CN102158122B

CN102158122B - 四通道压电陶瓷驱动电压的产生方法与驱动电源

Info

Publication number: CN102158122B
Application number: CN 201010616023
Authority: CN
Inventors: 黄战华; 朱猛; 蔡怀宇; 杭柏林; 王孔茂; 徐学磊
Original assignee: Tianjin University; Mesnac Co Ltd
Current assignee: Tianjin University; Mesnac Co Ltd
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2030-12-30
Also published as: CN102158122A

Abstract

四通道压电陶瓷驱动电压的产生方法与驱动电源，针对主流型号的压电陶瓷驱动电压范围而设计。驱动电源分为两种工作模式：上位机模式和嵌入式模式两种。驱动电源的输出接口为BNC同轴电源接口。桥接模式下，最大可实现300V电压差。上位机软件控制可实现任意单通道与并行四通道的工作模式，周期波形与常值电压的切换，并适时显示输出电压的曲线。

Description

四通道压电陶瓷驱动电压的产生方法与驱动电源

【技术领域】：本发明涉及压电陶瓷的电源驱动技术领域，在0-300V电压范围内提供各种波形发生，可用作电压波形发生器。四通道的电压输出，特别针对四通道压电陶瓷同时驱动的情况。

【背景技术】：在微位移、微制动中广泛使用的压电陶瓷，具有响应速度快、产生推力大、不发热等优点。压电陶瓷应用于纳米技术、微机电、微纳制造、机器人等领域。压电陶瓷封装好后的性能主要取决于驱动电源的性能优劣，研制高精度，稳定性可靠并满足多路并行驱动的压电陶瓷驱动电源有重要意义。

本申请人主持的国家科技支撑计划激光与X光轮胎检测与成像技术中采用了压电陶瓷作为相位移动的主要部件并研制出四路压电陶瓷驱动电源。

【发明内容】：本发明目的是满足工业现场检测时对高精度、多通道压电陶瓷驱动的需要，并提供多种波形脉冲输出模式，提高系统的实用性与可靠性，本发明提供一种四通道压电陶瓷驱动电压产生的方法并研制出实现该方法的集成化压电陶瓷驱动电源。

1、一种四通道压电陶瓷驱动电压产生的方法：

驱动电压产生包括了：数据传递、数据转换、电压转换和电压运算放大，利用数模转换器的数字输入模拟输出进行电压值的控制，数模转换器输出的电压幅值一般较低，用于压电陶瓷的驱动之前需要经过电压运算放大，各个步骤的方法如下：

第一、数据传递：由计算机或者键盘键入需要产生的电压及波形，由程序将电压波形数据和格式数据转译成二进制编码并通过接口发送给下位机中央处理器ARM；

第二、数据转换：主控芯片接收二进制编码数据，并发送给可编程逻辑器CPLD，CPLD将8位格式与16位数据位组成24位串行数据，并发送给数模转换器DA；

第三、电压转换：采用四核数模转换器，将接收数字信号转换成四路模拟电压值；

第四、电压运算放大方法：利用电压放大电路将数模转换器产生的模拟电压放大并输出。运算放大的计算公式为

V_{O} = - V_{f} * (1 + \frac{R_{1}}{R_{2}}) - - - (1)

其中V_O为输出电压，V_f为输入电压，R₁和R₂分别为电阻阻值。根据可调电阻R₁和R₂的比值来调节输出电压与输入电压之间的放大倍数。

第一步中所述的上位机输入方法为通过串行端口和并行端口两种输入方式控制输出电压的波形、周期和幅度。键盘输入方式通过下位机中央处理器ARM接收键入的波形数据；

所述的数据编码方式为十进制转换为二进制补码，包括格式编码与数据编码两种。格式编码用于切换输出通道，数据编码用于产生电压波形。

第二步中所述的中央处理器为ARM LPC2214，可编程逻辑器CPLD为LC4128V，连接方式见附图1、附图2和附图3。

第三步中数模转换器为四核、16位芯片AD5765，电压运算放大芯片为高精度的MOSFET运算放大器PA241。

本发明同时提供了一种实现以上所述方法的压电陶瓷驱动电源，该电源包括：

(1)数据处理与驱动模块：包括可编程逻辑器CPLD，中央处理器ARM。可编程逻辑器CPLD用于接收并行端口传入的数据和控制信号，用于产生各种分频或延时信号、数据的并串转换、通过软件设计CPLD内部逻辑将主时钟分频、延时、组合，产生数模转换器DA工作时序及工作方式驱动时序。CPLD由上位机或者中央处理器ARM提供启动信号。中央处理器ARM是数据输入与处理部分和显示与交互部分的核心，可实现数模转换器DA和可编程逻辑器CPLD启动、数据缓存、处理、显示、用户键入数据处理等功能，向CPLD发送数据并启动时序脉冲，控制数模转换器的工作方式，并向数码管发送需要显示的波形数据。ARM接收来自串口和用户输入的数据，计算产生各种波形电压的幅值、周期、极性等；

