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微型化低纹波压电陶瓷驱动电源的研制 摘要 压电陶瓷驱动已被广泛地应用在微电子、微机械、纳米科技等众多技术领 域。纳米工作台是纳米测量仪器及加工机械的重要部件，而压电陶瓷驱动系统 又是纳米工作台的重要部分，纳米工作台对压电陶瓷驱动定位精度要求很高， 驱动电源的品质对驱动器的定位精度影响很大，因此高精度驱动电源的研制也 受到日益广泛的重视。 本学位论文选题来源于国家自然科学基金项目“纳米三坐标测量机关键技 术的研究 ，任务是为六自由度微动工作台中八个压电陶瓷驱动器提供高精度 的并行驱动电源。目前市场上驱动电源有通道少( 3 通道以下) 、纹波高、价 格昂贵，难以集成等缺点，不能满足纳米测量的需要。本文研制了八通道微型 化低纹波的压电陶瓷驱动电源。设计时采用集成器件取代分离器件；使用高精 度数据采集卡来控制模拟输出信号；采取了若干措施，提高了电源的稳定性。 实验结果表明，所研制的8 通道并行驱动电源的输出电压范围为0 3 0 0 v ，纹波 电压小于1 5 m y ，分辨率为6 m y ，位移分辨率为0 8 n m ，非线性误差小于0 1 ， 最大输出电流1 a ，电压时漂小于l o m v 8 h ，频率响应2 k h z 以上，电源体积为长 x 宽高( 2 2 0 m m * 1 2 0 m m * 1 2 0 m m ) ，价格为市场上同通道驱动电源的1 3 。因此 所设计电源具有驱动能力强，稳定性好，体积小，实用性强，价格低廉等特点， 满足纳米测量的要求。 关键词：压电陶瓷驱动器，驱动电源微型化，低纹波，多通道 t h er e s e a r c ho nas u b m i n i a t u r ep o w e rf o rp z t s u p p l yw i t hl o wo u t p u tr i p p l e a b s t r a c t p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o rh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha sm i c r o 。 e l e c t r o n i c ，m i c r o - m e c h a n i s m ，n a n o m e t e r - s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n ds oo n n a n o t a b l ei st h ei m p o r t a n tp a r to fn a n o c m m ( t h r e e c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ) ，a n d t h a tt h ep i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r sa p p l i c a t i o ni st h ek e yc o m p o n e n ti nn a n o t a b l e p z td r i v i n g so r i e n t a t i o nn e e d sn a n o m e t e r l e v e la c c u r a c y , w h i l et h ep o w e r s u p p l y sq u a l i t yh a sb i gi n f l u e n c eo np i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r s s op e o p l ea t t a c hm o r e i m p o r t a n c et ot h er e s e a r c ho fh i g hp r e c i s i o nd r i v i n gs u p p l yp o w e r t h er e s e a r c hi sb a s e do nt h ep r o j e c ts p o n s o r e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no f ”n a n o - c m mk e yt e c h n o l o g yr e s e a r c h ”( 5 017 5 0 2 4 ) a n dn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fm a jo ri n t e r n a t i o n a lc o o p e r a t i o np r o je c t ”n a n o t h r e e d i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n