CN204304985U - 一种压电陶瓷驱动信号源电路 - Google Patents

Abstract

本案为一种压电陶瓷驱动信号源电路，具有频率自动跟踪和快速起振止振的功能，其特征在于，包括两个部分，分别为起振部分和止振部分，两者通过切换开关相连；其中，起振部分包括分压电路、滤波器、移相器、比较器、自动增益控制电路和乘法器；还包括移相器，所述滤波器的输出同时接移相器的输入端，与所述分压电路、滤波器一起构成了止振部分；其中，所述乘法器和移相器的输出端分别与切换开关的输入端相连，当切换开关切换至与乘法器的输出端连通时，源电路起振；当切换开关切换至与移相器的输出端连通时，源电路止振。本实用新型电路可用于压电泵、压电电机、振动控制等场合。

Description

一种压电陶瓷驱动信号源电路

技术领域

本实用新型涉及压电陶瓷驱动技术领域，特别是一种具有谐振频率自动跟踪及快速起振止振功能的驱动信号源。

背景技术

压电陶瓷具有体积小、响应快、无噪声、精度和分辨率高等特性，而被广泛应用于工业、医疗和航天领域，如近些年出现的压电泵、压电电机、压电变压器等。在压电陶瓷的大多数驱动应用领域中，一般要求压电陶瓷或者与其复合的振动体工作在谐振状态，但是由于负载改变或系统发热等原因，振动体的谐振频率发生漂移，导致系统无法工作或者工作效率的降低。因此，必须保证压电陶瓷的驱动频率能够快速跟踪到振动体的谐振频率。现有的频率自动跟踪电路多是基于锁相环的方法，电路结构较为复杂。

中国实用新型专利(201310161943.8)提出一种压电陶瓷隔膜泵，其驱动周期包含振动期和停止期。振动期间，振动体的谐振频率会发生变化，要求驱动电路能够快速跟踪其谐振频率；停止期间，要求压电陶瓷发挥振动抑制的功能，快速止振，从而提高泵的效率，适用于该泵应用需求的信号源亟待开发。

实用新型内容

为克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种具有快速起振、频率跟踪和快速止振功能的压电陶瓷驱动电路，能够适应压电隔膜泵(中国专利201310161943.8)的应用需求。

为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种压电陶瓷驱动信号源电路，具有频率自动跟踪和快速起振止振功能，包括两个部分，分别为起振部分和止振部分，两者通过切换开关相连；

其中，起振部分包括分压电路A1、滤波器C、移相器D2、比较器F、自动增益控制电路G和乘法器H，具体连接方式如下：传感压电陶瓷的输出信号Vin接分压电路A1的输入端，分压电路A1的输出接滤波器C的输入端，滤波器C的输出接移相器D2的输入端，移向器D2的输出接比较器F的输入端，滤波电路C的输出同时接自动增益控制电路G的输入端，自动增益控制电路G和比较器F的输出接乘法器H的输入端；

还包括移相器D1，所述滤波器C的输出同时接移相器D1的输入端，与所述分压电路A1、滤波器C一起构成了止振部分；

其中，所述乘法器H和移相器D1的输出端分别与切换开关I的输入端相连，当切换开关切换至与乘法器的输出端连通时，源电路起振；当切换开关切换至与移相器D1的输出端连通时，源电路止振。

优选的是，所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其中，还包括放大器E，其为反相放大器或者同相放大器；

且所述移相器D1的输出端接放大器E的输入端，放大器E的输出端接切换开关I的输入端。

优选的是，所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其中，还包括分压电路A2，所述比较器F的输出接分压电路A2的输入端，分压电路A2的输出端接乘法器H的输入端。

优选的是，所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其中，所述滤波器C为一阶有源比例积分低通滤波器、二阶有源比例积分低通滤波器、三阶有源比例积分低通滤波器、一阶无源比例积分低通滤波器、二阶无源比例积分低通滤波器、三阶无源比例积分低通滤波器中的一种或大于等于两种，采用多级滤波器级联方式。

优选的是，所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其中，移相器为超前移相或者滞后移相；采用多级移相器级联方式。

