王熙;朱虹;郑丽敏;田立军;任发政
【摘 要】为了探究超声波检测技术在猪妊娠诊断中的应用,进一步了解和研究高频超声波检测系统中超声波产生驱动电路,设计了一种基于直接频率合成器(DDS)芯片AD9832的高频超声波驱动电路系统.根据AD9832的工作原理,采用AVR单片机控制AD9832产生2 MHz脉冲,经过带通滤波器滤波,使用脉冲变压器放大电压,激励超声波换能器发射高频超声波.通过电路仿真和制作PCB板输出波形的方法来分析电路的处理效果.结果表明各部分电路设计合理实用,并且系统体积小,成本低,功耗小,可以为高频超声波检测系统的设计提供参考和依据. 【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2014(022)011
【总页数】5页(P75-78,83)
【关键词】超声波驱动;AD9832;处理电路;高频;猪妊娠检测
【作 者】王熙;朱虹;郑丽敏;田立军;任发政
【作者单位】中国农业大学信息与电气工程学院,北京100083;中国农业大学信息与电气工程学院,北京100083;中国农业大学信息与电气工程学院,北京100083;食品质量与安全北京实验室 北京100083;中国农业大学信息与电气工程学院,北京100083;中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京100083;食品质量与安全北京实验室 北京100083
【正文语种】中 文
【中图分类】TN409
目前的养猪业生产中，早期妊娠诊断可以提高猪繁殖率和养猪场的经济效益。简便有效的进行早期妊娠诊断，是畜牧兽医工作者长期以来试图解决的问题之一[1]。在妊娠诊断方法中超声检测无损伤，无痛苦，安全，使用简便使其应用广泛。生物体内组织的声衰减系数与频率成线性关系，频率越低，波长越长，探测深度越大，分辨力变差；相反深度越小，分辨率越好。用于生物组织成像的超声波标准范围是2～20 MHz，通常用于动物活体估测的超声波频率在1～5 MHz之间，3.0～3.5 MHz之间使用的最普遍[2]。为了适当加深探测深度，本文探究了2 MHz超声波的产生和驱动电路系统。
本文采用AVR单片机芯片ATmega128A控制DDS芯片AD9832产生2 MHz高频脉冲；为了消除脉冲毛刺和杂波干扰，设计有源带通滤波器进行滤波，给出了参数计算方法，同时滤波电路也起到了一定程度的放大作用；最后经过MOS管放大用脉冲变压器升高电压，激励相同谐振频率的超声波换能器，发射高频超声波。这个超声波驱动发射系统体积小，价格低，控制方便。可以为超声波技术在猪妊娠检测和其他高频超声检测领域的应用提供参考和依据。
直接数字式频率合成（DDS）是新一代的频率合成方法，它的特点是信号建立时间快，频率分辨率高，频率转换时相位保持连续等[3]。AD9832是一款较完备的DDS芯片，使用方便，已经越来越多地应用在各种电子通信与检测系统中。
AD9832的组成是由数控振荡器和相位累加器、余弦查询表和一个10位数模转换器DAC组成。而数控振荡器和相位累加器主要由2个频率寄存器、1个相位累加器和4个相位寄存器构成[3]。构成原理图如图1所示。
AD9832工作时，首先设置频率控制字和起始相位，相位累加器在每个时钟周期与频率控制字K所决定的相位增量累加一次，当累加器的数值大于2N则自动溢出，累加器只保留后
面的N位数字[3]，其中N为相位累加器的位数。作为地址信息，该N位数字输入到正弦查询表。正弦查询表包括一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应0～2π范围内一个相位点，存放该相位点的幅度数值[3]。这样正弦查询表就完成了从相位累加器输出的相位值到正弦幅度值的转换。取出的幅度数值被送到高速数模转换器中转换成模拟量，再通过后级的低通滤波器滤除杂散高次谐波，就可以得到较平滑的正弦波。由此可以看出，输出频率Fout由时钟频率fclk和频率控制字K决定。
AD9832的相位累加器位数N是32位。频率控制字K是由N位二进制数组成的，范围是0＜K＜232。若时钟频率fclk=25 MHz，要产生Fout=2 MHz，则频率控制字为
AD9832的最小分辨率为可以看出AD9832具有较高的频率分辨率。
综合以上，使用AD9832芯片输出高频脉冲是因为输出频率只由频率控制字和时钟频率决定，时钟由外部独立的有源石英晶体振荡器提供，最高可以产生12.5 MHz的正弦波。因此频率稳定性高，频率分辨率高，相位频率带宽很宽，可以产生一般频率合成器难以产生的正弦波，而且易于微处理器控制。
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超声波发射处理电路主要研究了包括单片机控制电路、DDS产生高频脉冲电路、带通滤波电路和放大驱动电路，电路原理图如图2所示。其中（a）图是单片机控制AD9832产生脉冲电路原理图，（b）图是带通滤波器的设计电路图，（c）是放大驱动超声波换能器电路图。通过设计构建实际电路和电路仿真的方式对这几部分电路进行分析研究。
2.1 AVR单片机控制电路
电路的控制芯片采用AVR单片机ATmega128A-AU型。支持5 V/3.3 V工作电压，5 V电压工作时支持最高晶振频率16 MHz。ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。AVR采用Harvard结构，具有独立的数据和程序总线，其数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。电路系统通过单片机SPI接口与AD9832实现数据和时钟的通讯。
2.2 脉冲产生电路
