基于ARM的高分辨率壓電陶瓷驅動電源設計方案

　　0 引言

　　壓電陶瓷驅動器（PZT）是微位移平臺的核心，其主要原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應產生形變，從而驅動執行元件發生微位移。壓電陶瓷驅動器具有分辨率高、響應頻率快、推力大和體積小等優點，在航空航天、機器人、微機電系統、精密加工以及生物工程等領域中得到了廣泛的應用。然而壓電陶瓷驅動器的應用離不開性能良好的壓電陶瓷驅動電源。要實現納米級定位的應用，壓電陶瓷驅動電源的輸出電壓需要在一定范圍內連續可調，同時電壓分辨率需要達到毫伏級。因此壓電陶瓷驅動電源技術已成為壓電微位移平臺中的關鍵技術。

　　1 壓電驅動電源的系統結構

　　1.1 壓電驅動電源的分類

　　隨著壓電陶瓷微位移定位技術的發展，各種專用于壓電陶瓷微位移機構的驅動電源應運而生。目前驅動電源的形式主要有電荷控制式和直流放大式兩種。電荷控制式驅動電源存在零點漂移，低頻特性差的特點限制其應用。而直流放大式驅動電源具有靜態性能好、集成度高、結構簡單等特點，因而本文的設計原理采用直流放大式壓電驅動電源。直流放大式電源的原理如圖1所示。

　　圖1 直流放大式壓電驅動電源原理

　　1.2 直流放大式壓電驅動電源的系統結構

　　驅動電源電路主要由微處理器、D/A轉換電路和線性放大電路組成。通過微處理器控制D/A產生高精度、連續可調的直流電壓（0~10 V），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驅動精密定位平臺。

　　該設計中采用LPC2131作為微處理器，用于產生控制信號及波形；采用18位電壓輸出DA芯片 AD5781作為D/A轉換電路的主芯片，產生連續可調的直流低壓信號；采用APEX公司的功率放大器PA78 作為功率放大器件，輸出0~100 V 的高壓信號從而驅動PZT.為實現高分辨率壓電驅動器的應用，壓電驅動電源分辨率的設計指標達到1 mV量級。

　　2 基于ARM 的低壓電路設計

　　2.1 ARM控制器簡介

　　壓電陶瓷驅動電源中ARM控制器主要提供兩方面功能：作為通信設備提供通用的輸入/輸出接口；作為控制器運行相關控制算法以及產生控制信號或波形實現PZT的靜態定位操作。針對如上需求，本設計采用LPC2131作為主控制器，LPC2131是 Philips公司生產的基于支持實時仿真和跟蹤的32 位ARM7TDMI-S-CPU的微控制器，主頻可達到60 MHz;LPC2131內部具有8 KB片內靜態RAM和32 KB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具有較高的數據處理能力和豐富的接口資源使其能夠作為壓電驅動電源的控制芯片。

　　2.2 D/A電路設計

　　由于壓電驅動電源要求輸出電壓范圍為0~100 V，分辨率達到毫伏級，所以D/A的分辨率需達到亞毫伏級。本設計采用AD5781作為D/A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度轉換器，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轉換器芯片特別適合于精密模擬數據的獲取與控制。D/A 電路設計如圖2 所示。

　　在硬件電路設計中，由于AD5781 采用的精密架構，要求強制檢測緩沖其電壓基準輸入，確保達到規定的線性度。因此選擇用于緩沖基準輸入的放大器應具有低噪聲、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 雙通道運算放大器，具有0.6 μV/℃低失調漂移和2 nA輸入偏置電流，因而能為AD5781提供精密電壓基準。通過下拉電阻將AD5781的CLR和LDAC引腳電平拉低，用于設置AD5781為DAC二進制寄存器編碼格式和配置輸出在SYNC的上升沿更新。