基于AD9832的高頻超聲波驅(qū)動電路的設(shè)計研究

王 熙，朱 虹，鄭麗敏，3，田立軍，任發(fā)政

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083；3.食品質(zhì)量與安全北京實驗室 北京 100083）

基于AD9832的高頻超聲波驅(qū)動電路的設(shè)計研究

王 熙1，朱 虹1，鄭麗敏1，3，田立軍1，任發(fā)政2，3

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083；3.食品質(zhì)量與安全北京實驗室 北京 100083）

為了探究超聲波檢測技術(shù)在豬妊娠診斷中的應(yīng)用，進一步了解和研究高頻超聲波檢測系統(tǒng)中超聲波產(chǎn)生驅(qū)動電路，設(shè)計了一種基于直接頻率合成器（DDS）芯片AD9832的高頻超聲波驅(qū)動電路系統(tǒng)。根據(jù)AD9832的工作原理，采用AVR單片機控制AD9832產(chǎn)生2 MHz脈沖，經(jīng)過帶通濾波器濾波，使用脈沖變壓器放大電壓，激勵超聲波換能器發(fā)射高頻超聲波。通過電路仿真和制作PCB板輸出波形的方法來分析電路的處理效果。結(jié)果表明各部分電路設(shè)計合理實用，并且系統(tǒng)體積小，成本低，功耗小，可以為高頻超聲波檢測系統(tǒng)的設(shè)計提供參考和依據(jù)。

超聲波驅(qū)動；AD9832；處理電路；高頻；豬妊娠檢測

目前的養(yǎng)豬業(yè)生產(chǎn)中，早期妊娠診斷可以提高豬繁殖率和養(yǎng)豬場的經(jīng)濟效益。簡便有效的進行早期妊娠診斷，是畜牧獸醫(yī)工作者長期以來試圖解決的問題之一[1]。在妊娠診斷方法中超聲檢測無損傷，無痛苦，安全，使用簡便使其應(yīng)用廣泛。生物體內(nèi)組織的聲衰減系數(shù)與頻率成線性關(guān)系，頻率越低，波長越長，探測深度越大，分辨力變差；相反深度越小，分辨率越好。用于生物組織成像的超聲波標(biāo)準(zhǔn)范圍是2～20 MHz，通常用于動物活體估測的超聲波頻率在1～5 MHz之間，3.0～3.5 MHz之間使用的最普遍[2]。為了適當(dāng)加深探測深度，本文探究了2 MHz超聲波的產(chǎn)生和驅(qū)動電路系統(tǒng)。

本文采用AVR單片機芯片ATmega128A控制DDS芯片AD9832產(chǎn)生2 MHz高頻脈沖；為了消除脈沖毛刺和雜波干擾，設(shè)計有源帶通濾波器進行濾波，給出了參數(shù)計算方法，同時濾波電路也起到了一定程度的放大作用；最后經(jīng)過MOS管放大用脈沖變壓器升高電壓，激勵相同諧振頻率的超聲波換能器，發(fā)射高頻超聲波。這個超聲波驅(qū)動發(fā)射系統(tǒng)體積小，價格低，控制方便。可以為超聲波技術(shù)在豬妊娠檢測和其他高頻超聲檢測領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 DDS芯片AD9832工作原理

直接數(shù)字式頻率合成（DDS）是新一代的頻率合成方法，它的特點是信號建立時間快，頻率分辨率高，頻率轉(zhuǎn)換時相位保持連續(xù)等[3]。AD9832是一款較完備的DDS芯片，使用方便，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用在各種電子通信與檢測系統(tǒng)中。

AD9832的組成是由數(shù)控振蕩器和相位累加器、余弦查詢表和一個10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC組成。而數(shù)控振蕩器和相位累加器主要由2個頻率寄存器、1個相位累加器和4個相位寄存器構(gòu)成[3]。構(gòu)成原理圖如圖1所示。

圖1 AD9832組成原理圖Fig.1 Schematic diagram of AD9832's composition

AD9832工作時，首先設(shè)置頻率控制字和起始相位，相位累加器在每個時鐘周期與頻率控制字K所決定的相位增量累加一次，當(dāng)累加器的數(shù)值大于2N則自動溢出，累加器只保留后面的N位數(shù)字[3]，其中N為相位累加器的位數(shù)。作為地址信息，該N位數(shù)字輸入到正弦查詢表。正弦查詢表包括一個周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個地址對應(yīng)0～2π范圍內(nèi)一個相位點，存放該相位點的幅度數(shù)值[3]。這樣正弦查詢表就完成了從相位累加器輸出的相位值到正弦幅度值的轉(zhuǎn)換。取出的幅度數(shù)值被送到高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換成模擬量，再通過后級的低通濾波器濾除雜散高次諧波，就可以得到較平滑的正弦波。由此可以看出，輸出頻率Fout由時鐘頻率fclk和頻率控制字K決定。

