本發(fā)明涉及一種換能器驅(qū)動電源,更確切的說是一種信號源可控的超磁致伸縮換能器驅(qū)動電源。

背景技術(shù)：

超磁致伸縮換能器以其功率大、能量轉(zhuǎn)化率高、響應(yīng)時(shí)間短、無過熱失效的優(yōu)點(diǎn)而有著廣闊的應(yīng)用前景，但是與之對應(yīng)的智能化驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展相對緩慢制約了其應(yīng)用。

目前超磁致伸縮換能器驅(qū)動電源主要有兩種：一類是開關(guān)電源，由電容、電阻和負(fù)載組成二階放電回路，在放電電流達(dá)到最大時(shí)關(guān)斷開關(guān)管，從而產(chǎn)生電流脈沖，用來驅(qū)動超換能器，受開關(guān)管開關(guān)速度的限制，電源的頻率一般在20KHz以下，且信號源無法根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整；第二類是逆變電源，使用模擬控制技術(shù)，因其采用大量的分散元件和電路板，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性下降，輸出信號的形式單一，只能輸出普通的單頻信號，且電源的電能利用率低，輸出功率不足。

趙祥模、宋煥生在專利《超磁致伸縮稀土換能器驅(qū)動電源》(CN2914478)中，驅(qū)動電源采用開關(guān)管電路，電源頻率較低，信號源不可控；張博在專利《聲波測井發(fā)射換能器驅(qū)動系統(tǒng)》(CN102889079A)中，使用模擬控制技術(shù)，控制D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生低壓模擬波形，然后對信號進(jìn)行功率放大，再驅(qū)動換能器，其信號源控制方法復(fù)雜，改變信號頻率的同時(shí)需要對程序進(jìn)行更改，操作不便；劉娜、于海波在專利《一種超聲波換能器驅(qū)動電源》(CN104516290A)中，采用鑒相頻率追蹤的方法提高換能器的能量轉(zhuǎn)化率，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性的下降，一旦改變控制方法，硬件電路也要進(jìn)行改變；徐志剛在專利《一種稀土超磁致伸縮換能器驅(qū)動電源》(CN202004661U)中，采用數(shù)字化逆變電源，硬件電路復(fù)雜，電源輸出的功率不足，信號輸出形式單一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種信號源可控的超磁致伸縮換能器驅(qū)動電源，能夠解決上述的問題。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

信號源可控的超磁致伸縮換能器驅(qū)動電源，包括大功率變壓器、信號發(fā)生模塊、直流供電模塊、前置放大電路、功率放大電路和超磁致伸縮換能器，大功率變壓器的輸入端直接連接電網(wǎng)，大功率變壓器的輸出端與直流供電模塊的輸入端連接，直流供電模塊的輸出端連接信號發(fā)生模塊的電源輸入端和功率放大電路的電源輸入端，信號發(fā)生模塊的輸出端與前置放大電路的輸入端連接，前置放大電路的輸出端與功率放大電路的信號輸入端連接，功率放大電路的輸出端與超磁致伸縮換能器的輸入端連接。