(2)显示与交互模块：由数码显示管和键盘组成，键盘用于用户输入电压数据与波形参数数据，数码显示管用于显示输出电压的波形、幅值、频率等参数；

(3)数模转换模块：由数模转换器DA和电压变换器组成，数模转换器接收CPLD和ARM的控制与数据，完成四通道的数字信号到模拟信号的转换工作，电压变换器向数模转换器提供工作需要的特定电压值2.048V。

(4)电压运放模块：由四路电压运放芯片PA241组成，用于放大数模转换器输出的四路模拟电压，并输出到端口；

(5)供电模块：由高压供电模块和低压供电模块组成；高压供电模块向电压运放芯片提供高压供电，低压供电模块完成12v向8v、5v、3.3v的转换，向各低压芯片供电。

(6)软件处理模块：安装在计算机上的软件处理系统，用于显示波形，提供用户输入参数对话框，执行触发命令。

所述的驱动电源为集成化压电陶瓷驱动电源，该驱动电源的统一供电为交流220V，可并行完成四路电压输出，电压调节范围在-150V到150V之间；兼具并行、串行和键盘输入三种数据传输模式，输出波形为周期、幅度可调的、用户可编程的任意波形。由于嵌入式系统具有内核小，专用性强，系统精简，数据处理能力强，功耗低等优点，越来越受到人们的关注。本发明便是基于嵌入式系统来实现电压波形的输入、产生和输出的。整个系统体积小，重量轻，同时使测量过程简便、快捷。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出了一种四通道压电陶瓷驱动方法，并研制出实现该方法的压电陶瓷驱动电源。该方法采用并行接口与串行接口作为上位机通讯的接口，丰富了工作方式，扩展了电源的适用范围；兼具上位机操作与嵌入式操作两种方式，方便了用户的使用；串行通信采用RS232和RS485两种工作方式，提高了工作距离。采用高精度四核数模转换芯片实现了四路并行电压驱动，可以方便的选择单路或四路输出，很好的适应了使用的需要，填补了缺少四路压电陶瓷电压驱动的空白。数模转换精度达到16位，满足压电陶瓷驱动电压精度的需要。兼具上位机和下位机两种工作方式，上位机软件波形显示直观，使得测量过程简便、快捷、可操作性强，降低了对检测人员的技能要求，更有利于产品及技术的推广。

【附图说明】：

图1是四通道压电陶瓷驱动电源结构框图；

图2是数据处理与驱动模块和显示与交互模块的连接图；

图3是数据处理与驱动模块和数模转换模块的连接图；

图4是运算放大器管脚定义框图；

图5是数据编码方式图表，(a)是16位数据格式(b)输出通道编码方式；；

图6是驱动电源整体结构图，接线部分未画出；图中1是串行接口、2是并行接口、3是电源开关、4是电源供电接头、5是低压供电电源、6是高压供电电源、7是主控电路板、8是驱动电源外壳、9是按键、10是显示屏、11是BNC电源输出接头；

图7是上位机软件界面图；

图8是软件处理流程图；

图9是电压误差曲线图；

图10是输出通道C误差拟合曲线图；

图11是做拟合补偿后的电压误差曲线图；

图12是示波器显示波形：(a)幅值8V，周期32.15ms(b)幅值9.1V，周期250ms；

【具体实施方式】：

实施例1

四通道压电陶瓷驱动电源结构如图1所示，具体实施步骤如下：

(1)如附图1所示，并行接口与串行接口分别与数据处理与驱动模块内部的可编程逻辑器CPLD和中央处理器ARM连接。CPLD与ARM之间用并行数据线相互连接，ARM控制端口等与CPLD控制接收端口相连接。ARM显示数据输出端口与数码管输入端口相连接，ARM数据输入端口与键盘相连接。具体端口名称与连接方式见附图2。

(2)如附图1所示，数据处理与驱动模块与数模转换模块连接方式为：中央处理器ARM与可编程逻辑器CPLD的控制信号分别与数模转换器DA的接收控制端相连接，数模转换器DA的数据输入端口与可编程逻辑器CPLD的数据输出端口连接。端口定义与连接见附图3所示。

(3)如附图1所示，运放模块中的四通道运算放大器PA241的电压输入端口分别与数模转换器AD5765的四通道输出电压端口相连接，用于放大数模转换器输出的模拟电压，并输出到端口。

