（控制科学与工程专业论文）基于arm和dds技术的压电陶瓷驱动电源设计.pdf

武汉理下大学硕士学位论文 摘要 d d s ( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s 直接数字频率合成技术) 是广泛应用的信号生 成方法，其优点是易于程控，输出频率分辨率高，同时芯片的集成度高，适合 于嵌入式系统设计。针对现有的压电陶瓷电源输出波形频率、相位等不能程控、 电路集成度不高、体积和功耗较大等问题，本文以a r m 作为控制电路核心，引 入d d s 技术产生输出的波形信号，并由集成高压运放将波形信号提高至输出级 的电压和功率。 在压电陶瓷电源硬件电路中采用了模块化设计，主要分为a r m 控制电路、 d d s 系统驱动电路和波形调理电路、高压运放电路等几个部分。电源控制电路 以三星公司的$ 3 c 2 4 4 0 控制器为核心，以触摸屏作为人机输入界面；d d s 芯片 选用a d i 公司的a d 9 8 5 1 ，设计了d d s 系统外围驱动电路，滤波和信号调理电 路，并应用了将d d s 与锁相环技术相结合的杂散问题解决方案；高压运放电路 由两级运放电路组成，采用了电压控制型驱动原理，放大电路的核心是p a 9 2 集 成高压运放，加入了补偿电路以提高系统的响应带宽，并在电源输出设置了过 电流保护和快速放电的放电回路。 电源软件部分采用w i n c e 嵌入式系统，根据w i n c e 系统驱动架构设计 d d s 芯片的流接口程序，编写了流接口函数和配置文件，并将流驱动程序集成 入w i n c e 系统；编写了基于e v c 的触摸屏人机界面主程序，由主程序将用户 输入参数转换为d d s 芯片的控制字，并采用动态加载流驱动方式将控制字送入 d d s 芯片实现了对其输出的控制。 对电源进行了不同典型波形输出的测试实验。在实验中，测试了d d s 信号 波形输出的精度和分辨率、电源动态输出精度和对信号波形的跟随性和响应性 能。实验表明，压电陶瓷电源输出信号波形精度较高，对波形、频率等参数改 变的响应速度快，达到电源输出稳定性要求。 关键词：压电陶瓷驱动电源，嵌入式技术，d d s 技术，流驱动 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t d d s ( d i r e c td i 西t a ls y n t h e s i s ) i su s e dw i d e l yo nf r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n i q u e t h ec o n t r o l l i n gf a c i l i t y ， f i n ef r e q u e n c yr e s o l u t i o n ，a n dh i 曲d i g i t a li n t e g r a t i o na r e t h ep r i m a r ya d v a n t a g e so fd d s ，s oi ti se a s yf o rt h ed e s i g no ft h ee m b e d d e ds y s t e m t h e r ea r es o m ed i s a d v a n t a g e so ft h ep z td r i v i n gp o w e rs u p p l yb a s e do nt r a d i t i o n a l d e s i g n ， s u c ha st h eu n c o n t r o l l a b i l i t yb yp r o g r a m m i n gf o rp h a s ea n df r e q u e n c y ，t h e l o w e rd i g i t a li n t e g r a t i o nl e v e l ，t h el a r g e rs i z ea n dt h eh i g h e rp o w e rc o n s u m p t i o n i n o r d e rt os o l v e t h e s ep r o b l e m s ，a r mc o n t r o ls y s t e mi su s e di nt h ec o n t r o lc i r c u i to f t h i sa r t i c l ea n dt h ew a v eo fs i g n a li s ， b a s e do nt h ed u s t m e n ，t h ev o l t a g eo ft h i s s i g n a li sa m p l i f i e db yt h e1 1 i g l lv o l t a g eo p e r a t i o n a la m p l i f i e rc i r c u i t t h ec i r c u i to ft h i sp o w e rs u p p l yi sd