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压电陶瓷驱动电源的系统电路设计

更新时间: 2021-03-18
   压电陶瓷驱动器(PZT)是微位移平台的核心,其主要原理是利用压电陶瓷的逆压电效应产生形变,从而驱动执行元件发生微位移。压电陶瓷驱动器具有分辨率高、响应频率快、推力大和体积小等优点,在航天、机器人、微机电系统、精密加工以及生物工程等领域中得到了广泛的应用。然而压电陶瓷驱动器的应用离不开性能良好的压电陶瓷驱动电源。要实现纳米级定位的应用,压电陶瓷驱动电源的输出电压需要在一定范围内连续可调,同时电压分辨率需要达到毫伏级。因此压电陶瓷驱动电源技术已成为压电微位移平台中的关键技术。
  压电陶瓷驱动器基于ARM的低压电路设计:
  1.ARM控制器
  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,设计采用LPC2131作为主控制器,内部具有8 KB片内静态RAM和32 KB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。由于控制器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。
  2.D/A电路设计
  由于压电驱动电源要求输出电压范围为0-100 V,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。AD5781具有低的温漂特性。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。
  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、双通道运算放大器,具有低失调漂移和输入偏置电流,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。
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