CN106357129A - 信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源 - Google Patents
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Abstract
信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源，包括大功率变压器、信号发生模块、直流供电模块、前置放大电路、功率放大电路和超磁致伸缩换能器，大功率变压器的输入端直接连接电网，大功率变压器的输出端与直流供电模块的输入端连接，本发明采用直接数字频率合成技术和计算机控制技术设计信号发声模块，其控制电路结构紧凑，一旦改变控制方法，只需修改程序即可，无需变动硬件电路，程序下载便捷，在点频信号输出的基础上，增加线性调频信号的输出功能，线性调频信号是一种频率随时间逐渐变化的信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种换能器驱动电源,更确切的说是一种信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源。
背景技术
超磁致伸缩换能器以其功率大、能量转化率高、响应时间短、无过热失效的优点而有着广阔的应用前景，但是与之对应的智能化驱动系统的发展相对缓慢制约了其应用。
目前超磁致伸缩换能器驱动电源主要有两种：一类是开关电源，由电容、电阻和负载组成二阶放电回路，在放电电流达到最大时关断开关管，从而产生电流脉冲，用来驱动超换能器，受开关管开关速度的限制，电源的频率一般在20KHz以下，且信号源无法根据需求进行调整；第二类是逆变电源，使用模拟控制技术，因其采用大量的分散元件和电路板，导致系统的可靠性下降，输出信号的形式单一，只能输出普通的单频信号，且电源的电能利用率低，输出功率不足。
赵祥模、宋焕生在专利《超磁致伸缩稀土换能器驱动电源》(CN2914478)中，驱动电源采用开关管电路，电源频率较低，信号源不可控；张博在专利《声波测井发射换能器驱动系统》(CN102889079A)中，使用模拟控制技术，控制D/A转换器产生低压模拟波形，然后对信号进行功率放大，再驱动换能器，其信号源控制方法复杂，改变信号频率的同时需要对程序进行更改，操作不便；刘娜、于海波在专利《一种超声波换能器驱动电源》(CN104516290A)中，采用鉴相频率追踪的方法提高换能器的能量转化率，同时系统稳定性的下降，一旦改变控制方法，硬件电路也要进行改变；徐志刚在专利《一种稀土超磁致伸缩换能器驱动电源》(CN202004661U)中，采用数字化逆变电源，硬件电路复杂，电源输出的功率不足，信号输出形式单一。
发明内容
本发明的目的是提供一种信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源，能够解决上述的问题。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源，包括大功率变压器、信号发生模块、直流供电模块、前置放大电路、功率放大电路和超磁致伸缩换能器，大功率变压器的输入端直接连接电网，大功率变压器的输出端与直流供电模块的输入端连接，直流供电模块的输出端连接信号发生模块的电源输入端和功率放大电路的电源输入端，信号发生模块的输出端与前置放大电路的输入端连接，前置放大电路的输出端与功率放大电路的信号输入端连接，功率放大电路的输出端与超磁致伸缩换能器的输入端连接。
为了进一步实现本发明的目的，还可以采用以下技术方案:所述信号发生模块包括USB转串口、单片机控制电路、显示电路、DDS合成电路和信号调整输出电路，单片机控制电路的输入端通过导线连接按键电路，按键电路的输出端与单片机控制电路的输出端连接，单片机控制电路的输出端连接显示电路和DDS合成电路的输入端，DDS合成电路的输出端连接信号调整输出电路的输入端，单片机控制电路的下载端口连接USB转串口的输出端。所述直流供电模块由整流电路、滤波电路和稳压电路组成，大功率变压器的输出端连接到整流电路，整流电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与稳压电路的输入端连接，整流电路采用单相桥式整流电路，滤波电路采用电容滤波电路，稳压电路使用LT3758集成稳压器。所述单片机控制电路采用STC12LE5A60S2为控制核心，芯片的工作电压为3.3V，晶振为12MHz。