(4)如附图5(a)所示，输出通道的编码方式实施方式为：输出16位数据格式中DB16-DB18三位的编码方式控制了输出通道的切换，具体编码方式见附图5(b)。

(5)驱动电源整体结构如附图6所示，接线部分未画出。3为整机上电按钮，系统上电后，ARM进行初始化操作，初始化串口端口1，设置传输波特率参数，在数码管10上显示操作提示，并等待按键9指示。本发明的四通道压电陶瓷驱动电源的机械结构与安装方式，串行接口1、并行接口2、开关3和电源插座4安装在电源箱8后面板上；开关电源5、高压电源6和电路板7固定在电源箱8的内底板上；按键9、数码管10和BNC电源输出接头11安装在电源箱8的前面板上。

所述的驱动电源为集成化压电陶瓷驱动电源，该驱动电源的统一供电为交流220V，可并行完成四路电压输出，电压调节范围在-150V到150V之间；兼具并行、串行和键盘输入三种数据传输模式，输出波形为周期、幅度可调的、用户可编程的任意波形。

本发明的基本工作方式与测试数据

本发明利用数模转换技术实现数字输入控制，模拟电压输出，并采用陶瓷驱动专用的运算放大器进行电压放大，达到压电陶瓷驱动的电压要求。通过标定使得电压输出精度提高，四核数模转换器的使用也提高了四路电压的一致性和稳定性。均符合压电陶瓷驱动的电压要求。

第一、电压产生的工作方式

(1)上位机工作方式

上位机工作方式分为串口与并口两种方式：

并口工作情况下，由软件初始化并行端口，用户选择工作方式，包括：输出通道、极性、波形。输出通道和极性选择编码方式由附图6所示，数模转换器数据输入格式为16位，高8位为格式位，用户选择后将寄存器模式与输出通道编码方式写入并行端口，并触发输出模式，由CPLD将数据锁存；等待用户选择波形，经软件计算后输出波形数据，同样由CPLD锁存为低8位，经上位机触发，将时钟信号，并串转换后的16位数据信号同时输入DA转换器数据端口，DA输出后的波形信号经运算发大器PA241实现电压放大，电压放大倍数默认为24倍，DA转换器输出波形峰值为4.096V，则经运算放大后BNC端口输出电压最大值为±150V，可以通过更改运算放大器的输入输出电阻值来改变电压输出峰值。

串口工作方式分为RS232和RS485两种模式，有板载上的跳线进行选择，见附图2。串口工作模式与并口工作模式一致，经串口输入的格式数据与电压波形数据进入ARM中分8位并行输入到CPLD中。并可由ARM上传数据到并口，用来校准输出的数据。

(2)嵌入式工作方式

嵌入式工作方式输入采用键盘的方式，软件的工作流程图如附图4所示，通过3组数据按键变换由ARM变换得到8位格式位数据和8位电压波形数据，与上位机工作方式相同，并行输入CPLD中进行16位组合，然后输入DA转换器并输出到BNC端口。

二、控制软件的工作方式

上位机软件的界面如附图7所示，软件界面功能主要包括：端口数据与波形显示部分和输出控制部分。

端口数据与波形显示部分用于显示输出波形，输出端口的电平、高8位格式位及低8位数据位；输出控制部分用于控制波形、极性、幅值以及周期等参数，如果是常压输出则可以采用拖动滚动条的方式直接输出，方便了用户使用。

软件系统的函数分为：底层端口读写函数、波形产生函数、数据类型转换函数、数据发送函数、绘图函数、时钟同步函数。

底层端口读写函数封装了串口与并口发送和接受数据指令；波形产生函数用于产生用户输入参数的波形数据、数据发送函数用于发送DAC所需的16位格式数据；数据类型转换函数用于内部数据格式转换、响应DAC不同编码格式之间的转换；绘图函数用于绘制波形与显示数据；时钟同步函数用于产生周期波形电压。

三、输出波形测量结果

驱动电源在使用前必须进行定标。定标采用标准示波器作为测量工具，主要标定电压幅值、周期。针对电压输出非线性采用分段拟合标定的方法，提高了电源的精度。

幅值标定主要考虑单通道工作状态时的电压输出值与实际显示值之间的误差，以及四通道工作时的电压一致性误差，分别针对以上两种情况进行实际测量，得到了误差曲线与一致性曲线如附图9所示，数据如表1所示：

表1四通道测量结果(单位V)

以通道C为例，显示输出电压为V₁，测量得到的电压为V₂，定义输出电压误差为ΔV得到关于ΔV曲线如图10所示，做线性拟合得到ΔV＝A*X+B，求出A＝-0.009904，B＝-0.4703。拟合后的输出误差如图11所示，最大误差为0.05992V，平均误差为0.3×10^-5V。