i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e s ，s u c ha sa r m c o n t r o lc i r c u i t ，d d ss y s t e md r i v i n gc i r c u i ta n dw a v ec o n d i t i o n i n gc i r c u i t ， a n dt h e h i g hv o l t a g eo p e r a t i o n a la m p l i f i e rc i r c u i t t h em i c r o p r o c e s s o rs 3 c 2 4 4 0i su s e da s t h ec p ui nt h ec o n t r o lc i r c u i t ， a n dt h et f tt o u c hs c r e e ni su s e da sh u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c e a d 9 8 5li sc h o s e n 勰t h ed d sc h i p ，a n di t sd r i v i n gc i r c u i t ，f i l t e ra n d c o n d i t i o n i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e d ak i n do fd d sa n dp l lu n i f i e dm e t h o di su s e dt o s o l v et h ed i s p e r s i o np r o b l e mo ft h ed d s t h e1 1 i 9 1 1v o l t a g eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r c i r c u i ti sd e s i g n e da sat w os t a g es t r u c t u r e ，w h i e hi sb a s e do nv o l t a g ec o n t r o lm o d e n l cc o r ec h i po ft h ea m p l i f i e rc i r c u i ti st h eh i g hv o l t a g eo p e r a t i o n a la m p l i f i e rp a 9 2 ， a n dt h ec o m p e n s a t i n gc i r c u i ti su s e dt oi m p r o v et h eb a n d w i d t ho ft h ec i r c u i t o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i ta n df a s td i s c h a r g ec i r c u i ta r ed e s i g n e da st h eo u t p u to ft h e p o w e rs u p p l y t l l es o f t w a r eo ft h i sp o w e rs u p p l yi sb a s e do nt h es t r u c t u r eo fw i n c e t h e p r o g r a m sa n dt h ec o n f i g u r a t i o nf i l e so ft h ed d ss t r e a mi n t e r f a c ed d v e ra r ee d i t e d b a s e do nt h es t r u c t u r eo ft h ew i n c ed r i v e r t 1 1 i ss 仃c a mi n t e r f a c ed n v e ri s i n t e g r a t e da sap a r to ft h ew 玎、i c es o f t w a r ep a c k a g e s b yt h em a i np r o g r a m so ft h e t o u c hs c r e e nh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，t h ep a r a m e t e r so ft h ew a v es e tb yt h eu s e r a r ec o n v e r t e dt ot h ec o n t r o lw o r d so ft h ed d sc h i p t or e n o v a t et h eo u t p u to ft h e d d sc h i p ，t h e s ec o n t r o lw o r d sa r et r a n s f o r m e dt ot h ed d sc h i pb yt h es t r e a m i