ts y s t e mk e yt e c h n o l o g yr e s e a r c h ”( 5 0 4 2 012 013 4 ) t h i sp a p e rs t u d i e sak i n do fh i g hp r e c i s i o ns u p p l yp o w e rf o re i g h tp z ta c t u a t o r s w h i c ha r ec e n t e rp a r to f6 - d o fm i c r o t a b l e f o rt h ed e m a n do fm u l t i c h a n n e l p o w e r ，l o wo u t p u tr i p p l e ，l o wp r i c ea n di n t e g r a t i o nf o rp z t , t h ep a p e rd e v e l o p sa e i g h t - c h a n n e lm i c r o m a t i o np o w e rf o rp z ts u p p l yw i t hl o wo u t p u tr i p p l e w h e n d e s i g n e d ，t h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e ri su s e da st h ea m p l i f i e rc i r c u i to fp o w e rs u p p l y t or e p l a c et h es e p a r a t ec o m p o n e n t b yt e s t i n g ，t h ee i g h t c h a n n e lp o w e rs u p p l y s r i p p l ei sl e s st h a n15 m v ，t h er e s o l v i n gp o w e r i s6 m v ，t h ed i s p l a c e m e n tr e s o l v i n g p o w e ri s0 8 n m ，t h en o n l i n e a re r r o ri sl e s st h a n0 1 ，t h ec o n t i n u o u so u t p u tc u r r e n t c o u l db e0 - 1a ，a n dt h ev o l t a g eo ft i m ee x c u r s i o n ni sl e s st h a n6 m va f t e r8h o u r s c o n t i n u o u sw o r k i n g t h ep o w e rb a n d w i d t hc o u l db e2 k h z t h ep o w e rs u p p l yh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r o n g l yd r i v i n gc a p a b i l i t y ，f i n es t a b l i n g ，s u b m i n i a t u r e ，f i n e p r a c t i c a b i l i t y a n dc h e a pp r i c ee t c ，s oi tc o u l ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n t sf o rn a n o m e a u r e m e n t k e y w o r d s ：p z ta c t u a t o r s ；s u b m i n i a t u r e ；l o wr i p p l e ；m u l t i c h a n n e l 表3 1 表3 2 表3 3 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 列表清单 i o 端口地址表1 2 d a 输出跳线器选择1 2 数据采集卡的纹波测试1 4 模拟控制电压与输出电压值3 3 电源输出纹波测试3 3 不同时间不同电压指令的测量数据3 5 压电陶瓷驱动电源主要性能指标3 7 插图清单 图1 1 六自由度微动工作台结构示意图l 图1 2h p v 系列压电陶瓷驱动电源2 图1 3d w y 型压电陶瓷驱动电源3 图1 4p i 公司e 6 2 1 型压电陶瓷驱动源3 图1 5 英国l t g 公司的l p z i l 0 0 0 型驱动电源4 图2 1 开关式电压驱动型电源7 图2 2 直流放大式驱动电源7 图2 3 八路压电陶瓷驱动电源系统结构框图8 图3 1 控制信号的单通道实时控制流程图9 图3 2p c i 7 