可控雙極性高壓脈沖超聲激勵電源設計與實現

陳 富

（江西應用工程職業學院，江西 萍鄉 337042）

0 引 言

超聲檢測技術作為一種性能較優的無損檢測技術，當前已經被大范圍地應用于工業生產等領域，而在實際應用的過程中，整體系統所包含的換能器的頻率、周期數的可控性、重復的頻率以及驅動電壓的幅值都需要進行匹配，因此要使用可控雙極性高壓脈沖超聲激勵電源進行調控。本文針對此項電源設計思路以及實現方式進行研究，以期能為相關人員和企業單位提供參考。

1 可控雙極性高壓脈沖超聲激勵電源內涵

超聲檢測技術是當前5大常規檢測技術之一，具備針對性強、適用范圍大并且穿透力較高的特點，檢測結果較為準確，并且可以保證檢測對象的完好無損性?，F代工業技術中，常會使用超聲波來進行相關檢測作業，而隨著我國科學技術的發展，當前對于產生電源的性能以及檢測能力又有了更高的要求[1]。檢測技術不僅要對靜態客體進行檢測，還要對動態構件進行檢測，而超聲檢測技術具有應用范圍較廣的特點，在多數情況下都會采用超聲檢測技術對動態構件進行檢測，但這需要檢測系統中的激勵信號電壓、周期頻率、周期數和極性等能夠隨著動態構件進行實時變化調整[2]。為了有效控制電源參數，需要加強系統更新設計，便于強化電源系統的運行效果。針對當前工業領域作業的實際需求，利用全橋驅動產生的雙極性激勵信號激發換能器，實現激勵電源的應用能夠進一步滿足高壓超聲電源的實際配置與需求[3]。

2 可控雙極性高壓脈沖超聲激勵電源設計

2.1 整體框架設計

在可控雙極性高壓脈沖超聲激勵電源設計環節，涵蓋多個組成模塊，如ARM控制模塊、隔離模塊、數控高壓源和激勵信號產生模塊等，如圖1所示。在整個系統框架設計期間，激勵信號產生模塊主要是依托超聲驅動超聲換能器采集信號；數控高壓源模塊作為供應直流高壓電源的部分，能夠被外接電壓把控；ARM控制模塊的時鐘頻率可達到170 MHz，整體能耗不高，與上位機保持對應關系，在獲取上位機指令后經過解碼實現信息轉換；隔離模塊主要用作芯片保護元件，能保障電源的安全。

在實際設計中，設計人員既要把握好各部件的關聯性，又要對其正常運行流程進行深入了解，借此提升可用性及其適用性，促使超聲檢測工作得到可靠保障[4]。其中，系統運行階段先從上位機采集轉換信號，經由串口轉換模塊對信號信息進行解碼操作，而后展開備份處理并進入隔離模塊。解碼階段包括兩個渠道，除了備份外，也要借助數字模擬轉換器（Digital to Analog Converter，DAC）在激勵信號產生，模塊間經由數控高壓源建立連通關系，促使該電源系統滿足實際需求。

2.2 全橋電路原理

在確定系統構建框架后，需要對各模塊細節加以科學分析，便于改善系統性能。全橋的電路將采用拓撲結構，其整體控制路程可以參考圖2。當全橋變換處于正半周期內，則Q4和Q1的導通由input_H1信號進行控制，與此同時Q3和Q2要在關閉的狀態，信號的流向如step1所示。而當全橋變換的周期處于負半周期時，則Q2以及Q3的導通控制由input_L1進行控制，而此時的Q4和Q1應當處于一個交替關閉的狀態，其信號流向如step2所示。整套系統都通過這種交替開關的方式進行作業，只有這樣才能保證雙極性激勵電壓的產生，為后期的作業提供良好的基礎。而為配合雙極性激勵電壓的輸出，信號的控制時序上，則采用了兩周期雙極性驅動的模式，這樣能夠保證系統之內的激勵信號頻率和重復頻率、周期數以及極性得到良好的匹配，其時序控制如圖3所示[5,6]。

圖2 全橋電路拓撲

圖3 驅動信號控制時序

2.3 信號產生電路

信號產生電路也是系統設計的重要部分，按照基本需求則要采用雙極性激勵信號產生電路，并且指標要設置成電壓連續可調的狀態。本文在設計時將電壓所能夠輸出的最高峰值設置為1 000 V，并且系統中激勵信號的脈寬、重復頻率、周期性以及極性均要設置為可調控，最小頻率為20 kHz、最大為2 000 kHz，還要保證通道的可擴展性。經系統性能需求綜合分析，在雙極性驅動電路的硬件選擇方面則采用了由SILICON LABS公司所設計的Si8273橋式驅動集成電路芯片，其工作頻率為5 000 kHz，輸入邏輯電平為2.5～5.0 V，驅動電壓理論值為1 500 V，且具備優良的抗干擾性與可調節功能。