n t e r f a c ed r i v e r ，w h i c hi sl o a d e db yad y n a m i cl o a d i n gm e t h o d t h e r ea r es o m ee x p e r i m e n t sa b o u tt h ep o w e rs u p p l y 8o u t p u t i nt h e s e e x p e r i m e n t s ，t h ea c c u r a c ya n df r e q u e n c yr e s o l u t i o no ft h es i g n a lw a v eg e n e r a t e db y d d s ，t h ea c c u r a c ya n dr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed y n a m i co u t p u ta r ea l s ot e s t e d 1 1 1 e s ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，t h ew a v eo fp o w e rs u p p l y so u t p u th a sh i g h e r a c c u r a c y ， a n df i n er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ct ot h ev a r yo ft h ef r e q u e n c y ，s ot h ep o w e r s u p p l y sc h a r a c t e r i s t i cc a nr e a c ht h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e r n k e yw o r d s ：d r i v i n gp o w e rs u p p l y ，e m b e d d e ds y s t e m ，d d s ，s t r e a mi n t e r f a c e 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盘蹈车 日期：地! ：i ：堡 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签孙麟翩c 签孙秤1 节日期。罗 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着人们对物质微观结构研究的不断深入，纳米级科学与纳米级技术在科 学技术发展中起着越来越重要的作用，纳米级的探测与加工成为当f j i 研究的热 门课题，而其微位移驱动与定位机构是实现探测和加工的关键技术。 随着压电陶瓷驱动器的日益广泛应用，压电陶瓷驱动电源技术也得到越来 越多的重视，世界各国都竞相开展对压电陶瓷驱动电源技术的研究【l - 3 1 。如美国 a a l a bs y s t e m 公司、美国r h k 公司、德国p i 公司等都在研制开发一系列的压 电陶瓷驱动电源。而我国在压电驱动电源，特别是频率、输出波形可以程控的 压电陶瓷驱动电源领域的研究处于滞后状态。进口产品垄断国内市场而且价格 昂贵，如德国进口的e 5 0 0 压电陶瓷驱动电源高达几千欧元。国内主要生产厂家 有哈尔滨博实精密有限公司h p v 系列、b 系列和c 系列压电陶瓷驱动电源，但是 波形主要仅限于正弦波、方波、三角波、锯齿波等标准信号波形【4 】。鉴于这样的 现状，研制频率、相位、输出波形可以程控的压电陶瓷驱动电源显得很有必要。 1 2 压电陶瓷驱动电源的研究现状及分类 1 2 1 电压控制型压电陶瓷驱动电源 电压控制型压电陶瓷驱动电源根据压电陶瓷位移与其两端电压呈近似线性 关系的原理，通过控制压电陶瓷两端电压来控制其位移。其主要有两种类型， 一种是基于直流变换器原理的开关式压电陶瓷驱动电源，该类型驱动电源功率 损耗小，效率高，体积小，但其存在输出纹波较大，频响低等缺点，严重影响 了响应速度和定位精度；另一种是直流放大式压电陶瓷驱动电源，其具有控制 简单，频响宽等优点。在实际应用中，虽然很多电源能够保持输出信号的形状， 但是其却是建立在幅值过早衰减的基础之上的，因此其有效带载能力却因为幅 值的提前衰减而受到严重的限制。 武汉理1 1 人学硕士学位论文 直流放大式压电陶瓷驱动电源是当前国内外研究比较成熟的一种驱动电 源，其驰动原理图如图1 1 所示。 v i 压电陶瓷 图1 1 电压型驱动器原理图 国际上较先进的压电陶瓷驱动电源生产商都己开发出适用于各种条件和任 务的多系列产品。如德国的p i 公司，美国a a l a bs y s t e m 公司，美国r h k 公司，美国c o l u m b i a 公司，德国p i e g o m a c h a n i o 公司d y n a m i cs t r u c t u r e s m a t e r i a l s ，l l c ( d s m ) 研究中心提出了一种小型化的驱动电源设计方案， 在国内，哈尔滨工业大学机器人研究所也开发出了系列压电陶瓷驱动电源】。 