所述DDS合成电路采用AD9851频率合成器为电路产生信号，单片机控制电路和DDS合成电路之间的具体连接关系为：芯片STC12LE5A60S2上的P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7口分别接AD9851频率合成器上的引脚4、3、2、1、28、27、26、25，芯片STC12LE5A60S2上的P20、P21、P22口分别接AD9851频率合成器上的引脚22、8、7；U6为125MHz的高频有源晶振，为AD9851芯片提供外部振荡信号；U7为MCP41010数字电位器，控制电路通过对数字电位器的调控实现对输出信号占空比的调节，该数字电位器与单片机控制电路的连接关系为：芯片STC12LE5A60S2上的P23、P24、P25口分别接MCP41010上的引脚1、2、3；进一步的，AD9851频率合成器通过引脚13输出方波信号，通过20、21引脚同步输出两组未经处理的原始正弦信号。所述信号调整输出电路选用的低通滤波电路为椭圆函数低通滤波器。所述USB转串口的芯片选用CH340T，单片机控制电路和USB转串口之间的具体连接关系为：芯片STC12LE5A60S2的TXD、RXD口分别接CH340的RXD、TXD端口。所述按键电路分为精调模式和编码器粗调模式两种模式。所述前置放大电路采用差分放大电路。
本发明的优点在于：本发明采用直接数字频率合成技术和计算机控制技术设计信号发声模块，其控制电路结构紧凑，一旦改变控制方法，只需修改程序即可，无需变动硬件电路，程序下载便捷，在点频信号输出的基础上，增加线性调频信号的输出功能，线性调频信号是一种频率随时间逐渐变化的信号，信号频率可以逐渐增加也可以逐渐减少，凭借其良好的自相关性、良好的穿透能力和抗噪能力以及可以减弱多普勒效应造成的不利影响的优势，成为了重要的检测用信号，本发明采用大功率变压器驱动功率放大电路确保电源的大功率输出。所述大功率变压器输入端直接与电网工频交流电连接，用以将电网电压进行电压转换，使变压器次级电压有效值与所需的直流电压接近，以便后续电路处理，为整个电源系统供电；所述直流供电模块将所述大功率变压器提供的交流电压分别进行处理，将交流电压先变换为单向脉动的直流电压，再滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电，然后进行稳压处理，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定；所述信号发生模块用于生成原始声源信号，对原始信号进行增益、占空比的调整，并输出给所述前置放大电路；所述前置放大电路接收来自信号发生模块的微弱电压信号，滤除噪声后选择所需要的声源信号，并将其电平放大到所述功率放大电路所能接受的输入范围；所述功率放大电路将经过所述前置放大电路处理后的信号进行电压放大，产生最大的功率输出，用以超磁致伸缩换能器工作。本发明还具有结构简洁紧凑、制造成本低廉和使用简便的优点。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源的结构示意图；
图2为本发明实施例中直流供电模块电路图；
图3为本发明实施例中信号发生模块硬件连接框图；
图4为本发明实施例中单片机控制电路的电路图；
图5为本发明实施例中DDS信号合成器的系统框图；
图6为本发明实施例中低通滤波电路电路图；
图7为本发明实施例中信号发生模块的软件流程图；
图8为本发明串口芯片的电路图；
图9为本发明按键电路的电路图；
图10为本发明信号发生模块的软件流程图；
图11为本发明的前置放大电路的电路图。
标注部件：1001大功率变压器 1002信号发生模块 1003直流供电模块 1004前置放大电路 1005功率放大电路 1006超磁致伸缩换能器 1007负载 3001按键电路 3002USB转串口 3003单片机控制电路 3004显示电路 3005DDS合成电路 3006信号调整输出电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源，如图1和图2所示，包括大功率变压器1001、信号发生模块1002、直流供电模块1003、前置放大电路1004、功率放大电路1005和超磁致伸缩换能器1006，大功率变压器1001的输入端直接连接电网，大功率变压器1001的输出端与直流供电模块1003的输入端连接，直流供电模块1003的输出端连接信号发生模块1002的电源输入端和功率放大电路1005的电源输入端，信号发生模块1002的输出端与前置放大电路1004的输入端连接，前置放大电路1004的输出端与功率放大电路1005的信号输入端连接，功率放大电路1005的输出端与超磁致伸缩换能器1006的输入端连接。
