具有精确基准频率的数控半桥PWM输出调整电路

　　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[1]. 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 PWM 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 DSP 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 PWM 的控制. 在设计中，利用 DSP 控制 AD9833 产生精确基准信号，用数字电位器结合 555 定时器电路来调控 PWM 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 180°的互补信号，故加入了一个半桥变换电路，将单路的 PWM 波变换成互补的两路 PWM 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[2]，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: fs= 20. 56 kHz，fp= 20. 85 kHz. 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，DSP 的最高工作频率为 150 MHz，在 20 kHz 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 AD9833 在基准输入频率为 25 MHz 时信号输出最小精度为0. 1 Hz，满足系统设计要求.

　　用555 定时器和数控电阻X9312 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[3]

　　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压信号. 由于系统要求产生的信号为 20 kHz 左右的半桥驱动信号，所以在信号产生的电路部分，使用DSP结合DDS 的方法产生 40 kHz 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AD 公司的产品AD9833 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. AD9833 输出信号的频率和相位是可编程，且无需外围器件.

　　采用DSP 为核心控制器件，对 DDS 输送频率控制字，使 DDS 输出相应频率和类型的信号，接口电路如图2 所示.

　　由于输入 25 MHz 的基准频率时，输出的精度可达 0. 1 Hz，故 AD9833 的⑤ 脚MCLK 的输入既可采用25 MHz 的有源晶振，也可采用 DSP 的 XCLKOUT 输出控制. DSP 与 AD9833 的接口采用 3-WIRE 串行方式，分别用 DSP 的 SPISTEA、SPICLKA、SPISIMOA 接 AD9833 的 FSYNC、SCLK 和 SDATA，通过 DSP 对其配置所需的控制字. ⑩脚输出即为所需要的 40 kHz 左右的超声方波信号.