图l - 2 为p i 公司的e 一6 1 2 型低压压电陶瓷驱动电源。它可输出，吸入最大值 为8 0 m a 的平均电流，输出电压范围为2 0 v 到1 2 0 v ，其有效频响可达到1 5 k j i z 。 图i - 2e - 6 1 2 型低压压电陶瓷驱动电源 电压控制型压电陶瓷驱动器具有良好的低频稳定性，其中高档的电源可获 得高位移分辨率，但由于压电陶瓷的位移与输入电压之间存在非线性的迟滞、 蠕变等现象，系统频响较低。为了解决这些问题，一般采用各种迟滞算子对压 电陶瓷的迟滞曲线建模鸭并对压电陶瓷进行补偿实现线性化唧，而使用复杂的 算法又加大了压电陶瓷位移的控制难度。 武汉理工大学硕十学位论文 1 2 2 电荷( 流) 控制型驱动器 电荷控制型压电陶瓷驱动电源是利用压电陶瓷位移与其上的自由电荷成线 性关系，采用电路直接控制施加在压电陶瓷两端的充电电荷，从而达到线性驱 动。压电陶瓷两端的电荷可以通过对其充电电流在充电时间内的积分算出，也 可由电荷积分放大器反馈而得【1 0 1 ，相应原理如图1 3 、图1 4 所示。 压电陶瓷 图1 3 电流控制型压电陶瓷驱动器原理图 压电陶瓷 图l - 4 电荷控制型压电陶瓷驱动器原理图 目前，在国际上该种驱动方式成为了研究的热点。美国d s m 公司、德国 m i c r o m e g ad y n a m i c s 公司等都已研制出了相应的产品。图1 5 是德国 m i c r o m e g ad y n a m i c s 公司的p z t - i 0 1 型电流型压电陶瓷驱动电源。其平均可输 出吸入最大值为5 0 m a 的电流，输出电压范围为2 0 0 v 到2 0 0 v ，其有频响可达 到2 5 k h z 。 3 武汉理l 大学硕。l ：学何沧文 图1 5p z t - i - 0 1 型电流型压电陶瓷驱动电源 电荷型驱动器的特征是电路中有一个电荷( 或电流量) 反馈电路。电荷控 制一般适用干交流驱动或绝缘阻抗高的场合。这是因为在静态情况下，当压电 陶瓷的绝缘阻抗较低时，会产生绝缘漏电阻，从而引起电荷的泄漏。如不采取 电流补偿等措施，就无法稳定的进行控制。电荷控制型驱动方法其开环控制线 性良好，带负载能力强，频带宽，但低频稳定性差，存在电荷泄漏、输出电压 饱和以及零点位移控制困难等问题u 1 - 1 2 1 o l2 3 混合控制型压电陶瓷驱动电源 混合控制型压电陶瓷驱动电源结合了电压控制型的优良静态特性及电荷控 制型的优良动态特 生在静态或低频条件下使用电压型压电陶瓷驱动电源，而 在中高频条件下使用电荷控制型压电陶瓷驱动电源，取得了良好的定位效果【l ”。 图1 - 7 为p i e z o m e c h a r f i k 公司的l e l 5 0 h y b 0 2 0 混合控制型压电陶瓷驱动电源。其 输出电压范围为- 2 0 v - 1 5 0 v ，可吸入辟禽出平均电流为8 0 0 m a ，且动态范围可达到 2 0 k h j 。 逢稿 图】一6 l e l 5 0 h y b 0 2 0 复合型驱动电源 武汉理t 大学硕士学位论文 1 3d d s 频率合成技术介绍 直接数字频率合成( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，简称d d s ) 是一种 新的频率合成方法，与其他频率合成方法相比，d d s 具有频率转换时间极短、 频率分辨率高、输出相位连续、可编程、全数字化易于集成等突出优点。因此， 它得到越来越广泛的应用。它不仅能产生传统函数信号发生器能产生的正弦波、 方波、三角波、锯齿波，还可以产生任意编辑的波形。由于d d s 的自身特点， 还可以很容易的产生一些数字调制信号，如f s k 、p s k 等。除了在仪器中的应用 外，d d s 在通信系统和雷达系统中也有很重要的用途。通过d d s 可以比较容易 的产生一些通信中常用的调制信号如：频移键控( f s k ) 、二进制相移键控 ( b p s k ) 和正交相移键控( q p s k ) 0 4 j 。 目前多数压电陶瓷驱动电源多采用由程序编写各种信号波形函数，再通过 控制d a 芯片生成信号波形，程序运算和处理较复杂，生成的波形精度和稳定性 较低。采用d d s 技术充分实现输出带宽相对较宽、频率转换时间短、频率分辨 率极高、输出相位连续、可输出宽带正交信号、可编程及全数字化结构便于集 成等这些优越性能，并能通过相应算法实现完整的波形输出。同时使用嵌入式 方法设计控制系统代替传统的计算机以提高集成度，降低成本、功耗成为各行 业的一个普遍选择，也使基于压电陶瓷驱动电源的微小型系统便携化设计成为 了可能。 1 4 论文的主要研究内容 本论文主要研究了采用了a r m 和d d s 技术的压电陶瓷电源的设计，主要研 究内容为以下几个部分： ( 1 ) 压电陶瓷电源的硬件电路设计，主要包括a r m 控制电路、d d s 外围电 路、高压运放电路、过电流和快速放电电路、1 r i 叮触摸屏等电路的设计； ( 2 ) 压电陶瓷电源的软件设计，主要包括w i n c e 嵌入式系统下d d s 芯片的 流接口驱动的程序编写和系统集成，基于e v c 的用户程序编写等； ( 3 ) 压电陶瓷电源的性能测试实验，主要测试了电源的信号波形生成性能、 高压运放电路的动态输出性能，如稳定性、精度及对信号波形的跟随性 等。 