本发明采用直接数字频率合成技术和计算机控制技术设计信号发声模块，其控制电路结构紧凑，一旦改变控制方法，只需修改程序即可，无需变动硬件电路，程序下载便捷，在点频信号输出的基础上，增加线性调频信号的输出功能，线性调频信号是一种频率随时间逐渐变化的信号，信号频率可以逐渐增加也可以逐渐减少，凭借其良好的自相关性、良好的穿透能力和抗噪能力以及可以减弱多普勒效应造成的不利影响的优势，成为了重要的检测用信号，本发明采用大功率变压器1001驱动功率放大电路1005确保电源的大功率输出。所述大功率变压器输入端直接与电网工频交流电连接，用以将电网电压进行电压转换，使变压器次级电压有效值与所需的直流电压接近，以便后续电路处理，为整个电源系统供电；所述直流供电模块1003将所述大功率变压器1001提供的交流电压分别进行处理，将交流电压先变换为单向脉动的直流电压，再滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电，然后进行稳压处理，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定；所述信号发生模块1002用于生成原始声源信号，对原始信号进行增益、占空比的调整，并输出给所述前置放大电路1004；所述前置放大电路1004接收来自信号发生模块1002的微弱电压信号，滤除噪声后选择所需要的声源信号，并将其电平放大到所述功率放大电路所能接受的输入范围；所述功率放大电路1005将经过所述前置放大电路处理后的信号进行电压放大，产生最大的功率输出，用以超磁致伸缩换能器1006工作。
所述大功率变压器使用的是环形变压器，采用纯铜绕制，导磁导电率高，峰值输出功率可达4000W，实际输出功率为2100W，输出电压为±80V、±30V和12V。实际应用中，该驱动电源的输出功率达到了超磁换能器输出功率的两倍。
上述信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源中，信号发生模块包括：单片机控制电路、信号合成电路、信号调整输出电路、USB转串口电路、按键电路、显示电路，所述单片机控制电路、信号合成电路、信号调整输出电路依次相连；
所述单片机控制电路采用STC12LE5A60S2芯片；
所述信号合成电路包括AD9851频率合成器，芯片STC12LE5A60S2上的P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17口分别接AD9851频率合成器上的引脚4、3、2、1、28、27、26、25，芯片STC12LE5A60S2上的P20、P21、P22口分别接AD9851频率合成器上的引脚22、8、7；
所述调整输出电路对AD9851频率合成器发出的信号进行占空比和增益的初步调整并输出；
所述USB转串口电路采用CH340芯片，该电路提供微控制芯片下载编程,芯片STC12LE5A60S2的P30、P31口分别接CH340的引脚3、4；
所述显示电路采用TFT液晶显示器，芯片STC12LE5A60S2上的P23、P24、P25、P26、P27口分别接TFT液晶显示器上的引脚1、2、3、4、5；
所述按键电路包括步进加键、步进减键、确认按键、编码粗调旋钮、占空比调整旋钮、增益调整旋钮；
上述信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源中，直流供电模块包括：整流电路、滤波电路和稳压电路；
所述整流电路使用的是单相桥式整流电路；
所述滤波电路配备四个10000uF/125V的电解电容，输出端口装有保险管保护电路；
上述信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源中，前置放大电路，对输入信号采用IC处理,再经过双差分高频晶体管电路作前级放大；
上述信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源中，功率放大电路使用两级推动，
首先用中功率的三极管IRF610和IRF9610构成中间级，再用10对大功率管IRFP240，IRFP9240构成输出级。
如图3所示，所述信号发生模块1002包括USB转串口3002、单片机控制电路3003、显示电路3004、DDS合成电路3005和信号调整输出电路3006，单片机控制电路3003的输入端通过导线连接按键电路3001，按键电路3001的输出端与单片机控制电路3003的输出端连接，单片机控制电路3003的输出端连接显示电路3004和DDS合成电路3005的输入端，DDS合成电路3005的输出端连接信号调整输出电路3006的输入端，单片机控制电路3003的下载端口连接USB转串口3002的输出端。
