采用ARM高分辨率壓電陶瓷D/A電路設計

　　根據(jù)壓電陶瓷微位移器對驅動電源的需求，設計了壓電驅動電源系統(tǒng)的方案。該方案先介紹了電源系統(tǒng)中的數(shù)字電路部分和模擬電路部分，并對驅動電源的精度與穩(wěn)定性進行了分析與改進。最后對驅動電源的性能進行了實驗驗證。實驗結果表明：該設計方案的電源輸出電壓噪聲低于0.43 mV、輸出最大非線性誤差低于0.024%、分辨率可達1.44 mV，能夠滿足高分辨率微位移定位系統(tǒng)中靜態(tài)定位控制的需求。

　　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(chǎn)生形變，從而驅動執(zhí)行元件發(fā)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(yōu)點，在航空航天、機器人、微機電系統(tǒng)、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(xiàn)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(xù)可調，同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。

　　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(shù)據(jù)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(guī)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。在ARM 端的軟件設計中，除正確配置AD5781的相關寄存器外，還應正確配置SPI的時鐘相位、時鐘極性和通信模式。

　　線性放大電路設計

　　從工程角度考慮，由于干擾源的存在，會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生變化，導致系統(tǒng)發(fā)生震蕩。因此保證控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾性的方法是使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度即相角裕度。由于實際電路中存在雜散電容，其中放大器反向輸入端的對地電容對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大的影響。如圖6所示，采用C5和C6補償反向端的雜散電容。從系統(tǒng)函數(shù)的角度看，即構成超前校正，增加開環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率，從事增加系統(tǒng)帶寬提高響應速度。PA78有兩對相位補償引腳，通過外部的RC 網(wǎng)絡對放大器內部的零極點進行補償。通過PA78的數(shù)據(jù)表可知，PA78內部的零極點位于高頻段。根據(jù)控制系統(tǒng)抗噪聲能力的需求，配置RC 網(wǎng)絡使高頻段的幅值特性曲線迅速衰減，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。圖中，R4，C1與R5，C2構成RC 補償網(wǎng)絡。

　　此外電路中C3的作用是防止輸出信號下降沿的振動引起的干擾；R10起到偏置電阻的作用，將電源電流注入到放大器的輸出級，提高PA78的驅動能力。將PI 控制器的參數(shù)分別設置為KP=10、KI=0.02;超前校正補償電容分別為12 pF 和220 pF;RC 補償網(wǎng)絡為R=10 kΩ、C=22 pF.利用線性放大電路的Spice 模型進行仿真得到幅頻特性和相頻特性曲線如圖所示。從圖中觀察可得，放大系統(tǒng)的帶寬可達100 kHz，從而保證了系統(tǒng)良好的動態(tài)特性，同時相角裕度6使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。