5 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章压电陶瓷驱动电源设计方案选择 2 1 压电陶瓷驱动器电源设计要求 压电陶瓷是利用其在外加电场作用下，具有逆压电效应或电致伸缩效应产 生形变，通常为了得到较大位移，而将多个压电陶瓷片粘叠起来使用【1 5 】。压电 陶瓷驱动器的位移输出对外加驱动控制电压的响应速度，主要取决于驱动电源 驱动电流的大小，因此驱动电源应具有较大的驱动电流，同时驱动电源应具有 良好的稳定性，其输出纹波电压应控制在很小的范围内。因此，压电陶瓷驱动 器的驱动电源指标要求为： ( 1 ) 输出波形：正弦波，三角波，方波电压，波形幅值均可调； ( 2 ) 输出频率范围：1 h z 1 0 k h z ，调节步进值l h z ； ( 3 ) 输出电压范围：0 3 0 0 v 连续可调，最大电压3 0 0 v ； ( 4 ) 最大输出电流：5 0 0 m a ，驱动电源中应有供容性负载快速放电的回路。 2 2 增益补偿电压型压电陶瓷驱动结构的选择 电压控制型驱动器是最成熟的压电陶瓷驱动器，其原理是根据压电陶瓷位 移与其两端电压呈近似线性关系，通过控制压电陶瓷两端电压来控制其位移f 1 6 】， 其核心电路如图2 1 所示。 i 也 v i n r i c 卜_ m 图2 - 1 两级放大电路图 6 压电陶瓷 武汉理工大学硕士学位论文 图中，高压运放的放大倍数： 4 = 酉拿i ( 2 - 1 ) 总的电压放大倍数为：圪埘= 一鲁吃 ( 2 2 ) 电压控制型驱动器的主要形式为直流放大电源，由于运放增益带宽积固定， 其放大倍数与带宽成近似反比，而高压运放的增益带宽积小，要获得较大的放 大倍数必须以牺牲带宽为代价。低压高速运放的增益带宽积大，但输出电压较 低，带载能力弱。考虑两类运放的特性，采用低压运放与高压运放串联的放大 结构，以低压运放作为前级误差放大器，高压运放作为高电压放大器来获得放 大倍数与带宽间的优化与平衡。这种串联放大结构中总放大倍数由前级低压运 放和后级高压运放共同承担，高压运放的放大倍数相应减小，驱动器的带宽则 随高压运放带宽的提高而上升。 由于直流放大式驱动电源的稳定性是建立在牺牲增益的基础之上的，其有 效带宽一般在1 5 k h z 以下，因此极大限制了其在操作对象对动态频响要求较高 的领域应用。通过反馈零点补偿及噪声增益补偿技术，使其带1 4 心负载时有效 频响可以达到l o k h z ，带1 0 p , f 负载时的动态频响可以达到4 4 k h z ，充分提高了 该种压电陶瓷驱动电源的动态性能【1 。丌。图2 2 为其原理图。 噪声增 益补偿 图2 2 带零点及噪声增益补偿的直流电压驱动原理图 7 武汉理1 人学硕l 学位论文 2 3 高压运放的选择 为高厄运放是高压放大电略的核心器件，为使驱动器获得良好的定位精度 及动奄性能，运算放大器的基术要求为低输入偏置电压、大功率、高增益带宽 积。根据放大电路的性能要求可汁算出所需放大器的参数】： ( 1 ) 输出电压范围：0 3 0 0 v ( 2 ) 响应频率带宽：1 h z 1 0 k h z ( 3 ) 根据最高频率和最大电爪波动范围计算所需转换速率sr ： s r = 2 f ( 1 x 1 0 “) = l9 v , u s ( 4 ) 最大输出电流i o p ： 1 v x c 2 2 2 2 r f c l “5 触。”2 童卸0 0 “ 根据以上算数据，选取美国a p e x 公司生产的p a 9 2 高雎运算放大器。 该运算放大器具有很高的电源电压抑制比，可降低对高压稳压电路的要求。 而且p a 9 2 运算放大器集运算放大电路，功率放大电路，保护电路于一体，使 电路集成度大大提高，减小了体积，提高了电路的可靠性。p a 9 2 是a p e x 公司 生产的一种高压，大带宽的m o s f e t 运算放大器，最大输出电流4 a ，最高工 作电压达到- c 2 0 0 v , 其输出电压接近电源电压，增益带宽积1 8 m h z ，全功率带 宽3 0 k h z ，失调电压韧始值2 m v ，具有内部s o a 保护功能。实物如图2 3 所 i 。 熏 ? t ! t t t t t t l l j 图2 - 3p a 9 2 高压运算放大器 武汉理工大学硕十学位论文 2 4 基于相位累加器的直接数字合成法的d d s 方案选择 2 4 1d d s 技术原理 由d s s 技术可实现高精度波形输出及波形改变的快速响应输出。基于相位累 加器的直接数字频率合成法是当苜；f d d s 技术的主流，是一种全数字化的频率合 成方法，其主要组成为：相位累加器、波形存储r o m 、d a 转换器、低通滤波 器( l p f ) 和内置比较器。其基本原理如图2 4 所示【1 9 2 0 1 。 