基于單片機(jī)控制多路PZT的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1 引言

在自適應(yīng)光學(xué)合成孔徑成像系統(tǒng)中，某個(gè)孔徑通道的原始信號(hào)相位信息因大氣、載體振 動(dòng)等因素引起發(fā)生變化時(shí)，冗余信息就會(huì)將兩兩通道的變化信息反映出來(lái)，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)提 取出用于冗余間隔校正的信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)反饋控制驅(qū)動(dòng)電壓鼓完成相位的實(shí)時(shí)校正。我們 在該反饋系統(tǒng)中引入了壓電陶瓷筒PZT 進(jìn)行反饋控制。在外加電場(chǎng)作用下，具有逆壓電效 應(yīng)的壓電陶瓷材料（PZT）將發(fā)生形變，PZT 筒上的光纖也就會(huì)隨著PZT 筒的徑向位移而產(chǎn) 生長(zhǎng)度的變化,從而改變光波相位。任何 PZT 的使用都離不開相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，PZT 能否 正常、有效的工作，取決于它的驅(qū)動(dòng)電路的性能，對(duì)于PZT 進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋控制的系統(tǒng)而言， PZT 驅(qū)動(dòng)電路能否線性地進(jìn)行放大，是我們最關(guān)心的問題，本文在以往 PZT 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu) 基礎(chǔ)上，利用單片機(jī)C8051F005 和新型D/A 轉(zhuǎn)換器AD5308 成功實(shí)現(xiàn)了多路 PZT 驅(qū)動(dòng)電 路的設(shè)計(jì)。

2 PZT 驅(qū)動(dòng)電壓要求

由 PZT 筒實(shí)現(xiàn)的光纖相位調(diào)制是把電壓加于PZT 筒上產(chǎn)生壓電效應(yīng)，使PZT 筒的外徑 周長(zhǎng)發(fā)生變化，帶動(dòng)纏繞PZT 筒的光纖長(zhǎng)度及折射率也發(fā)生變化，從而改變光纖內(nèi)傳輸?shù)?光波相位引起的相位變化，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：






3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求本系統(tǒng)采用8 位數(shù)模轉(zhuǎn)換精度的AD5308 作為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，利用 C8051F005 單片機(jī)控制AD5308，通過(guò)串行通信口將各個(gè)數(shù)據(jù)分別送到相應(yīng)的D/A 轉(zhuǎn)換通道， 實(shí)現(xiàn)相位差信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)模擬電壓的目的。系統(tǒng)主要硬件電路連接如圖1 所示，單片機(jī) C8051F005 通過(guò)SCL（時(shí)鐘線），SDL（數(shù)據(jù)線），SYINC1（第一片AD5308 片選線）和SYIN2 （第二片AD5308 片選線）與兩片AD5308 相連，數(shù)據(jù)線SDA 分時(shí)傳送12 路數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)刷 新率最低為3HZ。時(shí)鐘線SCL 為后者提供時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)片選SYNC1，SYNC2 選 擇其中一片AD5308 工作，在本系統(tǒng)中，C8051F005 的P0.0 引腳與SDA 連接，P0.1 引腳 與 SCL 連接，P1.3 引腳與SYNC1 連接，P1.4 引腳與SYNC2 連接。我們選擇REF195 芯片 作為參考電壓源。同時(shí)為兩片AD5308 提供5V 參考電壓。AD5308 的LDAC 引腳接地。單 片機(jī)產(chǎn)生D /A 的時(shí)鐘信號(hào)，并通過(guò)串行口將數(shù)據(jù)發(fā)送給AD5308，經(jīng)AD5308 轉(zhuǎn)換輸出， 提供驅(qū)動(dòng)PZT 所需的電壓信號(hào)。

4 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

AD5308 數(shù)據(jù)傳輸方式為字傳輸，輸出電壓范圍取決于控制字中D4、D5 位，D4 位控 制通道A、B、C、D，D5 位控制通道E、F、G、H。D4、D5 若取0 則輸出為0V— REF V ， 若取1 則輸出為0V—2 REF V （ REF V 為參考電壓）。本實(shí)驗(yàn)要求每路電壓輸出均為0-4V，參 考電壓REF V 為5V，因而，我們令D4D5=00。SYNC 引腳是使能引腳，電平觸發(fā)方式，低電 平有效。LDAC 引腳信號(hào)啟動(dòng)8 路數(shù)據(jù)D/A 轉(zhuǎn)換，低電平有效， AD5308 的串行數(shù)據(jù)傳輸 時(shí)序如圖2 所示。

