一种基于FPGA的超声导波压电陶瓷驱动电源的制作方法

本发明涉及一种基于fpga的超声导波压电陶瓷驱动电源，属于超声技术领域和电源技术领域。

背景技术：

随着精密仪器的飞速发展，压电陶瓷因其纳米级高精度、大负载能力和高性能等优势而被广泛应用在精密定位行业。在某种程度上讲，系统中最重要的为执行器和驱动器，压电陶瓷驱动电源决定着压电陶瓷的分辨率和运动精度。一般驱动电源需要不同的波形作为输入信号，信号发生器的实现方法通常是采用分立元件或单片专用集成芯片，但其频率不高，稳定性较差，且不易调试，开发和使用上都受到较大限制。

随着现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)的不断发展，直接数字频率合成(directdigitalfrequencysynthesizer，dds)技术应用的愈加成熟，利用dds原理在fpga平台上开发高性能的多种波形信号发生器与传统信号发生器相比，成本更低，操作更加灵活，而且还能根据要求在线更新配置，系统开发趋于软件化、自定义化。

一种基于fpga的超声导波压电陶瓷驱动电源是以fpga作为平台、dds作为核心算法、将dac作为数据采集与高压线性放大电路结合起来，极大的提高了电源集成度，精度高、响应快，并且可提供具有足够带宽的激励频率。

技术实现要素：

本发明设计的一种基于fpga的超声导波压电陶瓷驱动电源，可弥补传统压电陶瓷驱动电源的缺点，提高了电源的集成度，具有精度高、响应快的特点。

为达到以上目的，本发明的采取的技术设计方案包含以下步骤：

s1、利用基于fpga的dds信号发生器产生激励信号；

s2、经过步骤s1产生的激励信号，通过dac数据采集模块将数字信号转换为模拟信号；

s3、经过步骤s2产生的模拟信号，被输送至高压线性运放电路进行放大；

s4、经过步骤s3放大后的电压信号，驱动压电传感器(pzt)；

s5、经过步骤s4后压电传感器产生振动信号，实现超声导波污垢检测或除垢的功能。

上述s1利用基于fpga的dds信号发生器产生激励信号包括以下步骤：

s11、在程序开发软件中编写veriloghdl代码，对激励信号控制模块、dds控制模块、ip核存储模块和显示模块进行初始化和设定；

s12、经过步骤s11的模块例化到顶层top.v文件中；

s13、经过步骤s12后通过modelsim仿真软件进行top.v文件的仿真验证；

s14、经过步骤s13验证仿真结果正确后分配管脚进行全编译，生成数据流文件并下载，进行板级调试；

s15、经过步骤s14后通过示波器或显示器等设备观察实际产生的激励信号，满足预期效果后用于产生高压运放电路的输入信号。

上述s2通过dac数据采集模块将数字信号转换为模拟信号步骤包括：

s21、将接收到的数字信号采用高速dac芯片差分输出；

s22、经过步骤s21后的信号通过巴特沃斯低通滤波器来降低噪声的干扰；

s23、经过步骤s22后的信号通过幅值调节电路来实现差分单端输出和幅度调节；

s24、经过步骤s23处理后通过电位器控制信号的输出范围。

所述的基于fpga的dds信号发生器通过fpga开发平台和veriloghdl代码程序实现，包括dds信号源发生器的激励信号控制模块、dds控制模块、ip核存储模块和显示模块，并通过modelsim仿真软件仿真验证。

所述的dac数据采集模块通过编写veriloghdl语言驱动，由高速dac芯片、巴特沃斯低通滤波器、幅度调节电路和信号输出接口组成，通过标准接口与fpga进行连接。

所述的高压线性运放电路为一款高压，高功率带宽的mosfet运算放大器，其中设计技术参数：最大输出电压umax≥100v；最大输出电流imax＝191ma；压摆率sr＝50.3v/us；失调电压＜1mv；相位补偿电容cc＝5pf；相位补偿电阻rc＝0ω；限流电阻rlim＝4.7ω。

与传统压电陶瓷驱动电源相比，本发明所述的一种基于fpga的超声导波压电陶瓷驱动电源包括以下优点：

(1)可产生正弦波、方波和三角波并实现波形转换；

(2)可实现调频、调幅、调相；

(3)输出间隔0.5khz频率范围为10-50khz；

(4)输出电压范围为-100～100v；

(5)最大输出电流不低于150ma；

(6)输出分辨率最低10mv。

附图说明

图1为本发明一种基于fpga的超声导波压电陶瓷驱动电源的系统原理图。

图2为本发明一种基于fpga的超声导波压电陶瓷驱动电源的基于fpga的dds信号发生器的原理图。

图3为本发明一种基于fpga的超声导波压电陶瓷驱动电源的基于fpga的dac数据采集模块原理图。

图4为本发明一种基于fpga的超声导波压电陶瓷驱动电源的高压线性放大电路。

图5为本发明产生目的激励电压信号。

具体实施方式

下面结合实例和附图来进行进一步的说明，以下实例只是描述性的语言且不是限定性的语言，不能以此为据限定本发明的保护范围。

本发明一种基于fpga的超声导波压电陶瓷驱动电源，主要构思为将fpga与高压线性放大电路结合起来，本系统能够克服传统压电陶瓷驱动电源的缺点，在提高电源集成度的前提下实现了高精度、强驱动的效果，可以用于基于超声导波污垢检测和除垢系统。

具体实验步骤如下：

一种基于fpga的超声导波压电陶瓷驱动电源，如图1为系统原理图，主要包括基于fpga的dss信号发生器、基于fpga的dac数据采集模块、高压线性放大电路和驱动除垢模块。图2为基于fpga的dds信号发生器的原理图，主要包括激励信号控制模块、dds控制模块、ip核存储模块和显示模块。图3为基于fpga的dac数据采集模块原理图，主要包括高速dac芯片、巴特沃斯低通滤波器、幅度调节电路和信号输出接口。图4为高压线性放大电路，可将输入信号放大52倍后输出。图5为产生的目的激励电压信号，其中，输入信号1频率为5khz，幅值约为±47mv，放大后的目的激励电压信号2频率为5khz，幅值为±2.4v。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述：

(1)首先在通用pc的软件开发环境中编写veriloghdl语言对激励信号控制模块、dds控制模块、ip核存储模块和显示模块进行初始化和设定；

(2)将编写好的程序下载到fpga中，进行调试、修改至产生理想的激励信号源；

(3)将步骤(2)产生的激励信号，通过数字模拟转换器(dac)将数字信号转换为模拟信号；

(4)将步骤(3)处理后的信号，输送至高压线性运放电路，产生目的激励电压信号(如图5)驱动压电传感器(pzt)实现超声导波污垢检测和除垢的功能。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。