4 6 4 原理框图1 0 图3 3 多通道压电陶瓷电源程序面板1 4 图3 4r c 网络滤波图1 5 图4 1 高压线性放大电路结构框图1 6 图4 2 直流放大式电源驱动电路原理图1 6 图4 3p a 9 3 封装图1 7 图4 4p a 9 3 外围线路图18 图4 5 高压线性放大电路硬件电路图2 0 图4 - 6 电阻反馈式网络图2 2 图4 7 相位补偿曲线图2 4 图5 1 一般高压直流电源输出电源纹波图2 7 图5 2 三端稳压器l m 3 1 7 2 8 图5 33 3 0 v 直流功率电源电路图2 9 图5 4 高压直流电源输出电压纹波图3 0 图6 1 多通道压电陶瓷电源性能测试实验装置3 1 图6 2 模拟控制电压与输出电压关系曲线3 2 图6 3 直流0 v 输出时的纹波3 4 图6 4 直流3 0 0 v 输出时的纹波3 4 图6 5 压电陶瓷电源频率响应图3 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些友堂或其他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 明并表示谢意。 一签字榀弘瞧p 删日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金壁王业太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做者签名加荔旄 1 一 。， 签字日期： 学位论文作 工作单位： 通讯地址： q 月u 日 l 后去向： 导师签名： 婵叼一7 叶叫日 致谢 在将近三年的硕士研究生阶段，在课程学习、论文选题、收集资料和撰 写论文等方面都得到了我的导师与余晓芬教授的悉心指导，余老师严谨的治学 态度、求实的工作作风、广博的理论知识和设计思想都使我获益匪浅，由衷的 感谢余老师在学业指导及各方面所给予我的关心和培养。还要特别感谢师兄范 伟在本课题设计实验方面对我指导和帮助。 作者：杨蓓蓓 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 论文研究的背景 随着科技与生产的发展，精密制造技术翻开了崭新的一页，出现了各种微 小零器件，如微齿轮、微透镜、光开关等等【l 】，其制造精度往往达到纳米尺度， 因而纳米级测试技术也伴随着纳米级制造技术而产生、发展，微定位工作台的 研究也越来越被关注【2 j 。本论文选题就来源于国家自然科学基金资助项目纳米 三坐标测量机关键技术的研究为六自由度微动工作台。 六自由度微动工作台【3 】的运动由八个压电陶瓷驱动器的伸缩和柔性铰链 的转动来实现，如图1 1 所示。六自由度微动工作台要求能够实现六个自由度的 运动且能达到纳米级的的定位精度，位移范围是微米量级，既用于工件的精密 定位，也用于坐标测量机综合空间误差的实时硬件修正。压电陶瓷驱动器的基 本工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应：施加电场的瞬间，材料产生可控的应 变。应变遵循基本的逆压电方程： = 西b( 卜1 ) 式中s 为应变，e 为电场强度，i 和j 分别为电场和应变方向，改变施加在压电陶 瓷上的电压就可以改变电场的大小，从而改变压电陶瓷的位移。 x ，j i t t 1 挠，一，j ，r ? ，r ，? ，t 吼删、，一? ；七： 甄 。 。 i _ o - _ _ 、 、 、 、 8 z舞 j 图卜1 六自由度微动工作台结构示意图 在超精密定位和微位移控制中压电陶瓷驱动器具有其它致动器无法比拟 的优点【4 1 ，如体积小( 几立方毫米几十立方毫米) 、位移分辨率高、响应速度 快( 几十微秒) 、输出力大、换能效率高、不发热、采用相对简单的电场控制方 式、位移重复性好等，是目前微位移技术中比较理想的驱动元件。驱动器的位 移输出是通过加在其上的高压驱动电源而产生的，从理论上来说，要真j 下实现 上述工作台的纳米级定位精度，设计和选定了微位移机构和压电陶瓷驱动器后， 系统的位移精度和分辨率主要取决于驱动电源，这就要求压电陶瓷驱动电源具 有高精度、高分辨率和优良的稳定性等性能指标。 1 2 压电陶瓷驱动电源的国内外研究现状 近几年世界各国对压电陶瓷驱动电源技术的研究也取得了很大的进展国 内有代表性的是哈尔滨工业大学研制的h p v 系列压电陶瓷驱动电源和中电集 团研制的d w y 型压电陶瓷驱动电源。h p v 系列压电陶瓷驱动电源输出最多为 3 路输出，体积为：3 8 5 + 1 5 0 + 3 4 0 ( m m ) ，重量为8 k g 。价格将近3 万元，特点如下： 图1 2h p v 系列压电陶瓷驱动电源 控制方式：手动调节、模拟输入、计算机s p p 口。 电压稳定性： 0l fs $ h o u r s ，( 3 0 m v 8h o u r s ) 。 输出电压分辨率：3 5 m v l o 。 输出电压监控分辨率：0 1 f s ，( 3 0 m v ) 。 