优选的是，所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其中，自动增益控制电路G由半波整流电路G_1和积分器G_2组成，具体的是由电位器P5、P6，电阻R12，电容C5、C6，二极管N1、N2，运算放大器U8和U9组成；其中连接方式如下：输入信号接运算放大器U8的同相输入端，运算放大器U8的反相输入端通过电阻R12接到地，运算放大器U8的输出端接二极管N1的正端，二极管N1的负端接运算放大器U8的反相输入端，同时连接到运算放大器U9的同相输入端；运算放大器U9的反相输入端接电位器P6的一个固定端，电位器P6的另一固定端与调节端相连，且连接电容C5和电位器P5的调节端，电容C5的另一端接公共地，电位器P5的两个固定端分别接参考电压Vref2和公共地；电容C6跨接于运算放大器U9的反相输入端和输出端之间，运算放大器U9的输出端接二极管N2的正端，二极管N2的负端接公共地。

优选的是，所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其中，还包括反相放大器G_3，且积分器G_2输出端接反相放大器G_3。

优选的是，所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其中，在各运算放大器、切换开关和乘法器之间增加电压跟踪器。

优选的是，所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其中，对于特定的驱动对象，所有电位器均采用固定阻值的电阻代替。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：1)本实用新型设计的压电陶瓷驱动信号源电路相比于锁相环电路结构简单；2)加入的自动增益控制电路可以将压电振子的驱动电流维持在恒定值，避免振幅过大而导致陶瓷损坏；3)能够实现快速止振的功能；4)电路的快速起振和频率跟踪部分能够单独使用，解决其由于外界或自身原因而导致的频率漂移，以至工作失效或效率降低的问题。本实用新型电路可用于压电泵、压电电机、振动控制等场合。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型一实施例所述的压电陶瓷驱动信号源电路中的基本组成框图；

图2为本实用新型一实施例所述的压电陶瓷驱动信号源电路中的扩展形式的组成框图；

图3为本实用新型一实施例所述的压电陶瓷驱动信号源电路中的电路原理图；

图4为本实用新型一实施例所述的压电陶瓷驱动信号源电路中的自动增益控制电路的组成结构图；

图5为本实用新型一实施例所述的压电陶瓷驱动信号源电路中的采用双移相器级联方式的电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

一种压电陶瓷驱动信号源电路，请参阅附图1，具有频率自动跟踪和快速起振止振的功能，包括两个部分，分别为起振部分和止振部分，两者通过切换开关相连，可同时使用，亦可单独使用，发挥各自的功能。

其中，起振部分包括分压电路A1、滤波器C、移相器D2、比较器F、自动增益控制电路G和乘法器H，具体连接方式如下：传感压电陶瓷的输出信号Vin接分压电路A1的输入端，分压电路A1的输出接滤波器C的输入端，滤波器C的输出接移相器D2的输入端，移向器D2的输出接比较器F的输入端，滤波电路C的输出同时接自动增益控制电路G的输入端，自动增益控制电路G和比较器F的输出接乘法器H的输入端；

还包括移相器D1，所述滤波器C的输出同时接移相器D1的输入端，与所述分压电路A1、滤波器C一起构成了止振部分；

其中，所述乘法器H和移相器D1的输出端分别与切换开关I的输入端相连，当切换开关切换至与乘法器的输出端连通时，源电路起振；当切换开关切换至与移相器D1的输出端连通时，源电路止振。

本实用新型扩展形式的电路组成框图参阅附图2，在分压电路A和滤波器C之间添加电压跟随器B1进行阻抗变换，在移相器D1后接放大器E进行驱动电压幅值调整，在比较器F后接分压电路A2进行驱动电压幅值调整。

请参阅附图3，其中，滤波器C由电阻R3、R4，电容C1、C2和运算放大器U2组成，具体连接方式为：电阻R3的一端接输入信号，另一端接电容C1和电阻R4，电容C1的另一端接运算放大器U2的反相输入端，电阻R4的另一端接运算放大器U2的同相输入端；电容C2一端接运算放大器U2的同相输入端，另一端接地；运算放大器U2的反向输入端与输出端相连。

移相器D1由电阻R5、R6，电容C3、电位器P1和运算放大器U3组成，具体连接方式为：输入信号接电容C3和电阻R5，电容C3的另一端接运算放大器U3的同相输入端，电阻R5的另一端接运算放大器U3的反相输入端，电阻R6跨接于运算放大器U3的反相输入端和输出端，电位器P1一固定端接运算放大器U3的同相输入端，另一固定端与调节端相连后接地；调节电位器可改变输出信号相对于输入信号的相位。

