采用ARM的壓電陶瓷驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)及電路

 隨著現(xiàn)如今電源設(shè)計的多樣化，壓電陶瓷驅(qū)動電源開始占據(jù)市場的一席之地，其在一些特殊場合有著傳統(tǒng)電源無法比擬的優(yōu)點。在本文中，小編將為大家介紹一種高分辨率的壓電陶瓷驅(qū)動電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計方案。

直流放大式壓電驅(qū)動電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

驅(qū)動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(0~10V)，通過放大電路對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)動精密定位平臺。

該設(shè)計中采用LPC2131作為微處理器，用于產(chǎn)生控制信號及波形;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;采用APEX公司的功率放大器PA78作為功率放大器件，輸出0~100V的高壓信號從而驅(qū)動PZT.為實現(xiàn)高分辨率壓電驅(qū)動器的應(yīng)用，壓電驅(qū)動電源分辨率的設(shè)計指標(biāo)達(dá)到1mV量級。

基于ARM的低壓電路設(shè)計

壓電陶瓷驅(qū)動電源中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;作為控制器運行相關(guān)控制算法以及產(chǎn)生控制信號或波形實現(xiàn)PZT的靜態(tài)定位操作。針對如上需求，本設(shè)計采用LPC2131作為主控制器，LPC2131是Philips公司生產(chǎn)的基于支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S-CPU的微控制器，主頻可達(dá)到60MHz;LPC2131內(nèi)部具有8KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和32KB嵌入的高速FLASH存儲器;具有兩個通用UART接口、I2C接口和一個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)動電源的控制芯片。

D/A電路設(shè)計

由于壓電驅(qū)動電源要求輸出電壓范圍為0~100V，分辨率達(dá)到毫伏級，所以D/A的分辨率需達(dá)到亞毫伏級。本設(shè)計采用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-10~10V，提供±0.5LSBINL，±0.5LSBDNL和7.5nV/Hz噪聲頻譜密度。另外，AD5781還具有極低的溫漂(0.05ppm/℃)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)計如圖2所示。

在硬件電路設(shè)計中，由于AD5781采用的精密架構(gòu)，要求強制檢測緩沖其電壓基準(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、36V、2.8nV/Hz雙通道運算放大器，具有0.6μV/℃低失調(diào)漂移和2nA輸入偏置電流，因而能為AD5781提供精密電壓基準(zhǔn)。通過下拉電阻將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。

圖1AD5781硬件設(shè)計電路圖

在ARM端的軟件設(shè)計中，除正確配置AD5781的相關(guān)寄存器外，還應(yīng)正確配置SPI的時鐘相位、時鐘極性和通信模式。正確的SPI接口時序配置圖如圖2所示。

圖2主模式下的SPI通信時序圖

本文主要介紹了一種高分辨率的壓電陶瓷驅(qū)動電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計，幫助大家對于這種新型的驅(qū)動電源進(jìn)行初步的認(rèn)識與了解。隨著電路設(shè)計的復(fù)雜化，對于這種基礎(chǔ)電路知識的掌握將會是非常必要的，希望大家在閱讀過本文之后能夠有所收獲。