静态电压纹波： 25 k h z ( 负载= 2 u f 、v p p = 1 0 v ) 模拟输入范围：单极性电源：o 一1 0 v 。 过流保护工作电流：05 a 。 单极性电源输出电压为0 - 3 0 0 v 。 液晶汉字显示及按键输入，提供了良好的人机界面。 具有过滤、短路保护等功能。 d w y 型压电陶瓷电源，最多输出为2 通道- 外型尺寸为2 3 0 + 2 0 5 1 3 5 ( m m ) 最大输出电压为3 0 0 v ，输出电压分辨率为olv 输出电压纹波小于5 0 m v 。 幽卜3d w y 型压电陶瓷电杯 国外有代表性的是德国p i 公司生产的e 系列压电陶瓷驱动电源，输出也 在3 通道以内，如e 一6 2 1 型驱动电流为6 0 m a ，控制采用- 2 1 2 v 的模拟控制电 压，输出电压为一2 一1 2 0 v ，输出纹波小于2 0 m v ，分辨率为2 0 m v 左右，价格 为十几万元。 幽1 4p i 公司e 一6 2 1 矾驱动电源 英国l t g 公司的l p z i l 0 0 0 型驱动电源，输出电压为0 15 0 0 v ，但驱动电 流仅为l m a ，l 通道，该电源纹波小于2 0 m v 体积为；2 5 0 + 1 6 0 7 6 ( m m ) 。 图1 - 5 英国l t g 公司的l p z l l 0 0 0 刑驱动电源 由上可见- 目前市场上的压电陶瓷驱动电源大多是3 通道以下，且价格昂贵 体积偏大，控制方式复杂，纹波大都在2 0 m y 左右，分辨率最小为2 0 r a y 不能满 足高精度驱动的要求。 1 , 3 本论文研究的主要目的、内容及预期效果 本文主要目的是研制一台实用的多通道压电陶瓷驱动电源，提高国内现有 的压电陶瓷驱动电源的性价比，争取达到国内外同类产品水平，满足纳米驱动 的要求。本课题研究的内容主要包括以下几个部分： ( 1 ) 压电陶瓷驱动电源机控信号接口的设计 根据六自由度微动台的要求驱动电源要具有高稳定性。机控信号接口要 通过软件编程完成的输入信号的d a 转换和实时控制，并要具有很高的分辨率 和稳定性。 ( 2 ) 压电陶瓷驱动电源高压线性放大电路的设计 高压线性放大电路模块是整个电路的核心部分鉴于设计要微型化，高稳 定性，高压线性放大电路设计时要集成化和纹波小。要选择高精度的运算放大 器和保护器件，并要对整个电路进行稳定性设计。 ( 3 ) 压电陶瓷驱动电源的功率电源设计 功率电源为高压放大电路提供能量，它的性能间接影响整个电源的精度。 固模块的集成化才能实现整个电源系统的集成化，设计时功率电源电路也要集 成化和低纹波。 ( 4 ) 压电陶瓷驱动电源的实验标定 电源制作调试完成后，测试它的纹波、时漂、分辨率、频率响应并对电源 的线性度进行标定。 压电陶瓷驱动电源设计完成后预期达到如下技术指标： 输出电压路数：8 路可控编程输出 输出电压范围：0 3 0 0 v 输出电流范围：o 1 a 输出电压分辨率： 牟 算 o ) 厶 数 机 据 采 集 去 一 杈控信号接口 图2 3 八路压电陶瓷驱动电源系统结构框图 功率电潦蠛块 电源的整个结构系统主要由计算机、数据采集卡、高压放大电路和功率电 源等几部分组成。其原理是通过计算机用v b 编程启动数据采集卡，控制8 路 o - l o v 模拟电压输出，再通过后续的高压放大电路实现线性放大和功率放大， 输出8 路o - 3 0 0 v 直流可编程控制电压。 由图可以看出，我们在设计中把单路电源整个结构划分为机控信号接口模 块，高压线性放大电路模块，功率电源设计模块。因为整个系统要8 路输出， 所以还应考虑整个电路系统的抗干扰问题和散热问题。 机控信号接口模块主要完成数字电压与模拟电压之间的转换，并对所输出 的电压进行实时控制。整个电路最核心的部分是高压线性放大电路部分，一般 放大电路由输入级，中间放大级和输出级三部分构成。本电源在该部分采用了 新型高压运算放大器p a 9 3 ，使三部分集成在一个芯片内，集成度大大提高，而 且简化了设计，设计的时候，加入了的补偿电路，可使电源达到很高的输出精 度。功率电源模块为高压放大电路模块提供能量，该部分也采用三端稳压器实 现集成化，总之，所设计驱动电源不仅实现了六自由度微动台的高精度要求， 也实现了模块的集成化，便于使用。 8 第三章机控信号接口 3 1 控制信号的实时控制 控制信号的产生完成数字电压与模拟电压的之间的转换，并对所输出的电 压进行实时控制。一般情况下，设计的时候可以考虑采用单片机控制电路和d a 转换电路，为了更方便的使用，我们使用高精度的数据采集卡来代替。控制信 号的实时控制流程图如下。 图3 1 控制信号的单通道实时控制流程图 由图可知，控制信号输出为高压线性放大电路的输入，因此控制信号的交 流纹波、时漂、分辨率等因素随着电压幅值的放大也会放大。为了得到高精度 的电源，数据采集卡的控制信号也有相应的要求： ( 1 ) 模拟电压输出0 1 0 v 输出范围尽可能大，由于输出电压范围o 一3 0 0 v ，我们可以选择的模拟电压 范围为0 5 v ，0 - 1 0 v 。