所述直流供电模块1003由整流电路、滤波电路和稳压电路组成，大功率变压器1001的输出端连接到整流电路，整流电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与稳压电路的输入端连接，整流电路采用单相桥式整流电路，滤波电路采用电容滤波电路，稳压电路使用LM317集成稳压器。因电路供电需要双向电压，直流供电电路设计为正负双向电源。
如图4所示，所述单片机控制电路3003采用STC12LE5A60S2为控制核心，芯片的工作电压为3.3V，晶振为12MHz。
如图5和图6所示，所述DDS合成电路3005采用AD9851频率合成器为电路产生信号，单片机控制电路3003和DDS合成电路3005之间的具体连接关系为：芯片STC12LE5A60S2上的P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7口分别接AD9851频率合成器上的引脚4、3、2、1、28、27、26、25，芯片STC12LE5A60S2上的P20、P21、P22口分别接AD9851频率合成器上的引脚22、8、7；U6为125MHz的高频有源晶振，为AD9851芯片提供外部振荡信号；U7为MCP41010数字电位器，控制电路通过对数字电位器的调控实现对输出信号占空比的调节，该数字电位器与单片机控制电路的连接关系为：芯片STC12LE5A60S2上的P23、P24、P25口分别接MCP41010上的引脚1、2、3；进一步的，AD9851频率合成器通过引脚13输出方波信号，通过20、21引脚同步输出两组未经处理的原始正弦信号。比较器的基准输入端电压由数字电位器产生。
所述信号调整输出电路3006选用的低通滤波电路为椭圆函数低通滤波器。如图7所示,椭圆函数低通滤波器可以对原始正弦信号进行处理，消除干扰信号，使输出波形更加完美；U11为OPA657运算放大器，该运放的作用是对正弦信号进行增益调整，通过调节滑动变阻器R26来实现。
如图8所示，所述USB转串口3002的芯片选用CH340T，单片机控制电路3003和USB转串口3002之间的具体连接关系为：芯片STC12LE5A60S2的TXD、RXD口分别接CH340的RXD、TXD端口。本发明的单片机控制电路3003通过USB转串口3002进行程序的下载，简洁方便，节约硬件升级开发成本。
如图9所示，所述按键电路3001分为精调模式和编码器粗调模式两种模式。图a为按键精调，图b为编码器粗调；图a中按键S2、S3、S4、S5分别为步进加键、步进减键、确认\退出键、选择移动键；按下S5选择移动键对输出方式进行选择，若选择点频输出方式，按下S4确认\退出键对输出方式进行选定并进入频率设置界面，通过S2步进加键和S3步进减键，对输出频率进行步进模式加一或步进模式减一的方式进行调整，由于本发明实施例中信号发生器的频率调整范围为1Hz～65MHz，频率调整范围很大，为简化操作，首先通过S5选择移动键对调整位数进行选择再进行步进调整，例如需要得到2KHz的输出信号，只需通过S5选定千分位再通过S2步进加1两次即可得到该输出信号；频率调整完成后，按下S4键即可进行点频信号输出。同样的，若选择扫频方式进行输出，按下S4确认\退出键进入属性调整界面，同样的方法通过S2步进加键、S3步进减键和S5选择移动键对步进上限值、步进下限值、步进频率值和步进时间逐一进行设置，最后按下S4键即可进行扫频信号输出。
图b中的编码器，对该编码器可以进行顺时针旋转、逆时针旋转和按下操作，顺时针和逆时针旋转其功能与步进加键和步进减键的功能相当，按下操作其功能与S4确认\退出功能相当，通过编码器旋钮能够快速的对频率进行调整，操作非常简便，由于其精度不足，该调整方式主要用于软件调试和快速频率调整。
信号发生模块的软件流程图如图10所示，使用单片机完成对AD9851的控制和人机交互，系统以键盘为控制信息输入，单片机获取控制信号后处理，区别不同的状态，按照程序流程图，对系统进行控制，以达到用户要求。修改AD9851的频率控制字有并行和串行两种方式，由于系统由软件调频，要求频率变化的控制迅速，故采用并行方式控制AD9851,提高速度，实现较好的调频效果。