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，還可以采用以下技術(shù)方案:所述信號發(fā)生模塊包括USB轉(zhuǎn)串口、單片機(jī)控制電路、顯示電路、DDS合成電路和信號調(diào)整輸出電路，單片機(jī)控制電路的輸入端通過導(dǎo)線連接按鍵電路，按鍵電路的輸出端與單片機(jī)控制電路的輸出端連接，單片機(jī)控制電路的輸出端連接顯示電路和DDS合成電路的輸入端，DDS合成電路的輸出端連接信號調(diào)整輸出電路的輸入端，單片機(jī)控制電路的下載端口連接USB轉(zhuǎn)串口的輸出端。所述直流供電模塊由整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，大功率變壓器的輸出端連接到整流電路，整流電路的輸出端與濾波電路的輸入端連接，濾波電路的輸出端與穩(wěn)壓電路的輸入端連接，整流電路采用單相橋式整流電路，濾波電路采用電容濾波電路，穩(wěn)壓電路使用LT3758集成穩(wěn)壓器。所述單片機(jī)控制電路采用STC12LE5A60S2為控制核心，芯片的工作電壓為3.3V，晶振為12MHz。所述DDS合成電路采用AD9851頻率合成器為電路產(chǎn)生信號，單片機(jī)控制電路和DDS合成電路之間的具體連接關(guān)系為：芯片STC12LE5A60S2上的P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7口分別接AD9851頻率合成器上的引腳4、3、2、1、28、27、26、25，芯片STC12LE5A60S2上的P20、P21、P22口分別接AD9851頻率合成器上的引腳22、8、7；U6為125MHz的高頻有源晶振，為AD9851芯片提供外部振蕩信號；U7為MCP41010數(shù)字電位器，控制電路通過對數(shù)字電位器的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對輸出信號占空比的調(diào)節(jié)，該數(shù)字電位器與單片機(jī)控制電路的連接關(guān)系為：芯片STC12LE5A60S2上的P23、P24、P25口分別接MCP41010上的引腳1、2、3；進(jìn)一步的，AD9851頻率合成器通過引腳13輸出方波信號，通過20、21引腳同步輸出兩組未經(jīng)處理的原始正弦信號。所述信號調(diào)整輸出電路選用的低通濾波電路為橢圓函數(shù)低通濾波器。所述USB轉(zhuǎn)串口的芯片選用CH340T，單片機(jī)控制電路和USB轉(zhuǎn)串口之間的具體連接關(guān)系為：芯片STC12LE5A60S2的TXD、RXD口分別接CH340的RXD、TXD端口。所述按鍵電路分為精調(diào)模式和編碼器粗調(diào)模式兩種模式。所述前置放大電路采用差分放大電路。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)信號發(fā)聲模塊，其控制電路結(jié)構(gòu)緊湊，一旦改變控制方法，只需修改程序即可，無需變動硬件電路，程序下載便捷，在點(diǎn)頻信號輸出的基礎(chǔ)上，增加線性調(diào)頻信號的輸出功能，線性調(diào)頻信號是一種頻率隨時(shí)間逐漸變化的信號，信號頻率可以逐漸增加也可以逐漸減少，憑借其良好的自相關(guān)性、良好的穿透能力和抗噪能力以及可以減弱多普勒效應(yīng)造成的不利影響的優(yōu)勢，成為了重要的檢測用信號，本發(fā)明采用大功率變壓器驅(qū)動功率放大電路確保電源的大功率輸出。所述大功率變壓器輸入端直接與電網(wǎng)工頻交流電連接，用以將電網(wǎng)電壓進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，使變壓器次級電壓有效值與所需的直流電壓接近，以便后續(xù)電路處理，為整個(gè)電源系統(tǒng)供電；所述直流供電模塊將所述大功率變壓器提供的交流電壓分別進(jìn)行處理，將交流電壓先變換為單向脈動的直流電壓，再濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電，然后進(jìn)行穩(wěn)壓處理，使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定；所述信號發(fā)生模塊用于生成原始聲源信號，對原始信號進(jìn)行增益、占空比的調(diào)整，并輸出給所述前置放大電路；所述前置放大電路接收來自信號發(fā)生模塊的微弱電壓信號，濾除噪聲后選擇所需要的聲源信號，并將其電平放大到所述功率放大電路所能接受的輸入范圍；所述功率放大電路將經(jīng)過所述前置放大電路處理后的信號進(jìn)行電壓放大，產(chǎn)生最大的功率輸出，用以超磁致伸縮換能器工作。本發(fā)明還具有結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、制造成本低廉和使用簡便的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的信號源可控的超磁致伸縮換能器驅(qū)動電源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中直流供電模塊電路圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中信號發(fā)生模塊硬件連接框圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中單片機(jī)控制電路的電路圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中DDS信號合成器的系統(tǒng)框圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中低通濾波電路電路圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中信號發(fā)生模塊的軟件流程圖；

圖8為本發(fā)明串口芯片的電路圖；

圖9為本發(fā)明按鍵電路的電路圖；

圖10為本發(fā)明信號發(fā)生模塊的軟件流程圖；

圖11為本發(fā)明的前置放大電路的電路圖。

標(biāo)注部件：1001大功率變壓器 1002信號發(fā)生模塊 1003直流供電模塊 1004前置放大電路 1005功率放大電路 1006超磁致伸縮換能器 1007負(fù)載 3001按鍵電路 3002USB轉(zhuǎn)串口 3003單片機(jī)控制電路 3004顯示電路 3005DDS合成電路 3006信號調(diào)整輸出電路。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