一下 图2 4 d d s 技术基本原理图 d d s 技术是以采样定理为基础的，首先对所要产生的波形进行采样，将采 样值数字化后存入存储器生成波形的查找表，在生成波形时再通过查表将数据 读出，经过d a 转换器转换成模拟量，把读出的波形数据点组合起来，这样就 合成了所需的波形。从图2 4 中可看出，d d s 系统除了滤波器之外，全都是数 字集成电路，因此系统容易集成化和小型化。d d s 系统中的参考时钟必须采用 高稳定性的晶体振荡器，用来作为系统时钟同步整个系统的各组成部分【2 。 9 武汉理工大学硕+ 学位论文 2 4 2d d s 芯片a d 9 8 5 l 的技术指标 d d s 电路是信号生成的核心电路。a d i 公司是世界著名的模拟与数字器件 的生产厂商。目前，a d i 公司的d d s 芯片己在国内外得到广泛的应用。其中 d a c 的位数、频率控制字的长短、内部时钟频率的高低对合成信号的质量有直 接的影响。鉴于本电源设计只要求d d s 电路产生的频率小于1 m h z ，综合考虑 选用了a d i 公司的d d s 器件a d 9 8 5 l 。 ( 1 ) a d 9 8 5 l 的工作原理 a d 9 8 5 1 提供一个3 2 h i t 的频率调整字，用户可通过改变3 2 b i t 的频率调整字 的内容来改变a d 9 8 5 1 的输出频率。a d 9 8 5 1 另外提供5 b i t 控制相位，使其输 出的相位可以是1 8 0 。、9 0 0 、4 5 。、2 2 5 0 、11 2 5 。及其任意组合改变，在每一参 考时钟到来时，频率调整字累加到相位累加器中产生实时的数字相位信息，数 字相位信息转换成正弦表中相应的数字幅度值。d a 转换器把数字幅度值高速 且线性地转换成模拟幅度值。a d 9 8 5 1 的输出频率、参考频率和频率调整字之 间的关系可以用下式表示： 其中a o 为3 2 b i t 频率调整字，r e f c l k 为参考时钟，磊为输出频率( m h z ) 。 通过接口电路把频率控制字输入到d d s 电路的相位累加器之后，相位累加器 根据这个频率控制字输出相应的线性递增的相位序列，这个相位序列的高1 4 b i t 通过一个幅度转化的算法产生出正弦波的量化序列，然后在通过d a 转换器的 到一个被平顶采样过的正弦波。再通过低通滤波器得到一个光滑的正弦波，这 个正弦波可以被直接输出，也可以再送到高速比较器上输出一个方波1 2 2 。 ( 2 ) a d 9 8 5 1 的控制字与控制时序 a d 9 8 5 1 有4 0 位控制字，3 2 位用于频率控制，5 位相位控制，1 位电源休 眠功能，2 位厂家保留测试控制。这4 0 位控制字可通过并行方式或串行方式装 入到a d 9 8 51 在并行装入方式中，通过8 位总线s e r i a ll o a dd 7 d o 将数据 装入寄存器，全部4 0 位需重复5 次。在f qu d 上升沿把4 0 位数据从输入寄 存器装入到频率和相位及控制数据寄存器，从而更新d d s 输入频率和相位，同 时把地址指针复位到第一个输入寄存器。接着在wc l k 上升沿装入8 位数据， 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 并把指针指向下一个输入寄存器连续5 个wc l k 上升沿后，wc l k 的边沿 就不再起作用，直到复位信号或f qu d 上升一沿把地址指针复位到第一个寄 存器。在串行装入方式中，wc l k 上升沿把2 5 引脚( s e r i a ll o a dd 7 ) 的 一位数据串行移入，移动4 0 位后，用一个f qu d 脉冲就可以更新输出频率和 相位。 a d 9 8 5 1 的控制字必须要按规定的时序写入a d 9 8 5 1 的寄存器中，并行写 入控制字的时序如图2 5 所示。 鼬似二立d ( 多玉 二二二二 刚。 厂 厂 厂 r 厂 w 洲一 厂 c o so 岍二二二亘至亟三二二二二：x 巫 _ _ _ _ 一1 一 图2 5a d 9 8 5 1 并行写入控制字时序图 从图2 5 可以看出在系统时钟有效的情况下，数据线上按照w o - - , w 4 的顺 序送出配置的数据，每个数据用wc l k 信号的上升沿锁存到a d 9 8 5 1 的寄存 器中。当5 个字节的数据发完以后，还需要有一个f qu d 信号，这个信号的 上升沿将刚输入的5 个字节控制字锁存到d d s 核中的寄存器中。在这个信号发 生作用后的一定时间内，d d s 的输出信号将会更新，按照刚刚写入的控制字输 出相应频率的j 下弦波。 a d 9 8 5 1 的复位( r e s e t ) 信号为高电平有效，且脉冲宽度不小于5 个参 考时钟周期。用于选择工作方式的两个控制位，无论并行还是串行最好都写成 0 0 ，并行时的1 0 、0 1 和串行时的l o 、0 1 、1 1 都是工厂测试用的保留控制字， 不慎使用可能导致难以预料的后果【2 3 - 2 4 。 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章压电陶瓷驱动电源的硬件设计 3 1 压电陶瓷驱动电源硬件总体设计 基于d d s 技术的压电陶瓷电源控制系统的总体结构框图如图3 1 所示，从 结构上控制系统由a r m 核心控制器、d d s 芯片、滤波和波形选择电路、高压 运放电路、过电流保护和快速放电电路、触摸屏等电路模块组成。 