同样对ΔV做正弦函数拟合即：ΔV＝a1*sin(b1*X+c1)+a2*sin(b2*X+c2)+a3*sin(b3*X+c3)+a4*sin(b4*X+c4)，得到拟合数据如表2所示：拟合后的输出误差曲线如图11所示。最大误差为0.034349V，平均误差为0.8×10^-4V。

表2正弦拟合系数

压电陶瓷有时也用来作为振动驱动源，这时输出波形应为脉冲波形，本发明所述的驱动方法产生脉冲波形为用户可编程控制方式，利用本发明所述的驱动电源输出矩形波如附图12所示。其他波形如三角波、正弦波也可由用户编程实现。

Claims

1.一种四通道压电陶瓷驱动电压的产生方法，其特征在于，

驱动电压产生包括了：数据传递、数据转换、电压转换和电压运算放大，利用数模转换器的数字输入与模拟输出进行电压值的控制，数模转换器输出的电压幅值一般较低，用于压电陶瓷的驱动之前需要经过电压运算放大，该方法的步骤如下：

第一、数据传递：由计算机或者键盘键入需要产生的电压及波形，由程序将电压波形数据和格式数据转译成二进制编码并通过接口发送给中央处理器ARM；

第二、数据转换：中央处理器ARM接收二进制编码数据，并发送给可编程逻辑器CPLD，CPLD将8位格式与16位数据位组成24位串行数据，并发送给数模转换器DA；

第四、电压运算放大：利用电压放大电路将数模转换器产生的模拟电压放大并输出；运算放大的计算公式为

Figure 2010106160237100001DEST_PATH_IMAGE001

其中

为输出电压，

Figure 2010106160237100001DEST_PATH_IMAGE003

为输入电压，

和

Figure 2010106160237100001DEST_PATH_IMAGE005

分别为电阻阻值；根据可调电阻和

的比值来调节输出电压与输入电压之间的放大倍数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第一步中所述的上位机输入方法为通过串行端口口和并行端口控制输出电压的波形、周期和幅度；键盘输入方式通过下位机中央处理器ARM接收键入的波形数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第一步中所述的数据编码方式为十进制转换为二进制补码，包括格式编码与数据编码两种；格式编码用于切换输出通道，数据编码用于产生电压波形。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二步中所述的中央处理器为ARM LPC2214, 可编程逻辑器CPLD为LC4128V。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第三步中数模转换器为四核、16位芯片AD5765，电压运算放大芯片为高精度的MOSFET运算放大器PA241。

6.一种实现权利要求1所述方法的压电陶瓷驱动电源，其特征是该电源包括：

（1）数据处理与驱动模块：包括可编程逻辑器CPLD，中央处理器ARM；可编程逻辑器CPLD用于接收并行端口传入的数据和控制信号，用于产生各种分频或延时信号、数据的并串转换、通过软件设计CPLD内部逻辑将主时钟分频、延时、组合，产生数模转换器DA工作时序及工作方式驱动时序；CPLD由上位机或者中央处理器ARM提供启动信号；中央处理器ARM是数据输入与处理部分和显示与交互部分的核心，可实现数模转换器DA和可编程逻辑器CPLD启动、数据缓存、处理、显示、用户键入数据处理功能，向CPLD发送数据并启动时序脉冲，控制数模转换器的工作方式，并向数码管发送需要显示的波形数据，ARM接收来自串口和用户输入的数据，计算产生各种波形电压的幅值、周期、极性；

（2）显示与交互模块：由数码显示管和键盘组成，键盘用于用户输入电压数据与波形参数数据，数码显示管用于显示输出电压的波形、幅值、频率参数；

（3）数模转换模块：由数模转换器DA和电压变换器组成，数模转换器接收CPLD和ARM的控制与数据，完成四通道的数字信号到模拟信号的转换工作，电压变换器向数模转换器提供工作需要的特定电压值2.048V；

（4）电压运放模块：由四路电压运放芯片PA241组成，用于放大数模转换器输出的四路模拟电压，并输出到端口；

（5）供电模块：由高压供电模块和低压供电模块组成；高压供电模块向电压运放芯片提供高压供电，低压供电模块完成12v向8v、5v、3.3v的转换，向各低压芯片供电；

（6）软件处理模块：安装在计算机上的软件处理系统，用于显示波形，提供用户输入参数对话框，执行触发命令。

7.根据权利要求6所述的压电陶瓷驱动电源，其特征是所述的驱动电源为集成化压电陶瓷驱动电源，具有独立的机械封装外壳，方便的用户操作面板；该驱动电源的统一供电为交流220V，可并行完成四路电压输出，电压调节范围在-150V到150V之间；兼具并行、串行和键盘输入三种数据传输模式，输出波形为周期、幅度可调的、用户可编程的任意波形，配备完善的操作软件，直观化的数据显示方式。