专利名称：一种基于相控阵技术的多模式微驱动力源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种用于微驱动的力源，具体的说是涉及一种基于相 控阵技术的多模式微驱动力源。
背景技术：
近年来，随着材料科学不断发展，出现了许多新的薄膜材料，并且广泛地 应用于人们生活的各个角落。薄膜材料的力学性能是评价薄膜材料地重要指标， 在以薄膜为材料的元器件设计中，其力学性能是设计的依据，对元器件的性能、 可靠性和使用寿命有很大影响。薄膜的力学性能包括薄膜的弹性模量、屈服强 度和界面结合强度等力学参量。其中薄膜的弹性模量不仅是薄膜器件设计的必 要参量，而且也是诸如屈服强度、断裂韧性和残余应力等力学性能测量与评定 的基础。由于尺寸因素，薄膜弹性模量测量比块材弹性模量的测量难度大得多。 针对薄膜的特点，许多科学家对其弹性模量的测量方法及测量仪器展开了大量 的研究。
目前，常采用的测试方法有超声波测速法、梁弯曲法和压痕法。其中超声 波测速法的基本原理是根据超声波的传播速度由介质的弹性常数决定，通过测 量超声波波速，即可求出材料的弹性常数。但这种方法受材料性质局限，只能应 用于各向同性材料。梁弯曲法中，悬臂梁法的基本原理是通过挠度比较的方法 来计算膜的弹性模量，具体方法是比较同等载荷作用下的两组试样(已知弹性 常数的基片和镀上膜的基片)间接获得膜的弹性模量。而三点弯曲法的原理是 对梁施加一个力产生一个挠度，从而计算出量的抗弯曲刚度，根据抗弯曲刚度 与弹性模量的关系计算弹性模量。由于压痕法方法简单、对试样无特殊要求从 而得到了广泛应用，压痕法的基本原理是利用一定形状的压头在一定压力作用 下压入被测样品，保持一段时间后卸载，然后用相关设备如如标尺、显微镜、 位移传感器等，测出压痕的深度，从而根据所获得位移以及所提供的压力做出 相应的载荷-位移曲线(P-h曲线)，在对位移曲线进行分析即可得出薄膜的弹性 模量。但是，这种实验方法由于该方法的力学模型不完善，要求薄膜厚度不能 太小，对同一试样在不同的测量条件下包括压头形状不同和压入深度不同的实 验结果无法统一。此外，由于压头的变形、薄膜的表面张力以及薄膜与压头间 的摩擦都会引入误差。
4发明内容
针对传统的压痕法的不足，本实用新型的目的在于提供工作精确稳定，操 作简便的用于定征薄膜材料特性的一种基于相控阵技术的多模式微驱动力源。
该系统以超声相控阵技术为基础，采用数字声束合成技术形成稳定声场， 根据超声辐射力理论，位于声场中的薄膜受到非接触式力的作用，从而薄膜表 面产生变形，进一步测出力的大小和变形大小，从而计算出应变，接着根据胡 克定律就可计算出弹性模量。该系统各发射电路通道的频率、幅值、相位分别 可控，具有较高的重复频率和发射效率，而且各通道间一致性好，易于模块化， 操作方便，便于维护和调试。
本实用新型采用的技术方案如下-
整个系统包括基于工控机的上位机、CAN总线、超声发射卡、高频线性功 放和超声换能器阵列；基于工控机的上位机的CAN接口经CAN总线、超声发 射卡、高频线性功放与超声换能器阵列相连。
所述的超声发射卡包括十五个信号发生单元和信号发生及同步控制单元； 十五个信号发生单元和信号发生及同步控制单元的一端经各自的CAN接口分别
与CAN总线相连，十五个信号发生单元和信号发生及同步控制单元的另一端分 别与高频线性功放中各自的4路高频线性功放相连；信号发生及同步控制单元 分别与十五个信号发生单元相连。
所述的十五个信号发生单元结构相同，均包括CAN接口、基于DSP的嵌 入式系统、地址总线、数据总线、控制总线、基于FPGA的接口模块、4个10 位高速D/A转换器、用于产生比较幅值的4个高速D/A转换器和4个功放及补 偿电路；基于DSP的嵌入式系统通过CAN接口与CAN总线相连，通过地址总 线、数据总线和控制总线分别与基于FPGA的接口模块相连;4个10位高速D/A 转换器和用于产生比较幅值的4个高速D/A转换器的一端分别与基于FPGA接 口模块相连，4个10位高速D/A转换器的另一端分别与各自的功放及补偿电 路相连；用于产生比较幅值的4个高速D/A转换器分别与各自的10位高速D/A 转换器相连。