信號源可控的超磁致伸縮換能器驅(qū)動電源，如圖1和圖2所示，包括大功率變壓器1001、信號發(fā)生模塊1002、直流供電模塊1003、前置放大電路1004、功率放大電路1005和超磁致伸縮換能器1006，大功率變壓器1001的輸入端直接連接電網(wǎng)，大功率變壓器1001的輸出端與直流供電模塊1003的輸入端連接，直流供電模塊1003的輸出端連接信號發(fā)生模塊1002的電源輸入端和功率放大電路1005的電源輸入端，信號發(fā)生模塊1002的輸出端與前置放大電路1004的輸入端連接，前置放大電路1004的輸出端與功率放大電路1005的信號輸入端連接，功率放大電路1005的輸出端與超磁致伸縮換能器1006的輸入端連接。

本發(fā)明采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)信號發(fā)聲模塊，其控制電路結(jié)構(gòu)緊湊，一旦改變控制方法，只需修改程序即可，無需變動硬件電路，程序下載便捷，在點(diǎn)頻信號輸出的基礎(chǔ)上，增加線性調(diào)頻信號的輸出功能，線性調(diào)頻信號是一種頻率隨時(shí)間逐漸變化的信號，信號頻率可以逐漸增加也可以逐漸減少，憑借其良好的自相關(guān)性、良好的穿透能力和抗噪能力以及可以減弱多普勒效應(yīng)造成的不利影響的優(yōu)勢，成為了重要的檢測用信號，本發(fā)明采用大功率變壓器1001驅(qū)動功率放大電路1005確保電源的大功率輸出。所述大功率變壓器輸入端直接與電網(wǎng)工頻交流電連接，用以將電網(wǎng)電壓進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，使變壓器次級電壓有效值與所需的直流電壓接近，以便后續(xù)電路處理，為整個(gè)電源系統(tǒng)供電；所述直流供電模塊1003將所述大功率變壓器1001提供的交流電壓分別進(jìn)行處理，將交流電壓先變換為單向脈動的直流電壓，再濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電，然后進(jìn)行穩(wěn)壓處理，使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定；所述信號發(fā)生模塊1002用于生成原始聲源信號，對原始信號進(jìn)行增益、占空比的調(diào)整，并輸出給所述前置放大電路1004；所述前置放大電路1004接收來自信號發(fā)生模塊1002的微弱電壓信號，濾除噪聲后選擇所需要的聲源信號，并將其電平放大到所述功率放大電路所能接受的輸入范圍；所述功率放大電路1005將經(jīng)過所述前置放大電路處理后的信號進(jìn)行電壓放大，產(chǎn)生最大的功率輸出，用以超磁致伸縮換能器1006工作。

所述大功率變壓器使用的是環(huán)形變壓器，采用純銅繞制，導(dǎo)磁導(dǎo)電率高，峰值輸出功率可達(dá)4000W，實(shí)際輸出功率為2100W，輸出電壓為±80V、±30V和12V。實(shí)際應(yīng)用中，該驅(qū)動電源的輸出功率達(dá)到了超磁換能器輸出功率的兩倍。

上述信號源可控的超磁致伸縮換能器驅(qū)動電源中，信號發(fā)生模塊包括：單片機(jī)控制電路、信號合成電路、信號調(diào)整輸出電路、USB轉(zhuǎn)串口電路、按鍵電路、顯示電路，所述單片機(jī)控制電路、信號合成電路、信號調(diào)整輸出電路依次相連；

所述單片機(jī)控制電路采用STC12LE5A60S2芯片；

所述信號合成電路包括AD9851頻率合成器，芯片STC12LE5A60S2上的P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17口分別接AD9851頻率合成器上的引腳4、3、2、1、28、27、26、25，芯片STC12LE5A60S2上的P20、P21、P22口分別接AD9851頻率合成器上的引腳22、8、7；

所述調(diào)整輸出電路對AD9851頻率合成器發(fā)出的信號進(jìn)行占空比和增益的初步調(diào)整并輸出；

所述USB轉(zhuǎn)串口電路采用CH340芯片，該電路提供微控制芯片下載編程,芯片STC12LE5A60S2的P30、P31口分別接CH340的引腳3、4；

