采用ARM的压电陶瓷驱动电源结构及电路

直流放大式压电驱动电源的系统结构

驱动电源电路主要由微处理器、D/A转换电路和线性放大电路组成。通过微处理器控制D/A产生高精度、连续可调的直流电压(0~10V)，通过放大电路对D/A输出的直流电压做线性放大和功率放大从而控制PZT驱动精密定位平台。

该设计中采用LPC2131作为微处理器，用于产生控制信号及波形;采用18位电压输出DA芯片AD5781作为D/A转换电路的主芯片，产生连续可调的直流低压信号;采用APEX公司的功率放大器PA78作为功率放大器件，输出0~100V的高压信号从而驱动PZT.为实现高分辨率压电驱动器的应用，压电驱动电源分辨率的设计指标达到1mV量级。

基于ARM的低压电路设计

压电陶瓷驱动电源中ARM控制器主要提供两方面功能：作为通信设备提供通用的输入/输出接口;作为控制器运行相关控制算法以及产生控制信号或波形实现PZT的静态定位操作。针对如上需求，本设计采用LPC2131作为主控制器，LPC2131是Philips公司生产的基于支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-S-CPU的微控制器，主频可达到60MHz;LPC2131内部具有8KB片内静态RAM和32KB嵌入的高速FLASH存储器;具有两个通用UART接口、I2C接口和一个SPI接口。由于LPC2131具有较高的数据处理能力和丰富的接口资源使其能够作为压电驱动电源的控制芯片。

D/A电路设计

由于压电驱动电源要求输出电压范围为0~100V，分辨率达到毫伏级，所以D/A的分辨率需达到亚毫伏级。本设计采用AD5781作为D/A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度转换器，输出电压范围-10~10V，提供±0.5LSBINL，±0.5LSBDNL和7.5nV/Hz噪声频谱密度。另外，AD5781还具有极低的温漂(0.05ppm/℃)特性。因此，该D/A转换器芯片特别适合于精密模拟数据的获取与控制。D/A电路设计如图2所示。

在硬件电路设计中，由于AD5781采用的精密架构，要求强制检测缓冲其电压基准输入，确保达到规定的线性度。因此选择用于缓冲基准输入的放大器应具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性。这里选用AD8676，AD8676是一款超精密、36V、2.8nV/Hz双通道运算放大器，具有0.6μV/℃低失调漂移和2nA输入偏置电流，因而能为AD5781提供精密电压基准。通过下拉电阻将AD5781的CLR和LDAC引脚电平拉低，用于设置AD5781为DAC二进制寄存器编码格式和配置输出在SYNC的上升沿更新。

图1AD5781硬件设计电路图

在ARM端的软件设计中，除正确配置AD5781的相关寄存器外，还应正确配置SPI的时钟相位、时钟极性和通信模式。正确的SPI接口时序配置图如图2所示。

图2主模式下的SPI通信时序图

本文主要介绍了一种高分辨率的压电陶瓷驱动电源系统结构及电路设计，帮助大家对于这种新型的驱动电源进行初步的认识与了解。随着电路设计的复杂化，对于这种基础电路知识的掌握将会是非常必要的，希望大家在阅读过本文之后能够有所收获。