o - 5 v 需要放大6 0 倍，0 一1 0 v 需要放大3 0 倍，而增益过大会 影响到电源的稳定性，所以模拟电压输出要求0 1 0 v 。 ( 2 ) 8 路光电隔离独立模拟量输出 六自由度微动工作台的运动由八个压电陶瓷驱动器的伸缩和柔性铰链的转 动来实现，相应的需要8 路的控制信号的输出。 9 ( 3 ) d a 的分辨率为1 6 位 本工作台用于纳米级测量，d a 的分辨率直接影响到工作台的测量位移 分辨率，如：1 2 位的数据采集卡分辨率为2 m v ，放大3 0 倍后，驱动电源的分 辨率为6 0 m v ，位移分辨率为8 n m ；1 6 位的数据采集卡分辨率为o 2 m y ，驱动 电源的分辨率为6 m y ，位移分辨率为0 8 n m ，故数据采集卡的分辨率位数越高 越好。 ( 4 ) 模拟信号的纹波电压最大不能超过2 0 m y 数据采集卡的输出电压纹波越大，对后续放大电路的影响也就越大，虽然 高压运算放大器有很高的噪声抑制能力，但也会造成大量的发热，影响整个系 统的寿命。 3 2 数据采集卡的选择 基于上述要求，针对一种由8 路压电陶瓷驱动器并行驱动的六自由度工作 台，选择了p c i - 7 4 6 4 数据采集卡。使用时，在计算机中插入数据采集卡，然后 利用v b 编程实现电压的实时控制，并生成电源控制面板， v i s u a lb a s i c 综合 运用了b a s i c 语言和可视化设计工具，巧妙地将w i n d o w s 应用程序编程的复杂 性封装起来，能够迅速的编制程序界面。 3 2 1p c i - 7 4 6 4 简介 p c i - 7 4 6 4 是1 6 位4 路d a 转换板，采用光电隔离技术，实现数字量到模 拟量的隔离，从而提高了抗干扰能力和对计算机的保护能力，集成度高，功能 强大，可靠性好，数据采集稳定，适用于各种工业现场的高精度数据测量及控 制，p c i 7 4 6 4 原理框图如下。 i 输出方式选择一l i d ：a o l li t 光隔一 d c r 7 4 4 芯片j 输出方式选择一 t e ) a 3 - , 。 t 光隔一 图3 - 2p c i 7 4 6 4 原理框图 通过使用两块p c i 7 4 6 4 板，便可实现8 路的独立输出。上电时每一路d a l o 输出自动清零，d a 转换时间小于l u s 。计算机输出控制时，既可选择单通道 输出也可选择多通道同时同步输出，满足同时、多路配合驱动控制的需要。它 具有快速的程序开发环境。符合p c i + 5 v 总线标准，占用连续1 2 个i o 物理地 址。 d a 芯片采用b b 7 7 4 4 ( d a c 7 7 4 4 ) ，多量程、单双极性输出。p c i 7 4 6 4 模拟量输出由x s l3 7 芯d 型孔头接入接出，d a 通过改变跳线器就可选择不 同的电压输入输出范围。 3 2 2p c i - 7 4 6 4 工作原理 ( 1 ) d a 转换 p c i 7 4 6 4 上有l 片d a c 7 7 4 4 ，该芯片转换时间短，工作稳定，可靠性高。 一片d a c 7 7 4 4 内含有4 路独立d a ，芯片内部具有上电自动清零电路，可实 现单双极性清零。d a 芯片的数据总线都锁存在1 6 位数据总线上，控制电路选 中哪个d a ，该片从数据总线上读取数据并启动d a 开始转换。 p c i 7 4 6 4 电压输出方式较多，通过选择板上跳线器( j p l j p 7 ) 来改变输 出量程，每一路d a 转换之后的输出电压保持到下次转换之前。d a 占用4 个 连续地址：第一块p c i 7 4 6 4 ：b a s e + o + 3 h ，第二块p c i 7 4 6 4 ：b a s e + 4 - + 7 h ，读操作为启动d a 转换，写操作为输出数据。d a1 2 位数据格式为： h s b ：高8 位数据 d l5d 1 4d 13d 1 2d 1 1d 1 0d 9d 8 l s b - 低8 位数据 d 7d 6d 5d 4d 3d 2d ld 0 ( 2 ) d a 转换参数 输出通道：独立4 路 输出信号范围：o 5 v ；o 1 0 v ；5 v ；l0 v 输出阻抗：2q d a 转换器件：d a c 7 7 4 4 d a 转换分辨率：1 6 位 d a 转换码制：二进制原码( 单极性) 二进制偏移码( 双极性) d a 转换时间：l u s d a 转换综合误差：o 0 2 f s r 电压输出方式负载能力：5 m a 每路 由x s l3 7 芯d 型孔头接出 i o 物理地址：b a s e + 0 0 h b a s e + 0 3 h 3 2 3 p c i 7 4 6 4 总线协议分配 p c i 板卡安装时p c i 总线协议会自动分配，不会与其它板卡冲突，只要安装 好软件即可。i o 端口地址定义，如表3 1 。 