所述顯示電路采用TFT液晶顯示器，芯片STC12LE5A60S2上的P23、P24、P25、P26、P27口分別接TFT液晶顯示器上的引腳1、2、3、4、5；

所述按鍵電路包括步進(jìn)加鍵、步進(jìn)減鍵、確認(rèn)按鍵、編碼粗調(diào)旋鈕、占空比調(diào)整旋鈕、增益調(diào)整旋鈕；

上述信號源可控的超磁致伸縮換能器驅(qū)動電源中，直流供電模塊包括：整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路；

所述整流電路使用的是單相橋式整流電路；

所述濾波電路配備四個(gè)10000uF/125V的電解電容，輸出端口裝有保險(xiǎn)管保護(hù)電路；

上述信號源可控的超磁致伸縮換能器驅(qū)動電源中，前置放大電路，對輸入信號采用IC處理,再經(jīng)過雙差分高頻晶體管電路作前級放大；

上述信號源可控的超磁致伸縮換能器驅(qū)動電源中，功率放大電路使用兩級推動，

首先用中功率的三極管IRF610和IRF9610構(gòu)成中間級，再用10對大功率管IRFP240，IRFP9240構(gòu)成輸出級。

如圖3所示，所述信號發(fā)生模塊1002包括USB轉(zhuǎn)串口3002、單片機(jī)控制電路3003、顯示電路3004、DDS合成電路3005和信號調(diào)整輸出電路3006，單片機(jī)控制電路3003的輸入端通過導(dǎo)線連接按鍵電路3001，按鍵電路3001的輸出端與單片機(jī)控制電路3003的輸出端連接，單片機(jī)控制電路3003的輸出端連接顯示電路3004和DDS合成電路3005的輸入端，DDS合成電路3005的輸出端連接信號調(diào)整輸出電路3006的輸入端，單片機(jī)控制電路3003的下載端口連接USB轉(zhuǎn)串口3002的輸出端。

所述直流供電模塊1003由整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，大功率變壓器1001的輸出端連接到整流電路，整流電路的輸出端與濾波電路的輸入端連接，濾波電路的輸出端與穩(wěn)壓電路的輸入端連接，整流電路采用單相橋式整流電路，濾波電路采用電容濾波電路，穩(wěn)壓電路使用LM317集成穩(wěn)壓器。因電路供電需要雙向電壓，直流供電電路設(shè)計(jì)為正負(fù)雙向電源。

如圖4所示，所述單片機(jī)控制電路3003采用STC12LE5A60S2為控制核心，芯片的工作電壓為3.3V，晶振為12MHz。

如圖5和圖6所示，所述DDS合成電路3005采用AD9851頻率合成器為電路產(chǎn)生信號，單片機(jī)控制電路3003和DDS合成電路3005之間的具體連接關(guān)系為：芯片STC12LE5A60S2上的P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7口分別接AD9851頻率合成器上的引腳4、3、2、1、28、27、26、25，芯片STC12LE5A60S2上的P20、P21、P22口分別接AD9851頻率合成器上的引腳22、8、7；U6為125MHz的高頻有源晶振，為AD9851芯片提供外部振蕩信號；U7為MCP41010數(shù)字電位器，控制電路通過對數(shù)字電位器的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對輸出信號占空比的調(diào)節(jié)，該數(shù)字電位器與單片機(jī)控制電路的連接關(guān)系為：芯片STC12LE5A60S2上的P23、P24、P25口分別接MCP41010上的引腳1、2、3；進(jìn)一步的，AD9851頻率合成器通過引腳13輸出方波信號，通過20、21引腳同步輸出兩組未經(jīng)處理的原始正弦信號。比較器的基準(zhǔn)輸入端電壓由數(shù)字電位器產(chǎn)生。

所述信號調(diào)整輸出電路3006選用的低通濾波電路為橢圓函數(shù)低通濾波器。如圖7所示,橢圓函數(shù)低通濾波器可以對原始正弦信號進(jìn)行處理，消除干擾信號，使輸出波形更加完美；U11為OPA657運(yùn)算放大器，該運(yùn)放的作用是對正弦信號進(jìn)行增益調(diào)整，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R26來實(shí)現(xiàn)。