所述的信号发生及同步控制单元除了与所述的十五个信号发生单元结构 相同外，还具有同步控制模块，同步控制模块分别与基于FPGA的接口模块和 基于DSP的嵌入式系统相连。
所述的基于DSP的嵌入式系统由数字信号处理器DSP、晶振、CAN接口 电路、复位芯片、JTAG调试口、电源接口、 RAM芯片和输入输出接口组成；
5所述晶振、CAN接口电路、复位芯片、JTAG调试口、电源接口、 RAM芯 片分别与数字信号处理器DSP相连。
所述的同步控制模块包括结构相同的两个三态转换阵列、2个8单元高速 光耦元件；每个三态转换阵列分别与DSP的I/O引脚、高速光耦相连；光耦与 FPGA触发引脚相连。
高频线性功放4:由PA19芯片、IN4148型二极管D1、 D2、 PK MUR 120 型二极管D3、 D4、电容C1、 C2、 C3、 C4、 Cc、 Cf、电阻Ri、 Rf、 Rcl + 、 Rcl _、电源+40V、 -40V组成。
本实用新型具有的有益效果是
1. 采用相控阵技术合成稳定声场，能对位于其中的薄膜材料产生非接触的聚 焦辐射力，从而使薄膜产生变形，克服了传统式压痕法的缺点；
2. 本系统具有较好的适应性，采用了总线式结构，形成了灵活可扩展的模块;
3. 数字化的系统结构保证了较高的相位控制精度和偏转角度，操作方便，便 于维护和调试；
4. 本系统具有高增益、宽频带；
5. 本系统采用高速A/D，保证了数据的可靠性；
6. 各通道独立可控，具有多种工作模式。
图1是一种基于相控阵技术的多模式微驱动力源系统结构图。
图2是信号发生及同步控制单元的结构图。
图3是基于DSP的嵌入式系统的原理框图。
图4是同步控制模块原理框图。
图5是功放及补偿电路的电路图。
图6是高频线性功放电路图。
图中l一基于工控机的上位机，2—CAN总线，3—超声发射卡，4一高频 线性功放，5—超声换能器阵列，6—信号发生单元，7—信号发生及同步控制单 元，8—CAN总线接口， 9一基于DSP的嵌入式系统，10—地址总线，11—数据 总线，12_控制总线，13—基于FPGA的接口模块，14—用于产生比较幅值的 高速D/A转换器，15 — 10位高速D/A转换器，16—功放及补偿电路，17_同步 控制模块。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述如图1所示，该装置由上位机l、 CAN总线2、超声发射卡3、高频线性功 放4、超声换能器阵列5构成，其特征在于-
所述超声换能器阵列5包括64个超声换能器单元。通过研究和论证，采用 64路超声换能器发射超声波形成的声场在半径2mm的球体积内与理想声场能 量偏差值小于4%，若采用单换能器合成声场，则机械结构就会相当复杂，并且 如果要改变合成的声场，则机械结构也得发生改变。为了提高该系统的适应性， 使用基于相控阵技术的二维换能器阵列进行声场合成，可以在不移动或少移动 的情况下进行，并且可提高精度。
根据声学阵列理论，在其它参数一定的情况下，阵元数增加可增加主瓣幅
值，抑制旁瓣，主瓣宽度也同时得到抑制，有利于提高相控阵超声探头的品质， 考虑到精度要求和指向性特征以及系统复杂程度，这里采用8x8圆形活塞换能 器阵列。在考虑阵元件间隔和有效工作阵元的同时，优先考虑单个阵元的效率 和指向性，以及加工制作的难易程度。
根据精度的要求釆用1.75MHz的超声波，根据相控阵探头声束指向性函数， 当阵元间距在半波长和波长之间时，在允许的偏转范围之内，将不会出现栅瓣。 阵列阵元直径2.5mm，阵元中心之间的距离为3mm。为了提高换能器的发生性 能，其晶片使用钛酸铅压电复合材料，背衬采用环氧树脂基复合材料。工作时 改变各换能器之间的相位差，可产生不同角度的声束，从而合成聚焦声场。
如图1所示，上位机1通过CAN总线与超声发射卡相连，其作用是根据工 作的需要，执行对超声发射卡的控制。
CAN总线2分别与上位机1和超声发射卡3相连，其作用是将通过上位机 设置好的参数(如频率、幅值、相差)传送到超声发射卡。
超声发射卡3分别与CAN总线2、高频线性功放4相连，其作用是在上位 机的控制下，产生不同模式的信号，经高频线性功放去激励超声换能器阵列产 生超声波。