AD9832的相位累加器位數(shù)N是32位。頻率控制字K是由N位二進制數(shù)組成的，范圍是0＜K＜232。若時鐘頻率fclk=25 MHz，要產(chǎn)生Fout=2 MHz，則頻率控制字為

AD9832的最小分辨率為可以看出AD9832具有較高的頻率分辨率。

綜合以上，使用AD9832芯片輸出高頻脈沖是因為輸出頻率只由頻率控制字和時鐘頻率決定，時鐘由外部獨立的有源石英晶體振蕩器提供，最高可以產(chǎn)生12.5 MHz的正弦波。因此頻率穩(wěn)定性高，頻率分辨率高，相位頻率帶寬很寬，可以產(chǎn)生一般頻率合成器難以產(chǎn)生的正弦波，而且易于微處理器控制。

2 超聲波處理電路設(shè)計

超聲波發(fā)射處理電路主要研究了包括單片機控制電路、DDS產(chǎn)生高頻脈沖電路、帶通濾波電路和放大驅(qū)動電路，電路原理圖如圖2所示。其中（a）圖是單片機控制AD9832產(chǎn)生脈沖電路原理圖，（b）圖是帶通濾波器的設(shè)計電路圖，（c）是放大驅(qū)動超聲波換能器電路圖。通過設(shè)計構(gòu)建實際電路和電路仿真的方式對這幾部分電路進行分析研究。

2.1 AVR單片機控制電路

電路的控制芯片采用AVR單片機ATmega128A-AU型。支持5 V/3.3 V工作電壓，5 V電壓工作時支持最高晶振頻率16 MHz。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。AVR采用Harvard結(jié)構(gòu)，具有獨立的數(shù)據(jù)和程序總線，其數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。電路系統(tǒng)通過單片機SPI接口與AD9832實現(xiàn)數(shù)據(jù)和時鐘的通訊。

圖2 超聲波驅(qū)動電路原理圖Fig.2 Schematic of ultrasonic driver

2.2 脈沖產(chǎn)生電路

激勵超聲波換能器發(fā)射超聲波首先需要有相同頻率的脈沖信號產(chǎn)生，在超聲波檢測系統(tǒng)中通常有幾種方法，一種是微控制器如單片機基于晶振產(chǎn)生脈沖；另一種是利用方波發(fā)生器如NE555芯片搭建的555時基集成電路[4]產(chǎn)生方波。但這些方法一般適用于低頻脈沖的情況，不能或難以保證高頻脈沖的產(chǎn)生和穩(wěn)定。

直接數(shù)字式頻率合成（DDS）芯片產(chǎn)生頻率范圍寬、穩(wěn)定且分辨率高，AD9832芯片及周圍電路設(shè)計如圖2（a）圖所示。頻率合成芯片AD9832的3個管腳SCLK、SDATA、FSYNC通過與單片機PB引腳連接，利用單片機端口B的第二功能即串行通訊接口SPI的數(shù)據(jù)傳輸方式來輸入串行時鐘SCLK、數(shù)據(jù)SDATA包括命令和控制字等、數(shù)據(jù)寫入標(biāo)識FSYNC。MCLK引腳通過連接25 MHz有源晶振為AD9832提供數(shù)字時鐘。

單片機控制AD9832產(chǎn)生高頻脈沖波，用示波器探頭連接其輸出端，顯示脈沖波形。波形圖如圖3所示。由圖中可以看出AD9832能產(chǎn)生較平滑穩(wěn)定的正弦波，經(jīng)測量頻率在2 MHz左右。

圖3 實測AD9832產(chǎn)生脈沖波形圖Fig.3 Measured waveform of pulse generated by AD9832

2.3 帶通濾波電路

以往濾波電路主要采用無源元件R、L、C組成。集成運放迅速發(fā)展后，由它和R、C組成的有源濾波電路有不用電感，體積小，重量輕等優(yōu)點。此外，由于集成運放有很高的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗，輸出阻抗低，構(gòu)成的有源濾波電路還有一定的電壓放大和緩沖作用。