如图11所示，所述前置放大电路1004采用差分放大电路。本发明的差分放大电路利用镜像使单端输出差分放大电路的差模放大倍数提高，再经过双差分高频晶体管电路作前级放大；所述功率放大电路中，使用两对2SA1306，2SC3298构成偏置电路，然后通过两级推动进行功率放大，首先用中功率的三极管IRF610和IRF9610构成中间级，再用10对大功率管IRFP240，IRFP9240构成输出级。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于：包括大功率变压器(1001)、信号发生模块(1002)、直流供电模块(1003)、前置放大电路(1004)、功率放大电路(1005)和超磁致伸缩换能器(1006)，大功率变压器(1001)的输入端直接连接电网，大功率变压器(1001)的输出端与直流供电模块(1003)的输入端连接，直流供电模块(1003)的输出端连接信号发生模块(1002)的电源输入端和功率放大电路(1005)的电源输入端，信号发生模块(1002)的输出端与前置放大电路(1004)的输入端连接，前置放大电路(1004)的输出端与功率放大电路(1005)的信号输入端连接，功率放大电路(1005)的输出端与超磁致伸缩换能器(1006)的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于：所述信号发生模块(1002)包括USB转串口(3002)、单片机控制电路(3003)、显示电路(3004)、DDS合成电路(3005)和信号调整输出电路(3006)，单片机控制电路(3003)的输入端通过导线连接按键电路(3001)，按键电路(3001)的输出端与单片机控制电路(3003)的输出端连接，单片机控制电路(3003)的输出端连接显示电路(3004)和DDS合成电路(3005)的输入端，DDS合成电路(3005)的输出端连接信号调整输出电路(3006)的输入端，单片机控制电路(3003)的下载端口连接USB转串口(3002)的输出端。
3.根据权利要求1所述的信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于：所述直流供电模块(1003)由整流电路、滤波电路和稳压电路组成，大功率变压器(1001)的输出端连接到整流电路，整流电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与稳压电路的输入端连接，整流电路采用单相桥式整流电路，滤波电路采用电容滤波电路，稳压电路使用LM317集成稳压器。
4.根据权利要求1所述的信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于：所述单片机控制电路(3003)采用STC12LE5A60S2为控制核心，芯片的工作电压为3.3V，晶振为12MHz。
5.根据权利要求1所述的信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于：所述DDS合成电路(3005)采用AD9851频率合成器为电路产生信号，单片机控制电路(3003)和DDS合成电路(3005)之间的具体连接关系为：芯片STC12LE5A60S2上的P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7口分别接AD9851频率合成器上的引脚4、3、2、1、28、27、26、25，芯片STC12LE5A60S2上的P20、P21、P22口分别接AD9851频率合成器上的引脚22、8、7；U6为125MHz的高频有源晶振，为AD9851芯片提供外部振荡信号；U7为MCP41010数字电位器，控制电路通过对数字电位器的调控实现对输出信号占空比的调节，该数字电位器与单片机控制电路的连接关系为：芯片STC12LE5A60S2上的P23、P24、P25口分别接MCP41010上的引脚1、2、3；进一步的，AD9851频率合成器通过引脚13输出方波信号，通过20、21引脚同步输出两组未经处理的原始正弦信号。
6.根据权利要求1所述的信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于：所述信号调整输出电路(3006)选用的低通滤波电路为椭圆函数低通滤波器。
7.根据权利要求1所述的信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于：所述USB转串口(3002)的芯片选用CH340T，单片机控制电路(3003)和USB转串口(3002)之间的具体连接关系为：芯片STC12LE5A60S2的TXD、RXD口分别接CH340的RXD、TXD端口。
8.根据权利要求1所述的信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于：所述按键电路(3001)分为精调模式和编码器粗调模式两种模式。
9.根据权利要求1所述的信号源可控的超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于：所述前置放大电路(1004)采用差分放大电路。
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