高频线性功放4分别与超声发射卡3、超声换能器阵列5相连，其作用是对 超声发射卡3送出的信号进行放大，以满足驱动超声换能器阵列的需要。
超声换能器阵列5与高频线性功放4相连，其作用根据控制信号，产生用 于聚焦声场合成的超声波束。
超声发射卡3由一个信号发生及同步控制单元7和十五个信号发生单元组 成，信号发生单元6、信号发生及同步控制单元7与CAN总线2和高频线性功 放4相连，其作用是产生各通道独立可控的信号。信号发生及同步控制单元7与各信号发生单元6相连，其作用是为了保证各通道的信号具有较高的同步性， 从而保证了各通道之间的相差，达到合成聚焦声场的目的。
如图2所示，所述的十五个信号发生单元6结构相同，均包括CAN接口 8、 基于DSP的嵌入式系统9、地址总线10、数据总线11、控制总线12、基于FPGA 的接口模块13、用于产生比较幅值的4个高速D/A转换器14、 4个10位高速 D/A转换器15和4个功放及补偿电路16;基于DSP的嵌入式系统9通过CAN 接口 8与CAN总线2相连，通过地址总线10、数据总线11和控制总线12分别 与基于FPGA的接口模块13相连；4个10位高速D/A转换器15和用于产生比 较幅值的4个高速D/A转换器14的一端分别与基于FPGA接口模块13相连，4 个10位高速D/A转换器15的另一端分别与各自的功放及补偿电路16相连；用 于产生比较幅值的4个高速D/A转换器14分别与各自的10位高速D/A转换器 15相连。由10位高速D/A转换器15转换为模拟波形信号，经板内运算放大及
补偿电路进行幅值放大输入到高频线性功放，最后去激励超声换能器阵列发射 超声波。D/A转换器时钟频率50MHz，输出延时最大lns。每个通道最小相位改 变量0.35。,频率分辨率为3Hz。
如图2所示，信号发生及同步控制单元7由CAN总线接口 8、基于DSP的 嵌入式系统9、地址总线IO、数据总线ll、控制总线12、基于FPGA的接口模 块13、用于产生比较幅值的高速D/A转换器14、 10位高速D/A转换器15、板 内功率放大及补偿电路16、同步触发模块17组成，其特征在于
基于DSP的嵌入式系统9通过CAN总线接口 8与CAN总线2相连，通过 地址总线IO、数据总线ll、控制总线12与基于FPGA的接口模块13相连。其 作用是接收CAN总线发送的数据，对数据处理后通过地址总线10、数据总线 11、控制总线12发送给基于FPGA的接口模块。
基于FPGA的接口模块13与地址总线10、数据总线ll、控制总线12、 10 位高速D/A转换模块14相连，其作用接收DSP发送的数据，并根据这些数据 通过直接数字合成技术查找事先存储在波形存储其中的数据并输出至D/A芯 片，此外基于FPGA的接口模块和用于产生比较幅值的D/A转换器14相连。 FPGA芯片可以采用XILINX公司生产的XC3S400芯片。
10位高速D/A转换模块15的数字输入端与XC3S400的I/O引脚相连，模 拟输出端与功放及补偿电路16相连，参考电压输入端与用于产生比较幅值的 D/A转换器14的输出端相连。10位高速D/A转换器15的作用是将FPGA中通 过查表所得的数字量转换为模拟量输入到功放及补偿电路。这样的连接方式一共有四路，即每个信号发生单元具有四个独立通道。10位高速D/A转换器可以 采用美国模拟器件公司生产的AD9751芯片。
用于产生比较幅值的D/A转换器14的数字输入端与XC3S400的I/O引脚 相连，模拟输出端与AD9751的外部参考电压输入端相连。其作用是将FPGA 输出的数字量转化为模拟量输入到AD9751的外部参考电压输入端，从控制发 射信号的幅值。这里用于产生比较幅值的D/A转换器可以采用美国模拟器件公 司生产的AD9708芯片。