寬帶寬的帶通濾波器常用的方法是低通（LPF）和高通（HPF）串聯(lián)起來，當(dāng)?shù)屯ǖ耐◣Ы刂诡l率高于高通的通帶截止頻率時就形成了帶通濾波器。而窄帶帶通濾波器常用Sallen-Key結(jié)構(gòu)或多級反饋（MFB）的結(jié)構(gòu)形式[5]。Sallen-Key結(jié)構(gòu)形式的帶通濾波器例如壓控電壓源二階帶通濾波器。本文探究選用了工程上常用的多級反饋（MFB）形式的多路負反饋有源二階帶通濾波器，電路設(shè)計原理圖如圖2（b）所示。

帶通濾波器主要參數(shù)有3個：中心頻率、通帶增益和品質(zhì)因數(shù)Q。品質(zhì)因數(shù)Q等于中心頻率除以帶寬，品質(zhì)因數(shù)越大，頻率選擇性越好。通過頻域分析法[6]確定參數(shù)值。假設(shè)H（ω）=Vo（ω）/Vi（ω），當(dāng)ω≠0時，

那么H（ω）幅值為：

|H（ω）|最大值為：

即帶通濾波器的特征頻率為：

放大芯片選用AD8008，帶寬可達到650 MHz，具有超低失真和噪聲特性，工作溫度可在-40 ℃至+85 ℃，是一款高性能放大器。

不過有源濾波電路的不足之處是其工作頻率不能做到很高。幾十兆或上百兆赫茲頻率波的濾波還是選用LC無源濾波器。

高頻放大電路中為消除自激，使放大器穩(wěn)定工作，要使用電源去耦電容。對于AD8008的電源去耦電容接法值得注意。一般兩個供電管腳VCC和VEE端的高頻電源去耦電容是分別與地相連的。但這樣導(dǎo)致流向地的電流含有偶次諧波，使偶次諧波性能降低。解決這個問題的一種方法是兩個去耦電容先在一點相連，再在同一點接地，這樣保證了流向地的電流就只有基頻；另一種方法是在兩個供電電源端直接跨接一個高頻去耦電容，再將另一個去耦電容接地，如圖2（b）中電源去耦電容的接法。

用Multisim軟件電路仿真得到此帶通濾波電路的濾波效果如圖4所示。濾波前后的波形對比如圖4（a）所示，濾波后信號幅值變?yōu)樵瓉淼?倍，相位相反。系統(tǒng)的波特圖如圖4（b）所示。中心頻率在2 MHz左右，下限截止頻率和上限截止頻率分別是fL=1.6 MHz，fH=2.6 MHz。通頻帶帶寬BW=fH-fL=1 MHz。帶寬較寬是有源帶通濾波器對于處理高頻波的不足的體現(xiàn)。

圖4 有源帶通濾波器效果圖Fig.4 Effect picture of active band-pass filter

2.4 放大驅(qū)動電路

頻率合成器產(chǎn)生的脈沖功率較小，不足以驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射一定強度的超聲波，所以設(shè)計驅(qū)動電路來滿足驅(qū)動條件。超聲波發(fā)射驅(qū)動電路如圖2（c）所示。

由AD9832產(chǎn)生的高頻脈沖通過濾波器后經(jīng)過MOS管Q1和脈沖變壓器TRANS進行功率放大。脈沖變壓器是鐵氧體EE19型磁芯，放大比例5：15。放大后換能器上加載的正弦電壓幅值約為36 V。串聯(lián)在變壓器原線圈上的R5起限流作用。變壓器副線圈上的電阻R7與超聲波換能器進行阻抗匹配。超聲波換能器接收回波通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號一般是mV級的[7]，反向并聯(lián)的二極管D1、D2導(dǎo)通電壓是0.7 V，阻止了回波信號進入變壓器。二極管D3、D4對后面的接收電路的放大電路的輸入端起鉗位作用，以免前置放大電路的輸入端電壓過高。

濾波后的正弦波通過脈沖變壓器的放大來驅(qū)動超聲波換能器，放大前后的仿真波形對比如圖5所示。靠近電壓中線的兩條波分別是帶通濾波器濾波前后的波形，電壓升高的波則是通過變壓器后驅(qū)動換能器的正弦波。從圖中可以看出，同一單位電壓參考下，經(jīng)過變壓器后的波形電壓升高，幅度加大。