在設計的過程中不僅要篩選出適合電路的相關元器件，還要發射電路模塊化設計環節，提前預留出控制的信號端口，只有這樣才能夠實現通過的擴展[7]。而在電路的開關管選擇方面，不僅要注重其質量和安全問題，更要從經濟性的角度出發，選擇低損耗且速率較高的開關管。本文在實踐過程中則采用了高速開關管（STP4N90K5），這種高頻高壓的功率金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）可以進一步提升系統的運作效率。在實際操作的過程中由于全橋驅動高頻激勵信號，導致漏極電流較大，另外因為MOS開關會相對敏感，所以一定要注意此類問題，不然會使得開關損耗過多。為在實際運行過程中能夠消除尖峰電壓，從而提高開關管工作的質量，應使用剩余電流裝置（Residual Current Device，RCD）吸收電路，這樣能夠進一步制約電流電壓出現不穩定的狀態。

2.4 數控電源模塊

在數控電源模塊設計環節，需要選取適合的電源元件。實際選擇期間，仍然秉持了經濟性和實用性的原則，選取由東文高壓源公司所制造的電源模塊DWP102-20F74，其輸入電壓為24 V，輸出電壓為0～1 000 V，能夠進一步滿足系統設計標準，輸出電流為20 mA，在控制模式方面則采用了DAC（0～5 V）外部控制，這樣能夠提高控制直流輸出電壓的精準度[8]。另外，基于ARM控制模塊在DAC芯片的輸出電平最高才能達到3.3 V，因此必須要在外部連接一個運算放大器，用于調節電壓的大小，本文則采用了LM385。

2.5 換能器的頻率

在系統設置中要依靠雙極性信號激勵超聲換能器才能使得系統的工作效率在運行過程中達到最高，而為了達到這一效果，則要將超聲換能器調控至一個最佳狀態，進一步保證能量轉化成最大效率[6]。設計時，首先應依靠電工學等效電阻計算公式計算換電器等效后的電抗頻率函數，然后得出激勵超聲換能器電壓的發射功率，利用MATLAB進行阻抗-頻率特性曲線及功率-頻率特性曲線的繪制，并以此作為分析和參考的依據，最終得出換能器的最佳頻率。經計算和繪圖分析后得出結論，串聯諧振點處的輸出功率最高，并且等效阻抗最低，因此換能器諧振頻率點脈寬應和所輸出的雙極性激勵脈沖相匹配。

2.6 USB轉串口模塊

為提高系統整體的通信水平，則設計了USB轉串口模塊，將計算機的USB2.0協議與串口協議實現轉換，這樣就可以幫助嵌入式主控與計算機之間達成雙向通信。轉換芯片則使用了CH340C，其內部時鐘具備高精度的特征，因此就無需使用外部晶振來配合，其所支持的通信波特率范圍為120 kb/s左右，高速運行的狀態下仍具有較強的穩定性。

3 可控雙極性高壓脈沖超聲激勵電源實現

3.1 系統軟件的開發

根據上述系統設計步驟，在實現應用環節則要加大嵌入式程序的設計，綜合調控激勵電壓極性、周期數、激勵信號頻率以及重復頻率的同時，更要注重人員實際操作的便捷性與通信流程性。首先，嵌入式控制模塊起到了解碼PC端上位機控制命令的作用，保證系統程序能夠按照命令執行相關操作。而連接輔助設備模塊（Ancillary Equipment Module，AEM）核心芯片以及PC端之間的通信方式則為串口通信，在此通信系統中未涵蓋ARM控制模塊的信號反饋功能，通過配置單工異步工作通信模式則可完成整個程序流程。系統初始化環節，不僅包括串口參數以及定時器的初始化，還內含串口時鐘的復位以及使能、內嵌向量中斷控制器（Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC）初始化環節。在等待串口中斷期間，則要依靠ARM控制模塊的處理器完成這一作業環節，當收到命令以后，馬上進入到中斷處理函數中，通過解碼的方式轉化控制命令。最終所生成的命令結果需要依托全橋控制線路以及DAC通道完成輸出任務，只有這樣才可對系統中的各指數需求進行在線調配[9]。

為方便工作人員在上位機界面的處理，在實際應用過程中還要加大對上位機軟件的開發研究力度，結合理論知識和實際研究結果綜合分析。本程序的模塊開發則采用了PyQt5，其優勢在于自配有Pyserial庫，這樣能夠滿足USB虛擬串口的實際配置需求。在實踐過程中，則要在main函數中挑選一個繼承類的繪制界面，然后打開相應的功能函數，最后在主函數部分創建線程，完成最終的界面設置。另外在界面中還需要包括以下幾種功能：一是智能超聲電源可以在此界面中完成各項數值的設置，并且換能器也可在其中對激勵的頻率進行選擇；二是保證發射的陣列以及雙極性周期和極性選擇也能夠在界面中完成。

3.2 測試最終的結果

為保證在實際應用過程中的準確性，則要通過上位機界面對整個系統程序進行檢測，實物檢測所需要使用到的主要設備為上位機、超聲高壓源、超聲換能器。其中，上位機的配置為雙極性電源，負極性中具備1 000 V，0.25 MHz的峰值，每20 μs重復1次脈沖作業，每2個周期為1循環。在正極性中以2個半周期為主，保持5 μs的脈沖重復周期[10]。

4 結 論

可控雙極性高壓脈沖超聲激勵電源在超聲檢測技術中發揮著重要的作用，其能夠起到調控換能器頻率、周期數、重復頻率以及驅動電壓復制的作用，按照設計思路與實現方式，此系統經過優化設計后具備突出的參數控制特征，且應用范圍廣泛，可支撐超聲檢測事項。