如图3所示，基于DSP的嵌入式系统9由数字信号处理器DSP 、晶振、 CAN接口电路、信号驱动芯片、复位芯片、JTAG调试口、电源接口、 RAM芯 片和输入输出接口组成。数字信号处理器DSP可以采用TI公司生产的 TMS320F2407芯片，RAM芯片采用美国集成器件技术公司IDT71V124芯片。 静态RAM通过地址总线、数据总线、片选/CS、 /RD、 /WE接口与DSP相连。 JTAG调试口、电源接口、复位电路、晶阵分别与数字信号处理器DSP对应接 口相连接。CAN接口电路一端通过CANRX和CANTX接口与数字信号处理器 DSP相连接，另一端与输入输出接口相连接。图中箭头方向表示信号传输的方 向。DSP通过I/0接口与同步控制模块17相连。
如图4所示，同步控制模块17包括结构相同的两个三态转换阵列、2个8 单元高速光耦元件。每个三态逻辑门阵列的输入引脚与DSP的I/O引脚相连， 用于同步触发信号的输入；输出端与触发接口相连。高速光耦的输入端与相应 的触发接口相连，输出端与FPGA引脚相连。三态逻辑门阵列可以采用PHILIPS 公司生产的74LVC245芯片。一个同步触发模块具有两片74LVC245，总共有2x8 个触发通道，可以同时触发16个FPGA模±央，保证了 64路通道之间信号的同 时性。为了避免各通道之间的干扰，触发接口之间用屏蔽线连接。
如图5所示，功放及补偿电路16主要由集成运放U1，电阻R1、 R2、 R3、 R4组成，集成运方芯片可以采用美国模拟器件公司的AD812芯片。电阻R1的 一端与10位高速D/A转换芯片的正向输出端相连，另一端与AD812的正向输 入端相连；电阻R2的一端与10位高速D/A转换芯片的反相输出端相连，另一 端与AD812的反相输入端相连；电阻R3分别于R1和地相连；电阻R4分别与 R2和AD812输出端相连。AD971输出的模拟波形幅度最大为1.25V,经差分放 大后输出为7V。
如图6所示，高频线性功放由PA19芯片、IN4148型二极管D1、D2、PKMUR 120型二极管D3、 D4,电容C1、 C2、 C3、 C4、 Cc、 Cf，电阻Ri、 Rf、 Rcl+、Rcl—、电源+40V、 -40￥组成。运算放大器集成芯片可以采用美国APEX公司 生产的高压功率运算放大器集成芯片PA19。PA19的引脚1与接口 JP2的1端相 连接，PA19的引脚2、 3之间通过电阻Rcl+相连接，引脚6、 7之间通过电阻 Rcl-相连接。Rcl+和Rcl-是限流电阻，其作用是限制输出最大电流。PA19的1、 3之间通过二极管D3相连，1、 6脚之间通过二极管D4相连，快速恢复二极管 D3、 D4用于输出级保护，避免PA19由于负载不稳定而产生的浪涌电压而影响 整个系统的工作稳定性。引脚l、 8之间通过电容Cc相连，其作用是进行相位 补偿，避免由相移过大产生的高端提升及振荡现象。引脚l、 5之间通过电阻Rf 和电容Cf并联相连，电容Cf的作用是改善电路高频时的幅频输出特性。正反 向输入端通过二极管D1、 D2相连，钳位二极管D1、 D2用于输入级保护，以避 免瞬态电压多大而损坏整个电路。引脚3和地之间通过电容Cl和C2相连，引 脚6和地之间通过电容C3、 C4相连，其作用是电源保护和滤波。信号经过高频 线性功放后电压可达i"V。
本实用新型工作过程如下在上位机1设置好各发射通道的参数，如频率、 相位差、幅值等，通过CAN总线2将这些参数发送到超声发射卡3的15个信 号发生单元6和1个信号发生及同步控制单元中7的基于DSP的嵌入式系统9。 DSP接收到数据并进行处理后，通过地址总线10、数据总线11、控制总线12 发送给FPGA模块13。等所有数据发送完成以后，信号发生及同步控制单元中 7的基于DSP的嵌入式系统9通过I/O 口发出触发信号。触发信号通过同步触发 模块17触发16个FPGA模块。FPGA根据发送的参数通过直接数字合成技术查 找事先存储在波形存储其中的数据并输出至10位高速D/A转换器15，另外 FPGA将幅值参数输送到用于产生比较幅值的D/A转换器14。用于产生比较幅 值的D/A转换器14输出参考电压到10位高速D/A转换15的外部参考电压输 入端。10位高速D/A转换器15根据FPGA输出的值和参考电压值输出所需波 形。功放及补偿电路16对10位高速D/A转换器输出的信号进行一级放大，高 频线性功放4对经一级放大的信号再进行放大，最后送到超声相控阵换能器。 各超声换能器根据设定的相位延迟实现聚焦，从而合成聚焦声场。根据超声辐 射力理论，位于其中的物体将受到力的作用。