3 軟件設(shè)計

超聲波脈沖發(fā)射由單片機控制頻率合成器AD9832產(chǎn)生。驅(qū)動程序選擇C語言，編譯工具是ICCAVR7.22。AD9832與MCU接口有3個：時鐘管腳SCLK、數(shù)據(jù)輸入管腳SDATA、同步FSYNC。串口寫時序如圖6所示。

FSYNC由高電平變?yōu)榈碗娖剑硎敬趥鬏旈_始，這時載入一個新字；SCLK下降沿時SDATA數(shù)據(jù)有效，在SCLK下降沿讀入數(shù)據(jù)的第一位，其余位在隨后的SCLK下降沿讀入，在經(jīng)過16個SCLK下降沿后置FSYNC=1。

AD9832的控制流程如圖7所示。

首先對單片機的IO口和SPI寄存器進行初始化。ICCAVR編譯器不能對單個位進行直接處理，所以初始化IO口時可以通過定義整個字節(jié)再按位計算的方式定義。如：#define FSYNC 0x10；PORTB|=FSYNC；//PB^4=FSYNC。然后初始化AD9832，SLEEP、RESET和CLR位置1。選擇頻率/相位寄存器，頻率寄存器由管腳FSELECT決定，相位寄存器由管腳PSEL0和PSEL1決定。控制方法有兩種：管腳pin和位bit。當(dāng)控制字里代表SELSRC的數(shù)值為1時，使用位bit控制，此時電路中管腳FSELECT和PSEL0、PSEL1接地；為0則由三個管腳電平控制。選定頻率/相位寄存器后向SDATA寫入相應(yīng)的控制字，包括頻率控制字。最后啟動AD9832，SLEEP、RESET和CLR位置0。這樣就完成了頻率合成器AD9832的控制使用。在寫頻率/相位寄存器時，高8位的前4位判斷目標(biāo)寄存器是哪一個，后4位放目標(biāo)寄存器的地址，低8位放寫入寄存器的數(shù)據(jù)[8]。

圖6 AD9832時序圖Fig.6 Timing diagram of AD9832

圖7 AD9832控制流程圖Fig.7 AD9832 controlling flow graph

4 結(jié)束語

超聲波檢測系統(tǒng)在豬妊娠檢測中應(yīng)用需要較高頻率的超聲波，基于AD9832芯片產(chǎn)生高頻脈沖，相比于其他脈沖產(chǎn)生方式使用方便靈活，控制簡單。濾波電路和放大驅(qū)動電路的設(shè)計通過波形對比也能符合對高頻波處理的要求。整個驅(qū)動電路系統(tǒng)體積小，功耗小，成本低，有一定的使用價值，對AD9832在高頻超聲波檢測方面的應(yīng)用有一定的參考作用。

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The design of high frequency ultrasonic driver circuit based on AD9832

WANG Xi1，ZHU Hong1，ZHENG Li-min1，3，TIAN Li-jun1，REN Fa-zheng2，3
（1.College of Information and Electrical Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China；2.College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China；3.Beijing Laboratory of Food Quality and Safety，Beijing 100083，China）

To explore the application of ultrasonic testing technology on swine pregnancy diagnosis and to study the ultrasonic produce and drive circuit in high frequency ultrasonic testing system，a high frequency ultrasonic driving circuit system based on Direct Digital Synthesizer（DDS）chip AD9832 was designed.The system controlled AD9832 to make 2MHz pulse with an AVR single chip microcomputer according to the working principle of AD9832.A bandpass filter circuit and an amplify and drive circuit dealt with the pulse signal so it can drive the ultrasonic transducer to emit high frequency ultrasonic.Using circuit simulation method and outputting waveforms by PCB board，the system analyzed effect of the circuit designed.The result showed that all parts of circuit were reasonable and practical.The system can provide reference and basis for high frequency ultrasonic testing system design with its features of small volume，low cost and low consumption.

ultrasonic drive；AD9832；processing circuit；high-frequency；sow pregnancy test

TN409

A

1674-6236（2014）11-0075-04

2014-03-26 稿件編號：201403293

國家科技支撐計劃（2013BAD19B09，2012BAK17B09，2012BAD28B02）

王 熙（1988—），女，河北任丘人，碩士研究生。研究方向：智能檢測和物聯(lián)網(wǎng)。