【導(dǎo)讀】本文主要講解了高分辨率壓電陶瓷D/A電路設(shè)計，根據(jù)壓電陶瓷微位移器對驅(qū)動電源的需求，設(shè)計了壓電驅(qū)動電源系統(tǒng)的方案。該設(shè)計分為數(shù)字電路部分以及模擬電路部分。經(jīng)分析改進驅(qū)動電源的精度和穩(wěn)定性后，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率微位移定位系統(tǒng)對靜態(tài)定位控制的需求。
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(qū)動電源的精度與穩(wěn)定性進行了分析與改進。最后對驅(qū)動電源的性能進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明：該設(shè)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(dá)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(qū)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(yīng)產(chǎn)生形變，從而驅(qū)動執(zhí)行元件發(fā)生微位移。壓電陶瓷驅(qū)動器具有分辨率高、響應(yīng)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(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而壓電陶瓷驅(qū)動器的應(yīng)用離不開性能良好的壓電陶瓷驅(qū)動電源。要實現(xiàn)納米級定位的應(yīng)用，壓電陶瓷驅(qū)動電源的輸出電壓需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，同電壓分辨率需要達(dá)到毫伏級。因此壓電陶瓷驅(qū)動電源技術(shù)已成為壓電微位移平臺中的關(guān)鍵技術(shù)。
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0~100 V，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-10~10 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)計如圖1所示。
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線性放大電路設(shè)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(dǎo)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(gòu)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(yīng)速度。PA78有兩對相位補償引腳，通過外部的RC 網(wǎng)絡(luò)對放大器內(nèi)部的零極點進行補償。通過PA78的數(shù)據(jù)表可知，PA78內(nèi)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(luò)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(gòu)成RC 補償網(wǎng)絡(luò)。
圖2
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