激励超声波换能器发射超声波首先需要有相同频率的脉冲信号产生，在超声波检测系统中通常有几种方法，一种是微控制器如单片机基于晶振产生脉冲；另一种是利用方波发生器
如NE555芯片搭建的555时基集成电路[4]产生方波。但这些方法一般适用于低频脉冲的情况，不能或难以保证高频脉冲的产生和稳定。
直接数字式频率合成（DDS）芯片产生频率范围宽、稳定且分辨率高，AD9832芯片及周围电路设计如图2（a）图所示。频率合成芯片AD9832的3个管脚SCLK、SDATA、FSYNC通过与单片机PB引脚连接，利用单片机端口B的第二功能即串行通讯接口SPI的数据传输方式来输入串行时钟SCLK、数据SDATA包括命令和控制字等、数据写入标识FSYNC。MCLK引脚通过连接25 MHz有源晶振为AD9832提供数字时钟。
单片机控制AD9832产生高频脉冲波，用示波器探头连接其输出端，显示脉冲波形。波形图如图3所示。由图中可以看出AD9832能产生较平滑稳定的正弦波，经测量频率在2 MHz左右。
2.3 带通滤波电路
以往滤波电路主要采用无源元件R、L、C组成。集成运放迅速发展后，由它和R、C组成的有源滤波电路有不用电感，体积小，重量轻等优点。此外，由于集成运放有很高的开环电压增益和输入阻抗，输出阻抗低，构成的有源滤波电路还有一定的电压放大和缓冲作用。
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宽带宽的带通滤波器常用的方法是低通（LPF）和高通（HPF）串联起来，当低通的通带截止频率高于高通的通带截止频率时就形成了带通滤波器。而窄带带通滤波器常用Sallen-Key结构或多级反馈（MFB）的结构形式[5]。Sallen-Key结构形式的带通滤波器例如压控电压源二阶带通滤波器。本文探究选用了工程上常用的多级反馈（MFB）形式的多路负反馈有源二阶带通滤波器，电路设计原理图如图2（b）所示。
带通滤波器主要参数有3个：中心频率、通带增益和品质因数Q。品质因数Q等于中心频率除以带宽，品质因数越大，频率选择性越好。通过频域分析法[6]确定参数值。假设H（ω）=Vo（ω）/Vi（ω），当ω≠0时，
那么H（ω）幅值为：
|H（ω）|最大值为：
即带通滤波器的特征频率为：
控水系统由此推出（R1||R3 ）R2 C2=6×10-15，其中R1||R3代表两电阻并联值，此数量级较小所以取电容C为几百皮法，电阻为几百到几千欧。设滤波器增益为 ，最后参数计算取值为R1=5
00 Ω，R2=2 kΩ，R3=180 Ω，C1=C2=150 pF。
放大芯片选用AD8008，带宽可达到650 MHz，具有超低失真和噪声特性，工作温度可在-40 ℃至+85 ℃，是一款高性能放大器。
不过有源滤波电路的不足之处是其工作频率不能做到很高。几十兆或上百兆赫兹频率波的滤波还是选用LC无源滤波器。大丈夫的私房钱
高频放大电路中为消除自激，使放大器稳定工作，要使用电源去耦电容。对于AD8008的电源去耦电容接法值得注意。一般两个供电管脚VCC和VEE端的高频电源去耦电容是分别与地相连的。但这样导致流向地的电流含有偶次谐波，使偶次谐波性能降低。解决这个问题的一种方法是两个去耦电容先在一点相连，再在同一点接地，这样保证了流向地的电流就只有基频；另一种方法是在两个供电电源端直接跨接一个高频去耦电容，再将另一个去耦电容接地，如图2（b）中电源去耦电容的接法。
用Multisim软件电路仿真得到此带通滤波电路的滤波效果如图4所示。滤波前后的波形对比如图4（a）所示，滤波后信号幅值变为原来的2倍，相位相反。系统的波特图如图4（b）
所示。中心频率在2 MHz左右，下限截止频率和上限截止频率分别是fL=1.6 MHz，fH=2.6 MHz。通频带带宽BW=fH-fL=1 MHz。带宽较宽是有源带通滤波器对于处理高频波的不足的体现。
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2.4 放大驱动电路
频率合成器产生的脉冲功率较小，不足以驱动超声波换能器发射一定强度的超声波，所以设计驱动电路来满足驱动条件。超声波发射驱动电路如图2（c）所示。
由AD9832产生的高频脉冲通过滤波器后经过MOS管Q1和脉冲变压器TRANS进行功率放大。脉冲变压器是铁氧体EE19型磁芯，放大比例5：15。放大后换能器上加载的正弦电压幅值约为36 V。串联在变压器原线圈上的R5起限流作用。变压器副线圈上的电阻R7与超声波换能器进行阻抗匹配。超声波换能器接收回波通过压电效应产生的电压信号一般是mV级的[7]，反向并联的二极管D1、D2导通电压是0.7 V，阻止了回波信号进入变压器。二极管D3、D4对后面的接收电路的放大电路的输入端起钳位作用，以免前置放大电路的输入端电压过高。
滤波后的正弦波通过脉冲变压器的放大来驱动超声波换能器，放大前后的仿真波形对比如图5所示。靠近电压中线的两条波分别是带通滤波器滤波前后的波形，电压升高的波则是通过变压器后驱动换能器的正弦波。从图中可以看出，同一单位电压参考下，经过变压器后的波形电压升高，幅度加大。
超声波脉冲发射由单片机控制频率合成器AD9832产生。驱动程序选择C语言，编译工具是ICCAVR7.22。AD9832与MCU接口有3个：时钟管脚SCLK、数据输入管脚SDATA、同步FSYNC。串口写时序如图6所示。
FSYNC由高电平变为低电平，表示串口传输开始，这时载入一个新字；SCLK下降沿时SDATA数据有效，在SCLK下降沿读入数据的第一位，其余位在随后的SCLK下降沿读入，在经过16个SCLK下降沿后置FSYNC=1。
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