图3 1 压电陶瓷电源硬件结构图 其中控制核心为三星公司为手持设备和一般类型应用推出的低价格、低功 耗、高性能小型1 6 3 2 位r i s c 微处理器$ 3 c 2 4 4 0 ，以t f t 触摸屏作为用户数 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 据输入及人机界面显示，所需的信号频率、波形等参数由触摸屏输入后由基于 e v c 的用户程序进行处理，转换为相应的频率控制字、相位、波形控制字等控 制信号，其中频率、相位控制字由调用流驱动函数控制接口电路将其送入d d s 芯片a d 9 8 5 1 ，产生高精度的正弦波；将正弦波信号引入d d s 芯片的内部比较 单元可获得方波信号，方波信号再经过一个积分电路可得到三角波信号，因此 在信号调理电路中通过数据选择器，由波形控制字选择相应的波形输出。 d d s 的输出频谱里含有一些镜像频率的成分，为了使输出的频率不受外界 和一些杂波的干扰，需用一个低通滤波器滤除这些镜像频率，本设计中采用低 通滤波器设计为椭圆滤波器。在生成所需的信号波形后，将信号波形引入基于 两级直流电压放大的电压型高压运放电路，通过高压放大使输出的波形信号达 到设计要求的电压和电流幅值以驱动压电陶瓷驱动器；为防止电路中产生的过 电流对压电陶瓷驱动器的冲击，在高压运放电路与压电陶瓷驱动器之间加入了 过流继电保护电路，当电路中出现过电流时，将电源输出与驱动器断开；同时 根据压电陶瓷驱动器为容性负载，因此还增加了快速放电回路。 3 2a r m 控制器及触摸屏电路 根据压电陶瓷电源的设计性能要求和使用环境，控制器电路采用以 $ 3 c 2 4 4 0 微处理器为核心的控制器电路，通过扩展后与d d s 芯片、t f t 触摸屏 等电路连接，主要完成人机数据处理、d d s 芯片控制字及波形控制字生成、t f t 触摸屏图形数据显示等功能。 3 2 1a r m 控制电路的结构设计 1 ) s 3 c 2 4 4 0 控制器简介 s 3 c 2 4 4 0 x 是s a m s u n g 公司生产的一种高性价比3 2 位r i s c 微控制器， s 3 c 2 4 4 0 的内核基于a r m 9 2 0 t ，采用0 1 3 z m 工艺，其主频4 0 0 m h z ，最高可 达5 3 3m h z ，适合对功能和成本敏感的需求，同时它还采用了a m b a 的新型总 线结构，实现了m m u 、a m b a b u s 、h a r v a r d 的高速缓冲体系结构，同时支持 t h u m b1 6 位压缩指令集，从而能以较小的存储空间需求，获得3 2 位的系统性 能。 1 3 武汉理工大学硕十学位论文 其片上功能如下【2 5 】： 1 2 w 1 3 v a r m 内核，1 8 v 2 。5 v 3 0 w 3 3 v 存储器，3 3 v 外部i o ，具 有1 6 k b 指令缓存1 6 k b 数据缓存； ( d 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； ( 爹l c d 控制器，1 通道l c d 专用d m a ； ( d 具有外部请求引脚的4 通道d m a ； ( d 2 通道s p i ，3 通道u a r t ( i d r a l 0 ，6 4 字节t xf i f o 和6 4 字节r x f i f o ) ； ( dl 通道i i c 总线控制器，1 通道i i s 总线控制器； ( d 兼容s d 主机协议1 0 版和m m c 卡协议2 1 1 兼容版； 2 个u s b 主机，1 个u s b 设备( u s b l 1 ) ； ( d 4 通道p w m 计时器，l 通道内部计时器看门狗电路； 1 3 0 个通用i oi z i ，2 4 通道外部中断源； 具有p l l 片上时钟发生器； 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接1 2 1 ； 具有日历功能的实时时钟r t c ； 电源控制：普通、缓慢、空闲和断电模式； 相机接口。 2 ) $ 3 c 2 4 4 0 控制核心电路结构 基于a r m 微处理器的控制核心电路结构如图3 2 所示，主要器件包括三星 公司的s 3 c 2 4 4 0 a 处理器( 1 6 - 3 2 - b i tr i s cc p u ) 、一片型号为h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ( l ) t 的6 4 m 容量s d r a m 、一片型号为k 9 f 1 2 0 8 u o a 的6 4 m 容量n a n d f l a s h r o m 、一片型号为a m 2 9 l v l 6 0 d 的容量为2 m 的n o rf l a s h r o m 以 及时钟、复位、串口、j a t g 调试口等电路组成；为实现a r m 处理器y o 口与 外部信号生成及调理连接，将主要使用的控制引脚g p e 1 1 5 】口引出，与d d s 芯片电路及波形选择电路相连。