基于ARM的高分辨率壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源

在ARM端的軟件設(shè)計(jì)中，除正確配置AD5781的相關(guān)寄存器外，還應(yīng)正確配置SPI的時(shí)鐘相位、時(shí)鐘極性和通信模式。正確的SPI接口時(shí)序配置圖如圖3所示。

3 高壓線性放大電路設(shè)計(jì)
本文壓電驅(qū)動(dòng)電源采用直流放大原理，通過(guò)高壓線性放大電路得到0～100 V連續(xù)可調(diào)的直流電壓驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷。放大電路決定著電源輸出電壓的分辨率和線性度，是整個(gè)電源的關(guān)鍵。
3．1 經(jīng)典線性放大電路設(shè)計(jì)
放大電路采用美國(guó)APEX公司生產(chǎn)的高壓運(yùn)算放大器PA78作為主芯片。PA78的輸入失調(diào)電壓為8mV，溫漂-63V／℃，轉(zhuǎn)換速率350 V／μs，輸入阻抗108Ω，輸出阻抗44 Ω，共模抑制比118 dB。基于PA78的線性放大電路設(shè)計(jì)如圖4所示。配置PA78為正向放大器，放大倍數(shù)為Gain= 1+R2／R1，得到輸出電壓范圍為0～100 V。

如果運(yùn)放兩個(gè)輸入端上的電壓均為0 V，則輸出端電壓也應(yīng)該等于0 V。但事實(shí)上，由于放大器制造工藝的原因，不可避免地造成同相和反相輸入端的不匹配，使輸出端總有一些電壓，該電壓稱(chēng)為失調(diào)電壓。失調(diào)電壓隨著溫度的變化而改變，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為溫度漂移(溫漂)，溫漂的大小隨時(shí)間而變化。PA78的失調(diào)電壓和溫漂分別為8 mV、-63 V／℃，并且失調(diào)電壓和溫漂都是隨機(jī)的，使PA78無(wú)法應(yīng)用于毫伏級(jí)分辨率的電壓輸出，需要對(duì)放大電路進(jìn)行改進(jìn)。
3．2 放大電路的改進(jìn)
這里將PA78視為被控對(duì)象G(S)，將失調(diào)電壓和溫漂視為擾動(dòng)N(S)，這樣就把提高放大器輸出電壓精度轉(zhuǎn)化成減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的控制器設(shè)計(jì)的問(wèn)題。在控制器的設(shè)計(jì)中常用的校正方法有串聯(lián)校正和反饋校正兩種。一般來(lái)說(shuō)反饋校正所需的元件數(shù)少、電路簡(jiǎn)單。但是在高壓放大電路中，反饋信號(hào)是由PA78的輸出級(jí)提供。反饋信號(hào)的功率較高，為元件選型和電路設(shè)計(jì)帶來(lái)不便，故線性放大電路中不使用反饋
校正法。而在串聯(lián)校正方法中，有源器件的輸入不包含高壓反饋信號(hào)，所以該設(shè)計(jì)采用串聯(lián)校正方法，采用模擬PI(比例-積分)控制器G1(S)進(jìn)行校正，如圖5所示。

圖5中，PI控制器將輸出信號(hào)c(t)同時(shí)成比例的反應(yīng)輸入信號(hào)e(t)及其積分，即：

由式(2)觀察可得，PI控制器相當(dāng)于在控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，開(kāi)環(huán)極點(diǎn)的存在可以提高系統(tǒng)的型別，由于系統(tǒng)的型別的提高可以減小系統(tǒng)的階躍擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差(對(duì)于線性放大電路，可視失調(diào)電壓和溫漂為階躍擾動(dòng))。同時(shí)PI控制器還增加了一個(gè)位于復(fù)平面中左半平面的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)，復(fù)實(shí)零點(diǎn)的增加可以提高系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，緩解由犧牲的動(dòng)態(tài)性能換取穩(wěn)態(tài)性能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響。