基于ARM 的高分辨率壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)方案（一）

0 引言

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(PZT)是微位移平臺(tái)的核心，其主要原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件發(fā)生微位移。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器具有分辨率高、響應(yīng)頻率快、推力大和體積小等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)、精密加工以及生物工程等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用離不開性能良好的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。要實(shí)現(xiàn)納米級(jí)定位的應(yīng)用，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，同時(shí)電壓分辨率需要達(dá)到毫伏級(jí)。因此壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)已成為壓電微位移平臺(tái)中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 壓電驅(qū)動(dòng)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 壓電驅(qū)動(dòng)電源的分類

隨著壓電陶瓷微位移定位技術(shù)的發(fā)展，各種專用于壓電陶瓷微位移機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)運(yùn)而生。目前驅(qū)動(dòng)電源的形式主要有電荷控制式和直流放大式兩種。電荷控制式驅(qū)動(dòng)電源存在零點(diǎn)漂移，低頻特性差的特點(diǎn)限制其應(yīng)用。而直流放大式驅(qū)動(dòng)電源具有靜態(tài)性能好、集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而本文的設(shè)計(jì)原理采用直流放大式壓電驅(qū)動(dòng)電源。直流放大式電源的原理如圖1所示。

1.2 直流放大式壓電驅(qū)動(dòng)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)電源電路主要由微處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路和線性放大電路組成。通過(guò)微處理器控制D/A產(chǎn)生高精度、連續(xù)可調(diào)的直流電壓(0~10 V)，通過(guò)放大電路對(duì)D/A輸出的直流電壓做線性放大和功率放大從而控制PZT驅(qū)動(dòng)精密定位平臺(tái)。

該設(shè)計(jì)中采用LPC2131作為微處理器，用于產(chǎn)生控制信號(hào)及波形;采用18位電壓輸出DA芯片AD5781作為D/A轉(zhuǎn)換電路的主芯片，產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的直流低壓信號(hào);采用APEX公司的功率放大器PA78 作為功率放大器件，輸出0~100 V 的高壓信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)PZT.為實(shí)現(xiàn)高分辨率壓電驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用，壓電驅(qū)動(dòng)電源分辨率的設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到1 mV量級(jí)。

2 基于ARM 的低壓電路設(shè)計(jì)

2.1 ARM控制器簡(jiǎn)介

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源中ARM控制器主要提供兩方面功能：作為通信設(shè)備提供通用的輸入/輸出接口;作為控制器運(yùn)行相關(guān)控制算法以及產(chǎn)生控制信號(hào)或波形實(shí)現(xiàn)PZT的靜態(tài)定位操作。針對(duì)如上需求，本設(shè)計(jì)采用LPC2131作為主控制器，LPC2131是Philips公司生產(chǎn)的基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32 位ARM7TDMI-S-CPU的微控制器，主頻可達(dá)到60 MHz;LPC2131內(nèi)部具有8 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和32 KB嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)器;具有兩個(gè)通用UART接口、I2C接口和一個(gè)SPI接口。由于LPC2131具有較高的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口資源使其能夠作為壓電驅(qū)動(dòng)電源的控制芯片。

2.2 D/A電路設(shè)計(jì)

由于壓電驅(qū)動(dòng)電源要求輸出電壓范圍為0~100 V,分辨率達(dá)到毫伏級(jí)，所以D/A的分辨率需達(dá)到亞毫伏級(jí)。本設(shè)計(jì)采用AD5781作為D/A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度轉(zhuǎn)換器，輸出電壓范圍-10~10 V,提供±0.5 LSB INL,±0.5 LSB DNL和7.5 nV/ Hz噪聲頻譜密度。另外，AD5781 還具有極低的溫漂(0.05 ppm/℃)特性。因此，該D/A轉(zhuǎn)換器芯片特別適合于精密模擬數(shù)據(jù)的獲取與控制。D/A 電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

在硬件電路設(shè)計(jì)中，由于AD5781 采用的精密架構(gòu)，要求強(qiáng)制檢測(cè)緩沖其電壓基準(zhǔn)輸入，確保達(dá)到規(guī)定的線性度。因此選擇用于緩沖基準(zhǔn)輸入的放大器應(yīng)具有低噪聲、低溫漂和低輸入偏置電流特性。這里選用AD8676,AD8676 是一款超精密、36 V、2.8 nV/ Hz 雙通道運(yùn)算放大器，具有0.6 μV/℃低失調(diào)漂移和2 nA輸入偏置電流，因而能為AD5781提供精密電壓基準(zhǔn)。通過(guò)下拉電阻將AD5781的CLR和LDAC引腳電平拉低，用于設(shè)置AD5781為DAC二進(jìn)制寄存器編碼格式和配置輸出在SYNC的上升沿更新。

在ARM端的軟件設(shè)計(jì)中，除正確配置AD5781的相關(guān)寄存器外，還應(yīng)正確配置SPI的時(shí)鐘相位、時(shí)鐘極性和通信模式。正確的SPI接口時(shí)序配置圖如圖3所示。

3 高壓線性放大電路設(shè)計(jì)

本文壓電驅(qū)動(dòng)電源采用直流放大原理，通過(guò)高壓線性放大電路得到0~100 V連續(xù)可調(diào)的直流電壓驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷。放大電路決定著電源輸出電壓的分辨率和線性度，是整個(gè)電源的關(guān)鍵。

3.1 經(jīng)典線性放大電路設(shè)計(jì)

放大電路采用美國(guó)APEX公司生產(chǎn)的高壓運(yùn)算放大器PA78作為主芯片。PA78的輸入失調(diào)電壓為8 mV,溫漂-63 V/°C,轉(zhuǎn)換速率350 V/μs,輸入阻抗108 Ω，輸出阻抗44 Ω，共模抑制比118 dB.基于PA78的線性放大電路設(shè)計(jì)如圖4所示。配置PA78為正向放大器，放大倍數(shù)為Gain=1+ R2 R1 ,得到輸出電壓范圍為0~100 V.

如果運(yùn)放兩個(gè)輸入端上的電壓均為0 V,則輸出端電壓也應(yīng)該等于0 V.但事實(shí)上，由于放大器制造工藝的原因，不可避免地造成同相和反相輸入端的不匹配，使輸出端總有一些電壓，該電壓稱為失調(diào)電壓。失調(diào)電壓隨著溫度的變化而改變，這種現(xiàn)象被稱為溫度漂移(溫漂)，溫漂的大小隨時(shí)間而變化。PA78的失調(diào)電壓和溫漂分別為8 mV、-63 V/°C,并且失調(diào)電壓和溫漂都是隨機(jī)的，使PA78無(wú)法應(yīng)用于毫伏級(jí)分辨率的電壓輸出，需要對(duì)放大電路進(jìn)行改進(jìn)。

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