由圖可知， SYNC 信號(hào)為低電平時(shí)，在時(shí)鐘信號(hào)SCLK 的下降沿 ，數(shù)據(jù)開始寫入，在 第16 個(gè)SCLK 下降沿之后，SYNC 須置為高電平以停止數(shù)據(jù)傳輸。如果在第16 個(gè)脈沖下降 沿到來(lái)之前，SYNC 被置為高電平，數(shù)據(jù)傳輸失敗。之后移位寄存器中的數(shù)據(jù)將自動(dòng)進(jìn)入所 選擇的DAC 寄存器。DAC 寄存器中的數(shù)據(jù)在LDAC 控制信號(hào)下開始轉(zhuǎn)換更新。單片機(jī)向 AD5308 寫16 位數(shù)據(jù)時(shí)高位在先，低位在后。

數(shù)據(jù)寫入方式

設(shè)置 MSB（D15 位）為0，表示寫入的是數(shù)據(jù)，D14D13D12=000，表示通道DACA 地 址，001，表示DACB 通道地址，以此類推，D14D13D12=111，表示通道DACH 地址，D11-D4 表示8 位待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。低四位全部置0。例如寫入數(shù)據(jù)0011 0101 0001 0000，表示將數(shù)據(jù)0101 0001 寫入到DAC D 通道。

控制字寫入方式

設(shè)置 MSB（D15 位）為1，表示寫入的是控制字。D14D13=00，表示增益和參考電壓 選擇模式。01：LDAC 工作模式；10：節(jié)能模式；11：AD5308 復(fù)位模式。在增益和參考電 壓模式下，由（6）式，我們可寫入控制字1000 0000 0000 0011，表示使用REF195 作為參 考電壓，增益范圍為0-5V；在LDAC 模式下，寫入控制字1010 0000 0000 0000，表示持續(xù) 更新DAC 寄存器。在復(fù)位模式下，寫入控制字1111 0000 0000 0000，表示復(fù)位所有寄存器 和控制位。本系統(tǒng)未使用節(jié)能模式。

主程序設(shè)計(jì)

首先對(duì) C8051F005 單片機(jī)進(jìn)行初始化，包括晶振初始化、端口初始化、定義控制AD5308 的I/O 接口及交叉開關(guān)，接著初始化AD5308，裝入各個(gè)控制字，最后寫入數(shù)據(jù)到各個(gè)轉(zhuǎn)換 通道。AD5308 初始化流程圖如圖3 所示，主程序流程如圖4 所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀測(cè)結(jié)果顯示，每個(gè)通道信號(hào)頻率約為12.35 赫茲，輸出電壓幅值范圍在4.88V 到5V 之間。滿足實(shí)驗(yàn)要求的3 赫茲掃描速度，0 到4V 電壓要求。選用8 位的D/A 轉(zhuǎn)換器，輸出 精度為0.02V，從而相位差校正精度為0.01 弧度，符合實(shí)驗(yàn)精度要求。圖5 所示是在示波器 上觀測(cè)到的DAC E 通道數(shù)模轉(zhuǎn)換得到的鋸齒波信號(hào)。

6 結(jié)論

本文采用 C51 語(yǔ)言編寫了12 路相位數(shù)據(jù)的D/A 轉(zhuǎn)換控制程序。串行數(shù)據(jù)傳輸方式及8 通道AD5308 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用，極大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件電路，使得軟件編程也比較簡(jiǎn)單， 可滿足需要控制多路PZT 實(shí)現(xiàn)光纖相位調(diào)制的應(yīng)用。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用新型數(shù)模轉(zhuǎn)換 器AD5308 具有8 通道的特性，采用數(shù)據(jù)串行傳輸方式，在自適應(yīng)光學(xué)合成孔徑成像相位實(shí) 時(shí)校正系統(tǒng)中，分時(shí)提供12 路PZT 所需的驅(qū)動(dòng)電壓。成功完成相位的實(shí)時(shí)校正。本項(xiàng)目產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益：500 萬(wàn)元以上。