如圖8所示，所述USB轉(zhuǎn)串口3002的芯片選用CH340T，單片機(jī)控制電路3003和USB轉(zhuǎn)串口3002之間的具體連接關(guān)系為：芯片STC12LE5A60S2的TXD、RXD口分別接CH340的RXD、TXD端口。本發(fā)明的單片機(jī)控制電路3003通過USB轉(zhuǎn)串口3002進(jìn)行程序的下載，簡潔方便，節(jié)約硬件升級開發(fā)成本。

如圖9所示，所述按鍵電路3001分為精調(diào)模式和編碼器粗調(diào)模式兩種模式。圖a為按鍵精調(diào)，圖b為編碼器粗調(diào)；圖a中按鍵S2、S3、S4、S5分別為步進(jìn)加鍵、步進(jìn)減鍵、確認(rèn)\退出鍵、選擇移動鍵；按下S5選擇移動鍵對輸出方式進(jìn)行選擇，若選擇點(diǎn)頻輸出方式，按下S4確認(rèn)\退出鍵對輸出方式進(jìn)行選定并進(jìn)入頻率設(shè)置界面，通過S2步進(jìn)加鍵和S3步進(jìn)減鍵，對輸出頻率進(jìn)行步進(jìn)模式加一或步進(jìn)模式減一的方式進(jìn)行調(diào)整，由于本發(fā)明實(shí)施例中信號發(fā)生器的頻率調(diào)整范圍為1Hz～65MHz，頻率調(diào)整范圍很大，為簡化操作，首先通過S5選擇移動鍵對調(diào)整位數(shù)進(jìn)行選擇再進(jìn)行步進(jìn)調(diào)整，例如需要得到2KHz的輸出信號，只需通過S5選定千分位再通過S2步進(jìn)加1兩次即可得到該輸出信號；頻率調(diào)整完成后，按下S4鍵即可進(jìn)行點(diǎn)頻信號輸出。同樣的，若選擇掃頻方式進(jìn)行輸出，按下S4確認(rèn)\退出鍵進(jìn)入屬性調(diào)整界面，同樣的方法通過S2步進(jìn)加鍵、S3步進(jìn)減鍵和S5選擇移動鍵對步進(jìn)上限值、步進(jìn)下限值、步進(jìn)頻率值和步進(jìn)時(shí)間逐一進(jìn)行設(shè)置，最后按下S4鍵即可進(jìn)行掃頻信號輸出。

圖b中的編碼器，對該編碼器可以進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)和按下操作，順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)其功能與步進(jìn)加鍵和步進(jìn)減鍵的功能相當(dāng)，按下操作其功能與S4確認(rèn)\退出功能相當(dāng)，通過編碼器旋鈕能夠快速的對頻率進(jìn)行調(diào)整，操作非常簡便，由于其精度不足，該調(diào)整方式主要用于軟件調(diào)試和快速頻率調(diào)整。

信號發(fā)生模塊的軟件流程圖如圖10所示，使用單片機(jī)完成對AD9851的控制和人機(jī)交互，系統(tǒng)以鍵盤為控制信息輸入，單片機(jī)獲取控制信號后處理，區(qū)別不同的狀態(tài)，按照程序流程圖，對系統(tǒng)進(jìn)行控制，以達(dá)到用戶要求。修改AD9851的頻率控制字有并行和串行兩種方式，由于系統(tǒng)由軟件調(diào)頻，要求頻率變化的控制迅速，故采用并行方式控制AD9851,提高速度，實(shí)現(xiàn)較好的調(diào)頻效果。

如圖11所示，所述前置放大電路1004采用差分放大電路。本發(fā)明的差分放大電路利用鏡像使單端輸出差分放大電路的差模放大倍數(shù)提高，再經(jīng)過雙差分高頻晶體管電路作前級放大；所述功率放大電路中，使用兩對2SA1306，2SC3298構(gòu)成偏置電路，然后通過兩級推動進(jìn)行功率放大，首先用中功率的三極管IRF610和IRF9610構(gòu)成中間級，再用10對大功率管IRFP240，IRFP9240構(gòu)成輸出級。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。