放大器E由电位器P2、电阻R7、R8和运算放大器U4组成，具体连接方式如下：输入信号接电位器P2，电位器P2的另一端接运算放大器U4的反相输入端，电阻R8跨接于运算放大器U4的反相输入端和输出端，电阻R7一端接运算放大器的同相输入端，另一端接地；也可调换电位器P2和电阻R8的位置，改变电位器的阻值可进行放大增益调节。

本实用新型还可以包括以下情况，还包括放大器E，且所述移相器D1的输出端接放大器E的输入端，放大器E的输出端接切换开关I的输入端，用于对驱动电压幅值进行调整，其中，放大器E为反相放大器或者同相放大器。

进一步的，还包括分压电路A2，用于对驱动电压幅值进行调整，所述比较器F的输出接分压电路A2的输入端，分压电路A2的输出端接乘法器H的输入端。

作为优选的是，所述滤波器C为一阶有源比例积分低通滤波器、二阶有源比例积分低通滤波器、三阶有源比例积分低通滤波器、一阶无源比例积分低通滤波器、二阶无源比例积分低通滤波器、三阶无源比例积分低通滤波器中的一种或大于等于两种，优选采用多级滤波器级联方式，用于滤波。

优选采用多级移相器级联方式，用于大角度范围内移相，其中，移相器优选为超前移相或者滞后移相。

本实用新型还包括以下变形，自动增益控制电路G由半波整流电路G_1和积分器G_2组成，请参阅附图4，具体的是由电位器P5、P6，电阻R12，电容C5、C6，二极管N1、N2，运算放大器U8和U9组成；其中连接方式如下：输入信号接运算放大器U8的同相输入端，运算放大器U8的反相输入端通过电阻R12接到地，运算放大器U8的输出端接二极管N1的正端，二极管N1的负端接运算放大器U8的反相输入端，同时连接到运算放大器U9的同相输入端；运算放大器U9的反相输入端接电位器P6的一个固定端，电位器P6的另一固定端与调节端相连，且连接电容C5和电位器P5的调节端，电容C5的另一端接公共地，电位器P5的两个固定端分别接参考电压Vref2和公共地；电容C6跨接于运算放大器U9的反相输入端和输出端之间，运算放大器U9的输出端接二极管N2的正端，二极管N2的负端接公共地。

进一步的，还包括反相放大器G_3，且积分器G_2输出端接反相放大器G_3。

优选的是，在各运算放大器、切换开关和乘法器之间增加电压跟踪器，用于阻抗变换。

进一步的，对于特定的驱动对象，在调试完毕后，所有电位器均采用固定阻值的电阻代替。

此外，采用双移相器级联方式的电路的原理图请参阅附图5，该电路起振阶段的移相器采用两个0-180°移相器级联的方式，可实现0-360°范围内的移相；在乘法器的前端增加了一级电压跟随器进行阻抗变换。本实用新型电路的实现原理如下：

止振：来自传感监测压电陶瓷的信号Vin经分压电路A1后接电压跟随器B1进行阻抗变换，随后进行低通滤波C，接入移相器D1，然后接反向放大器E调节输出信号的幅值。调节移相器，可改变输出信号相对于输入信号的相位，使得输出信号驱动压电陶瓷产生的位移与振动体的振动方向相反，产生抑制振动的作用。

起振与频率跟踪：来自传感监测压电陶瓷的信号Vin经分压电路A1后接电压跟随器B1进行阻抗变换，随后进行低通滤波C，接入移相器D2进行相位调节，使激励的陶瓷产生的力与振动管振动的速度方向相同，达到快速启动和频率跟踪。此外，由于起振过程中输入信号幅值是变化的，移相器D2后接入一个比较器F，将信号变成幅值恒定的方波，可以使输出信号幅值固定。激励信号幅值越大起振越快，因而起振阶段的电压较高，有可能会使陶瓷震碎，所以还需接入一个自动增益控制电路G，自动增益控制电路G的输入信号来自于滤波器C的输出，对其进行半波整流，转换成近似直流信号，这个直流信号反应的就是当前振动管的幅值大小，将直流信号和参考直流信号(由Vref2决定)比较，如果比参考的直流信号小，自动增益控制电路G输出一个较大的比例因子与起振信号相乘，如果比参考直流信号大，则输出较小的比例因子与起振信号相乘，使驱动幅值保持在设定值。此外，当压电振子的负载变大时，自动增益控制电路G的输出电压绝对值变大，增大压电振子的驱动电压，使输出功率变大；当负载变小时，自动增益控制电路G的输出电压绝对值变小，减小压电振子的驱动电压，使输出功率变小，这样就实现了功率自适应功能。