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权利要求1、一种基于相控阵技术的多模式微驱动力源，其特征在于包括基于工控机的上位机(1)、CAN总线(2)、超声发射卡(3)、高频线性功放(4)和超声换能器阵列(5)；基于工控机的上位机(1)的CAN接口经CAN总线(2)、超声发射卡(3)、高频线性功放(4)与超声换能器阵列(5)相连。
2、 根据权利要求1所述的一种基于相控阵技术的多模式微驱动力源，其特 征在于所述的超声发射卡(3)包括十五个信号发生单元(6)和信号发生及同步控 制单元(7);十五个信号发生单元(6)和信号发生及同步控制单元(7)的一端经各自 的CAN接口分别与CAN总线(2)相连，十五个信号发生单元(6)和信号发生及同 步控制单元C7)的另一端分别与高频线性功放(4)中各自的4路高频线性功放相 连；信号发生及同步控制单元(7)分别与十五个信号发生单元(6)相连。
3、 根据权利要求2所述的一种基于相控阵技术的多模式微驱动力源，其特 征在于所述的十五个信号发生单元(6)结构相同，均包括CAN接口(8)、基于 DSP的嵌入式系统(9)、地址总线(IO)、数据总线(ll)、控制总线(12)、基于FPGA 的接口模块(13)、 4个10位高速D/A转换器(14)、用于产生比较幅值的4个高速 D/A转换器(15)和4个功放及补偿电路(16);基于DSP的嵌入式系统(9)通过CAN 接口(8)与CAN总线(2)相连，通过地址总线(IO)、数据总线(11)和控制总线(12) 分别与基于FPGA的接口模块(13)相连;4个10位高速D/A转换器(15)和用于产 生比较幅值的4个高速D/A转换器(14)的一端分别与基于FPGA接口模块(13) 相连，用于产生比较幅值的4个高速D/A转换器(14)的另一端分别与各自的功放 及补偿电路(16)相连；用于产生比较幅值的4个高速D/A转换器(14)分别与各自 的10位高速D/A转换器(15)相连。
4、 根据权利要求2所述的一种基于相控阵技术的多模式微驱动力源，其特 征在于所述的信号发生及同步控制单元(7)除了与所述的十五个信号发生单元 (6)结构相同外，还具有同步控制模块(17)，同步控制模块(17)分别与基于FPGA 的接口模块(13)和基于DSP的嵌入式系统(9)相连。
5、 根据权利要求3所述的一种基于相控阵技术的多模式微驱动力源，其特 征在于所述的基于DSP的嵌入式系统(9)由数字信号处理器DSP、晶振、CAN 接口电路、复位芯片、JTAG调试口、电源接口、 RAM芯片和输入输出接口组 成；所述晶振、CAN接口电路、复位芯片、JTAG调试口、电源接口、 RAM芯 片分别与数字信号处理器DSP相连。
6、 根据权利要求4所述的一种基于相控阵技术的多模式微驱动力源，其特 征在于所述的同步控制模块(17)包括结构相同的两个三态转换阵列、2个8 单元高速光耦元件；每个三态转换阵列分别与DSP的I/0引脚、高速光耦相连； 光耦与FPGA触发引脚相连。
7、 根据权利要求1所述的一种基于相控阵技术的多模式微驱动力源，其特 征在于高频线性功放(4)由PA19芯片，IN4148型二极管D1、 D2， PKMUR 120型二极管D3、 D4，电容C1、 C2、 C3、 C4、 Cc、 Cf,电阻Ri、 Rf、 Rcl+、 Rcl—，电源+40V、 40V组成。
专利摘要本实用新型公开了一种基于相控阵技术的多模式微驱动力源。整个系统包括基于工控机的上位机、CAN总线、超声发射卡、高频线性功放和超声换能器阵列；基于工控机的上位机的CAN接口经CAN总线、超声发射卡、高频线性功放与超声换能器阵列相连。本系统具有较好的适应性，采用了总线式结构，形成了灵活可扩展的模块，数字化的系统结构保证了较高的相位控制精度和偏转角度，操作方便，便于维护和调试。
文档编号G01N29/14GK201417264SQ20092012219
公开日2010年3月3日 申请日期2009年6月18日 优先权日2009年6月18日
发明者吴佳杰, 杨克己, 坤 贾, 邵泉钢 申请人:浙江大学