表3 1i o 端口地址表 端口地址写操作读操作 b a s e + 0 0 h写d a 低8 位数据启动第一路d a b a s e + 0 l h 写d a 高8 位数据启动第二路d a b a s e + 0 2 h 启动第三路d a b a s e + 0 3 h启动第四路d a b as e + 0 4 h 第二块p c i 7 4 6 4 板启动第五路d a b a s e + 0 5 h启动第六路d a b as e + 0 6 h 启动第七路d a b as e + 0 7 h 启动第八路d a 3 2 4 跳线器定义 d a 转换跳线器：j p l - - j p 7 ，p c i 7 4 6 4 提供电压( 0 5 v ；o 1 0 v ；5 v ； 1 0 v ) 输出方式，可使用跨接器j p l - - j p 7 来选择相同或不同的输出方式和范 围。具体的使用如下： 表3 - 2d a 输出跳线器选择 跳线器 o 5 vo 1 0 v0 5 v 0 1 0 v j p 71 21 22 3 2 3 j p 51 21 22 32 3 j p 61 21 22 32 3 j p l j p 4 跨接断开跨接断开 因为要输出0 1 0 v 模拟电压，所以我们把j p l - j p 4 断开，把j p 5 - - - j p 7 接起来。 3 3i ) a 转换 3 3 1 d a 转换数据格式 a 单极性方式工作时，写1 6 位数码为二进制原码。其数码与模拟量电压值的 对应关系为： 1 2 模拟电压值= 数码( 1 6 5 ) r a n g e ( v ) 6 5 5 3 5 ( v ) 说明：0 1 0 v 量程时r a n g e 等于1 0 ；0 5 v 量程时r a n g e 等于5 v 。 b 双极性方式工作时，写1 6 5 数据时，数码为二进制偏移码。此时1 6 位数码 的最高位为符号位， o 表示负，l 表示正。其数码与模拟电压值之间 的对应关系为：模拟电压值= 数码( 1 6 位) r a n g e l ( v ) 6 5 5 3 5 r a n g e 2 ( v ) 说明：1 0 1 0 v 量程时r a n g e l 3 2 0r a n g e 2 = 1 0 ； 5 5 v 量程时r a n g e l = l or a n g e 2 = 5 ： 本设计中模拟电压输出为0 10 v ，所以采用单极性方式工作，输出不同的电压值， 程序编程时，输入相应的数码。 写d a 转换数据( b a s e + 0 ，+ 1 ) 低8 位口地址( b a s e + 0 ) ，写操作，数据：d b 0 - - d b 7 高8 位口地址( b a s e + i ) ，写操作，数据：d b 8 - d b l 5 1 6 位d a 转换数据需两次写入，即写b a s e + 0 ，b a s e + l 启动d a 通道转换( b a s e + o ，+ 1 ，+ 2 ，+ 3 ) 只要进行相应地址的读操作，及启动该通道的d a 转换，如： 第一路d a ：i n p o r t b ( b a s e + 0 ) ； 第二路d a ：i n p o r t b ( b a s e + 1 ) ； 第三路d a ：i n p o r t b ( b a s e + 2 ) ； 第四路d a ：i n p o r t b ( b a s e + 3 1 ； 3 4 控制信号的软件设计 利用v b 编写控制信号输出程序时，为了操作该采集卡，必须调用 p c i 7 4 6 4 d l l 动态链接库。由于d l l 过程存在于v b 应用程序之外的文件中， 在使用时必须指定过程的位置和调用参数。为此在程序中首先要使用d e c l a r e 声明d l l 过程，才可以把它当作v b 自己的过程使用。v b 调用模块声明如下： d e c l a r ef u n c t i o np c i 7 4 6 4 c h e c kl i b ”p c i 7 4 6 4 d l l ”( b y v a ld w v e n d o r l d ，b y v a l d w d e vi c ei d ，b y v a lf u s e i n ta sb o o l e a n ，b y v a lc a r d n o ) a sl o n g 。此函数用于 查找板卡，返回值为板卡句柄，对板卡调用函数前必须先调用此函数。单板卡 时，应用程序默认调用h p l x = p c i 7 4 6 4 c h e c k ( 0 ，0 ，f a l s e ，1 ) 即可。最后一个参数为板 卡标识号。如只有一块则该参数为1 ；如使用多块板卡，其值为小于或等于板 卡个数的整数。例如一台机器上插了三块宏拓p c i 系列的板卡，则参数分别为 1 ，2 ，3 中的任意一个数。在本设计中，使用了两块p c i 7 4 6 4 数据采集卡，应 用程序默认调h p l x = p c i 7 4 6 4 c h e c k ( 0 ，0 ，f a l s e ，2 ) 。 