採用ARM的壓電陶瓷驅動電源結構及電路

2020-12-02 電子產品世界

隨著現如今電源設計的多樣化，壓電陶瓷驅動電源開始佔據市場的一席之地，其在一些特殊場合有著傳統電源無法比擬的優點。在本文中，小編將為大家介紹一種高解析度的壓電陶瓷驅動電源系統結構及電路設計方案。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/386876.htm

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(0~10V)，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驅動精密定位平臺。

該設計中採用LPC2131作為微處理器，用於產生控制信號及波形;採用18位電壓輸出DA晶片AD5781作為D/A轉換電路的主晶片，產生連續可調的直流低壓信號;採用APEX公司的功率放大器PA78作為功率放大器件，輸出0~100V的高壓信號從而驅動PZT.為實現高解析度壓電驅動器的應用，壓電驅動電源解析度的設計指標達到1mV量級。

基於ARM的低壓電路設計

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，本設計採用LPC2131作為主控制器，LPC2131是Philips公司生產的基於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60MHz;LPC2131內部具有8KB片內靜態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。由於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晶片。

D/A電路設計

由於壓電驅動電源要求輸出電壓範圍為0~100V，解析度達到毫伏級，所以D/A的解析度需達到亞毫伏級。本設計採用AD5781作為D/A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度轉換器，輸出電壓範圍-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轉換器晶片特別適合於精密模擬數據的獲取與控制。D/A電路設計如圖2所示。

在硬體電路設計中，由於AD5781採用的精密架構，要求強制檢測緩衝其電壓基準輸入，確保達到規定的線性度。因此選擇用於緩衝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。這裡選用AD8676，AD8676是一款超精密、36V、2.8nV/Hz雙通道運算放大器，具有0.6μV/℃低失調漂移和2nA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，用於設置AD5781為DAC二進位寄存器編碼格式和配置輸出在SYNC的上升沿更新。

圖1AD5781硬體設計電路圖

在ARM端的軟體設計中，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。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解析度的壓電陶瓷驅動電源系統結構及電路設計，幫助大家對於這種新型的驅動電源進行初步的認識與了解。隨著電路設計的複雜化，對於這種基礎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後能夠有所收穫。

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