 脉 南京师范大学学报 工程技术版 第 1 1 卷第 2期 2 0 1 1年 调制 并设计了简单的半桥变换电路 产生两路互补的控制信号 用 以控制超声换能器功放电路 参考文献 R e f e r e n c e s 1 李小雪 汪东 李平 等 基于 D D S的超声换能器频率跟踪系统 J 压电与声光 2 0 0 9 3 1 5 6 9 2 6 9 3 L i X i a o x u e Wa n g D ang L i P i n g e t a 1 F r e q u e n c y t r a c i n g s y s t e m f o r p i e z o e l e c t ri c t r a n s d u c e r b a s e d o n D D S J P i e z o e l e c t e c t fi c s a n d A c o u s t o o p t i c s 2 0 0 9 3 1 5 6 9 2 69 3 i n C h i n e s e 2 罗瑶 阮程 徐寅林 超声手术刀换能器的谐振频率特性研究 J 南京师大学报 自然科学版 2 0 1 1 3 4 1 5 2 5 4 L u o J u n R u an Ch e n g X u Yi n l i n S t u d y o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r e s o n a n t fre q u e n c y o f t h e u h r a s o n i c s c a l p e l t r a n s d u c e r J J o u r n al o f N a n j i n g N o r m a l U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n 2 0 1 l 3 4 1 5 2 5 4 i n C h i n e s e 3 彭之威 薛雷 冯运亮 基于 D S P和 D D S技术的E A S扫频信号源设计 J 微计算机信息 测控 自动化 2 0 0 8 2 4 1 0 1 2 42 2 4 4 P e n g Z h i w e i X u e L e i F e n g Y u n l i a n g D e s i g n o f s c a n n i n g s i g n a l s o u r c e o f E A S b a s e d o n D S P a n d D D S J Mi c r o c o m p u t e r I n f o r ma t i o n Me a s u r e m e n t a n d C o n t r o l 2 0 0 8 2 4 1 0 1 2 4 2 2 4 4 i n C h i n e s e 4 王声钊 卢健康 高扬 脉宽调制占空比门限电路设计 J 机械与电子 2 0 0 8 2 4 6 4 8 Wang S h e n g z h a o L u J i a n k a n g G a o Y a n g A c i r c u i t d e s i g n for t h e p u l s e w i d t h mo d u l a t i o n d u t y c y c l e t h r e s h o l d J Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c 2 0 0 8 2 4 6 4 8 i n C h i n e s e 5 李莉 胡之惠 P WM基带数字信号的产生与检测 J 上海师范大学学报 自然科学版 2 0 0 2 3 5 3 3 1 3 6 L i L i H u Z h i h u i T h e g e n e r a t i o n o f P WM b a s e b a n d d i g i t al s i g n a l s a n d t h e d e m o d u l a t i o n J J o u r n a l o f S h a n g h a i N o r m al U n i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e Ed i t i o n 2 0 0 2 3 5 3 3 1 3 6 i n C h i n e s e 责任编辑 严海琳 上接第 3 3页 3 王宏利 程旭德 徐兵 等 基于 A T 8 9 C 5 1的智能测频仪设计 J 计算机测量与控制 2 0 0 7 1 5 3 4 1 0 4 1 2 Wa n g H o n i C h e n g X u d e X u B i n g e t a 1 D e s i g n o f i n t e l l i g e n t fr e q u e n c y i n s t