d e c l a r es u bp c i 7 4 6 4 d al i b ”p c i 7 4 6 4 d l l ”( b y v a lh p l xa sl o n g ，b y v a la d d r a sb o o l e a n ，b y v a ld a t a ，b y v a lc h ) 。此函数可实现控制模拟信号的输出，其 1 3 中h p l x 为句柄，a d d r 默认为f a l s e ，d a t a 为某通道将要输出的电压数字量值 ( 0 0 - f f ) 。e h ( 0 - 3 ) 为板上4 个d a 通道。 d e c l a r ef u n c t i o np c i 7 4 6 4 c l o s el i b ”p c i 7 4 6 4d l l “( b y v a lh p l xa sl o n g ) a s i n t e g e r 。此函数为关闭句柄函数，返回值为1 ，应用程序默认调用h p l x = p c i 7 4 6 4 l o s e ( h p l x ) 。 生成的电源面板如图3 - 3 所示，只需在相应的通道上输入相应的数值，就 可得到对应的电压，重新输入时，先清零。 矗压电陶瓷工作台驱动程序 曰回圜 一一l 一 一：一一一 _ _ 图3 - 3 多通道压屯陶瓷电源程序面扳 3 5 控制信号的纹波测试 通过计算机，在上图的界面框内输入相应的电压值在输出端接一示波器， 调整到自动档交流纹渡测试，在0 1 0 v 内每膈l v 测量一次输出电压纹波，测量 结果如下表3 - 3 所示。经测试，模拟电压0 1 0 v 输出的静态纹波在2 0 m y 左右， 分辨率在02 m v 。 表3 - 3 数据采集卡的纹波测试 输出电压( v )1 2 3 4 567891 0 纹波( m v ) 1 71 71 81 8 2 02 02 02 02 02 0 由于输出模拟电压的的纹波直接影响到后续放大电路的输出电压纹波，所 以对数据采集卡输出纹波的监测，从而调整相应的后续放大电路前段稳压滤波 方案。经过后续放大电路在输入端增加一个电阻和电容，组成r c 网络补偿， 用噪声增益补偿提高交流增益，从而提高输出电压的稳定性，降低了纹波，经 测试，纹波电压为7 m v ，如图3 4 所示。 r l 图3 4r c 网络补偿图 1 5 第四章高压线性放大电路设计 4 1 线性放大电路原理 在电子放大电路中普遍应用负反馈，放大电路引入直流负反馈能稳定静态 工作点、引入交流负反馈能改善放大电路的性能【8 1 。在该电源中采用电压负反 馈结构，整体结构方框图如图4 1 所示 x i 图4 - 1 高压线性放大电路结构框图 各信号之间有如下关系： 启o ：丘扔( 4 1 ) 癣= 觑o ( 4 2 ) 血= 庀一宠 ( 4 3 ) 其中【9 1 ，a 为基本放大电路的增益，f 为反馈网络的反馈系数。关系式，可得 该电路的增益：j 。= 彳l 勘i 廓剖x 。 i 麝i 意= 尉。i 庀i 戈 ( 4 4 ) 赢：0 一麝：。4 磁o i ：竺：4 ( 4 5 ) 根据驱动电源的要求， 电路中i l f | - r - r z = 3 0 ，它的原理图如下。 图4 2 直流放大式电源驱动电路原理图 1 6 4 2 线性放大电路元器件的选择 根据放大电路的性能要求可计算出所需放大器的参数： ( 1 ) 最高输出电压：3 0 0 v ( 2 ) 频率要求：0 2k h z ( 3 ) 根据最高频率和堆大电压波动范围计算所需转换速率s r ： sr = 2 + 31 4 + f v ( 1 + 1 0 - 0 1 = 2 + 3 1 4 + 3 0 0 0 3 0 0 ( 1 + 1 旷9 ) - 57 v u s ( 4 - 6 ) ( 4 ) 晟小输出电流：o 5 a 根据以上计算数据，选定a p e x 公司的高压运算放大器p a 9 3 。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 3 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。 42 lp a 9 3 简介 p a 9 3 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，输出 电流达到4 a ，双端供电时输出电压可达士2 0 0 v ，单端供电时输出电压高达 4 0 0 v ，安全操作区没有二次击穿的限制，通过选择舍适的限流电阻，可观察到 任何负载下的安全操作曲线。且一个共栅输入电路和1 2 0 d b 的开环增益实现了 高精度。 p a 9 3 的封装图如4 3 所示，它的内部偏置参考于一个二极管m o s f e t 电流 源使p a 9 3 具有很宽的电源电压范围和很高的电源抑制比。m o s f e t 输出级偏 黄成a b 模式具有很好的线性。