基于單片機控制多路PZT的驅(qū)動電路設計

1 引言

在自適應光學合成孔徑成像系統(tǒng)中，某個孔徑通道的原始信號相位信息因大氣、載體振 動等因素引起發(fā)生變化時，冗余信息就會將兩兩通道的變化信息反映出來，通過光學系統(tǒng)提 取出用于冗余間隔校正的信息，經(jīng)過計算機反饋控制驅(qū)動電壓鼓完成相位的實時校正。我們 在該反饋系統(tǒng)中引入了壓電陶瓷筒PZT 進行反饋控制。在外加電場作用下，具有逆壓電效 應的壓電陶瓷材料（PZT）將發(fā)生形變，PZT 筒上的光纖也就會隨著PZT 筒的徑向位移而產(chǎn) 生長度的變化,從而改變光波相位。任何 PZT 的使用都離不開相應的驅(qū)動電路，PZT 能否 正常、有效的工作，取決于它的驅(qū)動電路的性能，對于PZT 進行動態(tài)反饋控制的系統(tǒng)而言， PZT 驅(qū)動電路能否線性地進行放大，是我們最關(guān)心的問題，本文在以往 PZT 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu) 基礎上，利用單片機C8051F005 和新型D/A 轉(zhuǎn)換器AD5308 成功實現(xiàn)了多路 PZT 驅(qū)動電 路的設計。

2 PZT 驅(qū)動電壓要求

由 PZT 筒實現(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，使PZT 筒的外徑 周長發(fā)生變化，帶動纏繞PZT 筒的光纖長度及折射率也發(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)學表達式為：






3 系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)實驗要求本系統(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 單片機控制AD5308，通過串行通信口將各個數(shù)據(jù)分別送到相應的D/A 轉(zhuǎn)換通道， 實現(xiàn)相位差信息轉(zhuǎn)化為相應模擬電壓的目的。系統(tǒng)主要硬件電路連接如圖1 所示，單片機 C8051F005 通過SCL（時鐘線），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 分時傳送12 路數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)刷 新率最低為3HZ。時鐘線SCL 為后者提供時鐘信號，單片機通過片選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。同時為兩片AD5308 提供5V 參考電壓。AD5308 的LDAC 引腳接地。單 片機產(chǎn)生D /A 的時鐘信號，并通過串行口將數(shù)據(jù)發(fā)送給AD5308，經(jīng)AD5308 轉(zhuǎn)換輸出， 提供驅(qū)動PZT 所需的電壓信號。

4 系統(tǒng)的軟件實現(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）。本實驗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 引腳信號啟動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 時序如圖2 所示。

由圖可知， SYNC 信號為低電平時，在時鐘信號SCLK 的下降沿 ，數(shù)據(jù)開始寫入，在 第16 個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 個脈沖下降 沿到來之前，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)將自動進入所 選擇的DAC 寄存器。DAC 寄存器中的數(shù)據(jù)在LDAC 控制信號下開始轉(zhuǎn)換更新。單片機向 AD5308 寫16 位數(shù)據(jù)時高位在先，低位在后。

數(shù)據(jù)寫入方式

設置 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。在復位模式下，寫入控制字1111 0000 0000 0000，表示復位所有寄存器 和控制位。本系統(tǒng)未使用節(jié)能模式。

主程序設計

首先對 C8051F005 單片機進行初始化，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，裝入各個控制字，最后寫入數(shù)據(jù)到各個轉(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 實驗結(jié)果

觀測結(jié)果顯示，每個通道信號頻率約為12.35 赫茲，輸出電壓幅值范圍在4.88V 到5V 之間。滿足實驗要求的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，符合實驗精度要求。圖5 所示是在示波器 上觀測到的DAC E 通道數(shù)模轉(zhuǎn)換得到的鋸齒波信號。

6 結(jié)論

本文采用 C51 語言編寫了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)換器的應用，極大的簡化了系統(tǒng)硬件電路，使得軟件編程也比較簡單， 可滿足需要控制多路PZT 實現(xiàn)光纖相位調(diào)制的應用。本文作者創(chuàng)新點：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，在自適應光學合成孔徑成像相位實 時校正系統(tǒng)中，分時提供12 路PZT 所需的驅(qū)動電壓。成功完成相位的實時校正。本項目產(chǎn)生經(jīng)濟效益：500 萬元以上。