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該方案先介紹了電源系統(tǒng)中的數(shù)字電路部分和模擬電路部分，并對驅(qū)動(dòng)電源的精度與穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與改進(jìn)。最后對驅(qū)動(dòng)電源的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)方案的電源輸出電壓噪聲低于0.43 mV、輸出最大非線性誤差低于0.024%、分辨率可達(dá)1.44 mV，能夠滿足高分辨率微位移定位系統(tǒng)中靜態(tài)定位控制的需求。

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（PZT）是微位移平臺(tái)的核心，其主要原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件發(fā)生微位移。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器具有分辨率高、響應(yīng)頻率快、推力大和體積小等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)、精密加工以及生物工程等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用離不開性能良好的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。要實(shí)現(xiàn)納米級(jí)定位的應(yīng)用，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，同電壓分辨率需要達(dá)到毫伏級(jí)。因此壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)已成為壓電微位移平臺(tái)中的關(guān)鍵技術(shù)。

D/A 電路設(shè)計(jì)

由于壓電驅(qū)動(dòng)電源要求輸出電壓范圍為0~100 V，分辨率達(dá)到毫伏級(jí)，所以D/A 的分辨率需達(dá)到亞毫伏級(jí)。本設(shè)計(jì)采用AD5781作為D/A 器件。AD5781是一款SPI 接口的18位高精度轉(zhuǎn)換器， 輸出電壓范圍-10~10 V，提供±0.5 LSB INL，±0.5 LSB DNL 和7.5 nV/Hz 噪聲頻譜密度。另外，AD5781 還具有極低的溫漂（0.05 ppm/℃）特性。因此，該D/A 轉(zhuǎn)換器芯片特別適合于精密模擬數(shù)據(jù)的獲取與控制。D/A 電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

在硬件電路設(shè)計(jì)中，由于AD5781 采用的精密架構(gòu)，要求強(qiáng)制檢測緩沖其電壓基準(zhǔn)輸入，確保達(dá)到規(guī)定的線性度。因此選擇用于緩沖基準(zhǔn)輸入的放大器應(yīng)具有低噪聲、低溫漂和低輸入偏置電流特性。這里選用AD8676，AD8676 是一款超精密、36 V、2.8 nV/ Hz 雙通道運(yùn)算放大器，具有0.6 μV/℃低失調(diào)漂移和2 nA 輸入偏置電流，因而能為AD5781提供精密電壓基準(zhǔn)。通過下拉電阻將AD5781的CLR 和LDAC 引腳電平拉低，用于設(shè)置AD5781為DAC 二進(jìn)制寄存器編碼格式和配置輸出在SYNC 的上升沿更新。在ARM 端的軟件設(shè)計(jì)中，除正確配置AD5781的相關(guān)寄存器外，還應(yīng)正確配置SPI的時(shí)鐘相位、時(shí)鐘極性和通信模式。
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線性放大電路設(shè)計(jì)

從工程角度考慮，由于干擾源的存在，會(huì)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(shí)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(bǔ)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(bǔ)償引腳，通過外部的RC 網(wǎng)絡(luò)對放大器內(nèi)部的零極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。通過PA78的數(shù)據(jù)表可知，PA78內(nèi)部的零極點(diǎn)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。圖中，R4，C1與R5，C2構(gòu)成RC 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

此外電路中C3的作用是防止輸出信號(hào)下降沿的振動(dòng)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(jí)，提高PA78的驅(qū)動(dòng)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(bǔ)償電容分別為12 pF 和220 pF;RC 補(bǔ)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(jìn)行仿真得到幅頻特性和相頻特性曲線如圖所示。從圖中觀察可得，放大系統(tǒng)的帶寬可達(dá)100 kHz，從而保證了系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)相角裕度6使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。

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