它的工作原理图和封装图如下所示：这个集成 电路用了厚膜电阻、陶瓷电容和半导体芯片来增强了可靠性，减小了尺寸并提 高了性能。超宽束铝线保证了任何工作温度下内部连接的可靠性。根据外围线 路图设计放大电路，如图4 * 4 所示。p a 9 3 的主要参数见后附表4 i ，应用说明图 见附图。 闰4 3p a 9 3 封装图 ) 最高输出电压：4 0 0 9 ( 2 ) 最低静态输出电流：2 0 0 m a ( 3 ) 最高输出电流：8 a ( 4 ) 相位补偿： c c ( 5 ) 增益：1 2 2 0 p f 21 0 0 44 7 】7】o r c 2 0 0 1 0 0 o o 图4 4p a 9 3 外围线路图 4 2 2 保护电路器件选择 运算放大器不能工作在电压绝对最大值以外，放大器应该保护任何情况引 起的过压。一种过压是因为电感负载的高能量脉冲通过快速恢复二极管耦合到 一个高阻抗的电源上，另一种是交流电源上的瞬态电压通过电源电压出现在放 大器的管脚上，p a 9 3 的最大耐压为4 0 0 v ，所以要选择合适的快恢复二极管和瞬 态抑制器对其加以保护。 4 2 2 1 快恢复二极管b y v 2 6 c 尽管运算放大器p a 9 3 内部有保护二极管，但是这些内部二极管对放大器保 护持续的高频、高能量的尖峰脉冲是不够的。这些二极管通常都是固定在达林 顿管上，有很慢的恢复时间，或许还有很大的正向压降，对于一个持续的高能量 尖峰电压，放大器易处于过压状态而损坏。因此在线性放大电路上，用一个高 速的快恢复二极管，这个二极管的恢复时间应小于1 0 0 n s ，因为高频能量在2 0 n s 以下。当电流反方向流动时，电源必须是一个真正的低阻抗源。否则，这个尖 峰能量将祸合到电源管脚上，导致一个尖峰电压出现在电源上，这有可能使放 1 8 大器处于过压状态而损坏。本文选用的快恢复二极管为b y v 2 6 c 系列，耐压 6 0 0 v ，正向最大通过电流为1 5 a ，反向恢复时间为3 0 n s 。 4 2 2 2 瞬态电压抑制器p 6 k e 3 0 0 ( c ) a 瞬态电压抑制器( t r a n s i e n tv o l t a g es u p p r e s s o r ) 简称t v s ，是一种二极管 形式的高效能保护器件。当t v s - - - 极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它 能以1 0 1 2 秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦 的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护高压运算放大器， 免受各种浪涌脉冲的损坏。用m o v s ( 瞬态抑制器) 能够嵌位交流电网上的瞬态 电压，将这种器件连接到电源输入端上以减小瞬态电压。 选择合适的瞬态电压抑制器，要确定被保护电路的最大直流或连续工作电 压、电路的额定标准电压和“高端 容限，t v s 额定反向关断v w m 应大于或 等于被保护电路的最大工作电压。若选用的v w m 太低，器件可能进入雪崩或因 反向漏电流太大影响电路的正常工作。串行连接分电压，并行连接分电流。在 规定的脉冲持续时间内，t v s 的最大峰值脉冲功耗p m 必须大于被保护。电路 内可能出现的峰值脉冲功率。因为运算放大器最大输出电压为3 0 0 v ，最大耐压为 4 0 0 v ，输出电流为1 5 a ，在确定了最大箝位电压为3 0 0 v 后，其峰值脉冲电流应 大于瞬态浪涌电流。根据以上资料，选用t v s 为p 6 k e 3 0 0 ( c ) a 。 4 3 高压线性放大电路的硬件电路设计 放大电路这里采用美国a p e x 公司生产的高压运算放大器p a 9 3 负反馈放大 电路，如下图4 5 所示。由于放大器的输入电压为0 1 0 v ，输出电压要求为0 - 3 0 0 v ， 因此放大器的放大倍数要求为r 1 r 2 = 1 5 0 k 5 k = 3 0 。 具有外部电流限制的功率运算放大器需要一个或两个限流电阻，该电阻必 须根据所示的外部连接图连接。因为输出电流流过限流电阻，所以也必须考虑它 的额定率。一般每一个电阻及功耗可以按以下公式计算： r 口( 。= 丽0 6 5 ( 4 7 ) p r c l ( w a t t s ) = 0 6 5 xi u u 由此计算，上图4 - 4 中，r c l = r 4 ，因为需要，输出最大电流为1 a 左右，故取 r 4 ：0 6 5 q 。 1 9 图4 5高压线性放大电路硬件电路图 4 4 负反馈线性放大电路的稳定问题研究 线性放大电路采用电压负反馈结构，能提高增益的恒定性，减少非线性 失真，扩展频带，提高输入电阻，减小输出电阻【l0 1 。反馈深度，即ii + a fi 的 值越大时，这种调整作用越强，对放大电路性能的改善越为有益。然而反馈过 深，有时放大电路就不能稳定地工作，而产生振荡现象，称为放大电路的自激。