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 2 $ 3 c 2 4 4 0 控制核心电路结构图 3 2 2a r m 控制器与触摸屏连接电路 $ 3 c 2 4 4 0 处理器内部集成了n 叮液晶屏显示及触摸屏控制器，触摸屏控制 器能够以5 0 0k s p s 的最大转换速率，把输入的模拟信号转换成1 0 b i t 二进制数字 码同步输出。在设计中，采用了一款n e c 公司的2 5 6 k 色2 4 0 x 3 2 0 3 5 英寸t f t 真彩液晶触摸屏，与$ 3 c 2 4 4 0 处理器连接如图3 3 所示，t s x p ，t s x m 和t s y p ， t s y m 分别是触摸屏的4 条引线，各自对应x 轴和y 轴电阻。t s x p ，t s x m ， t s y p ，t s y m 是$ 3 c 2 4 1 0 a 提供的触摸屏引脚的控制信号，控制4 个m o s 的通断。通道x a d 是触摸屏接口的x 坐标输入，y a d 是触摸屏接口的y 坐标输 入。在采样过程中，软件只用给一系列特殊寄存器置位，$ 3 c 2 4 4 0 的触摸屏控 制器就会自动控制触摸屏接口打开或关闭各m o s 管，按顺序完成x 坐标点采 集和y 坐标点采集。v d 0 2 5 为触摸屏显示像素点数据，v c l k 、v l i n e 、 v f r a m e 、v m 等为显示使能、时序控制及显示同步等控制数据【2 6 】。 1 5 武汉理工大学硕士学1 = 论文 g p c 【8 1 5 】 一多 v d 0 2 5 】g p d 0 1 5 】 a r n 4t s y m a 酣5t s y p a i n 6t s x m a 玳7t s x p g p e l 4x a d y a d g p e l 51 v c l k v l i n e g p c i 0 7 】 。 v f r a m e v m s 3 c 2 4 4 0 触摸屏 处理器 图3 。3 $ 3 c 2 4 4 0 处理器与触摸屏连接图 3 3d d s 芯片a d 9 8 5 1 波形生成电路 3 3 1 晶振模块设计 a d 9 8 5 1 内置6 数倍频器，能把外部较低频率的参考时钟通过倍频转换成 3 0 0 m h z 的参考时钟。d d s 系统的基准时钟信号对整个系统的工作频率和输出 信号的精度有重大影响，决定了d d s 输出的信号稳定度和精度；同时根据厶 = ，：4 0 及公式( 2 3 ) ，为了使输入的频率参数便于换算，应选择2 整数倍 晶振，因此本系统中a d 9 8 5 1 选用3 2 7 6 8 m h z 的参考时钟，可以满足要求。 为了优化性能，a d 9 8 5 1 的基准晶振采用l i n e a r 公司的l t c 6 9 0 5 电阻可编 程硅振荡器电路，其电路如图3 4 所示。硅振荡器不依靠机械谐振组件，不像 传统晶振电路那样会因机械动作磨损产生的物理冲击而导致输出频率和相位误 差；硅振荡器采用的是标准的硅片制造和组装技术，本身不受冲击和震动影响， 也没有磨损问题；而且硅振荡器可以保证启动一致性和快速性。在布线时，应 1 6 武汉理上大学硕士学位论文 保证从晶振到时钟输入脚距离尽量短，采样电路与其它数字电路尽量隔离；在 整个采样电路下应大面积覆铜接地，降低可能受到的电磁干扰，同时也可降低 对其它电路的干扰。 + 5 v t 辛 v + o u t l f g n d d i v s e t 3 3 2 电源模块设计 l t c 6 9 0 5 图3 4 晶振模块电路图 a d 9 8 5 1 芯片采用+ 3 3 v 供电，分为数字电源和模拟电源。为保证电路能 安全可靠地工作，防止模拟和数字电路之间的干扰，需要采取隔离措施。数字 信号对模拟部分干扰的一个重要的途径是通过电源和地串入模拟部分，从电源 引入的干扰将严重影响输出频谱的纯度，在最后的d a 中，电源的周期纹波将 被调制到输出的频谱中，使输出信号成为载频调制上噪声信号。在电路设计中 必须极力避免从电源线和地中引入干扰信号，在a d 9 8 5 1 的电源中必须将模拟 地和数字地分开，模拟电源和数字电源完全隔开，且为模拟部分提供低噪声的 电源。因此将d d s 模拟部分的+ 3 3 v 供电和数字部分的+ 3 3 v 供电完全隔离， 也让数字地和模拟地隔离开。 因此在电源模块由两部分芯片构成，数字+ 5 v 和+ 3 3 v 电源采用m a x i m 公司的m a x l 6 3 0 低噪声、多路输出电源管理芯片，m a x l 6 3 0 具有+ 2 5 v 至 + 5 5 v 双路电压可调的输出，输出电流1 a ，其功能图如图3 5 所示，其中+ 3 3 v 为a d 9 8 5 1 数字+ 3 3 v 电源，+ 5 v 为其它数字i c + 5 v 电源：模拟+ 3 3 v 电源 采用t i 公司的t 5 7 0 3 0 2 电源管理芯片，该芯