基于ARM 的高分辨率壓電陶瓷驅(qū)動電源設(shè)計方案

　　3.1 經(jīng)典線性放大電路設(shè)計

　　放大電路采用美國APEX公司生產(chǎn)的高壓運算放大器PA78作為主芯片。PA78的輸入失調(diào)電壓為8 mV,溫漂-63 V/°C,轉(zhuǎn)換速率350 V/μs,輸入阻抗108 Ω，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.

　　如果運放兩個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)象被稱為溫度漂移（溫漂），溫漂的大小隨時間而變化。PA78的失調(diào)電壓和溫漂分別為8 mV、-63 V/°C,并且失調(diào)電壓和溫漂都是隨機的，使PA78無法應(yīng)用于毫伏級分辨率的電壓輸出，需要對放大電路進行改進。

　　3.2 放大電路的改進

　　這里將PA78視為被控對象G（S），將失調(diào)電壓和溫漂視為擾動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)計的問題。在控制器的設(shè)計中常用的校正方法有串聯(lián)校正和反饋校正兩種。一般來說反饋校正所需的元件數(shù)少、電路簡單。但是在高壓放大電路中，反饋信號是由PA78的輸出級提供。反饋信號的功率較高，為元件選型和電路設(shè)計帶來不便，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，所以該設(shè)計采用串聯(lián)校正方法，采用模擬PI（比例-積分）控制器G1（S）進行校正，如圖5 所示。

　　成比例的反應(yīng)輸入信號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)中增加了一個位于原點的開環(huán)極點，開環(huán)極點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)的階躍擾動穩(wěn)態(tài)誤差（對于線性放大電路，可視失調(diào)電壓和溫漂為階躍擾動）。同時PI控制器還增加了一個位于復(fù)平面中左半平面的開環(huán)零點，復(fù)實零點的增加可以提高系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，緩解由犧牲的動態(tài)性能換取穩(wěn)態(tài)性能對系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響。

　　放大電路的設(shè)計中采用有源模擬PI控制器，改進后的線性放大電路如圖6所示。其中PI控制器的放大器采用AD8676,AD8676的輸入失調(diào)電壓低于50 μV（滿溫度行程下），電壓噪聲≤0.04 μV（P-P）@0.1~10 Hz,因此適合用于串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，以提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能、減小輸出電壓漂移。

　　3.3 相位補償

　　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6中，R4,C1與R5,C2構(gòu)成RC補償網(wǎng)絡(luò)。

　　此外電路中C3的作用是防止輸出信號下降沿的振動引起的干擾；R10起到偏置電阻的作用，將電源電流注入到放大器的輸出級，提高PA78的驅(qū)動能力。

　　將PI控制器的參數(shù)分別設(shè)置為KP=10、KI=0.02;超前校正補償電容分別為12 pF和220 pF;RC補償網(wǎng)絡(luò)為R=10 kΩ、C=22 pF.利用線性放大電路的Spice模型進行仿真得到幅頻特性和相頻特性曲線如圖7所示。從圖中觀察可得，放大系統(tǒng)的帶寬可達100 kHz,從而保證了系統(tǒng)良好的動態(tài)特性，同時相角裕度γ>60°使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性（由于PZT的負載電抗特性一般呈容性，所以留有較大的相角裕度十分必要）。

4 驅(qū)動電源實驗結(jié)果

　　實驗用壓電陶瓷驅(qū)動電源的穩(wěn)壓電源采用長峰朝陽電源公司的4NIC-X56ACDC 直流電源，輸出電壓精度≤1%,電壓調(diào)整率≤0.5%,電壓紋波≤1 mV（RMS）、10 mV（P-P）。測量設(shè)備采用KEITHLEY 2000 6 1/2Multimeter.

　　首先對DAC輸出分辨率進行測量，ARM控制器輸出持續(xù)5 s的階躍信號，同時在DAC輸出端對電壓信號進行測量，將測量結(jié)果部分顯示見圖8.圖8 中顯示AD5781的輸出電壓分辨率可達3.89e-5 V,即38.9 μV.