起振和停止通过一个单刀双掷开关切换，切换频率就是起停频率。信号发生电路后接功放电路即可对陶瓷进行驱动。

原理图5中的滤波器C的截止频率为：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{R_3{R}_4{C}_1{C}_2}}$

移相器D1的传递函数为：

$H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{(k-1-{\mathrm{\ω}}^2{P_1}^2{C_3}^2)-\mathrm{j\ωk}{P}_1{C}_3}{(k-1)\·(1+{\mathrm{\ω}}^2{P_1}^2{C_3}^2)}$

其中 $k=\frac{R_5+R_6}{R_6}$

以上传递方程的虚部为负，而实部则根据角频率、电容和各电阻的具体值可分别取为正值或负值，因此该电路的移相角度可以在第三和第四象限之内，为0至180°超前移相。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种压电陶瓷驱动信号源电路，具有频率自动跟踪和快速起振止振功能，其特征在于，包括两个部分，分别为起振部分和止振部分，两者通过切换开关相连；

其中，起振部分包括分压电路A1、滤波器C、移相器D2、比较器F、自动增益控制电路G和乘法器H，具体连接方式如下：传感压电陶瓷的输出信号Vin接分压电路A1的输入端，分压电路A1的输出接滤波器C的输入端，滤波器C的输出接移相器D2的输入端，移向器D2的输出接比较器F的输入端，滤波电路C的输出同时接自动增益控制电路G的输入端，自动增益控制电路G和比较器F的输出接乘法器H的输入端；

还包括移相器D1，所述滤波器C的输出同时接移相器D1的输入端，与所述分压电路A1、滤波器C一起构成了止振部分；

其中，所述乘法器H和移相器D1的输出端分别与切换开关I的输入端相连，当切换开关切换至与乘法器的输出端连通时，源电路起振；当切换开关切换至与移相器D1的输出端连通时，源电路止振。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其特征在于，还包括放大器E，其为反相放大器或者同相放大器；

且所述移相器D1的输出端接放大器E的输入端，放大器E的输出端接切换开关I的输入端。

3.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其特征在于，还包括分压电路A2，所述比较器F的输出接分压电路A2的输入端，分压电路A2的输出端接乘法器H的输入端。

4.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其特征在于，所述滤波器C为一阶有源比例积分低通滤波器、二阶有源比例积分低通滤波器、三阶有源比例积分低通滤波器、一阶无源比例积分低通滤波器、二阶无源比例积分低通滤波器、三阶无源比例积分低通滤波器中的一种或大于等于两种，采用多级滤波器级联方式。

5.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其特征在于，移相 器为超前移相或者滞后移相；采用多级移相器级联方式。

6.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其特征在于，自动增益控制电路G由半波整流电路G_1和积分器G_2组成，具体的是由电位器P5、P6，电阻R12，电容C5、C6，二极管N1、N2，运算放大器U8和U9组成；其中连接方式如下：输入信号接运算放大器U8的同相输入端，运算放大器U8的反相输入端通过电阻R12接到地，运算放大器U8的输出端接二极管N1的正端，二极管N1的负端接运算放大器U8的反相输入端，同时连接到运算放大器U9的同相输入端；运算放大器U9的反相输入端接电位器P6的一个固定端，电位器P6的另一固定端与调节端相连，且连接电容C5和电位器P5的调节端，电容C5的另一端接公共地，电位器P5的两个固定端分别接参考电压Vref2和公共地；电容C6跨接于运算放大器U9的反相输入端和输出端之间，运算放大器U9的输出端接二极管N2的正端，二极管N2的负端接公共地。

7.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其特征在于，还包括反相放大器G_3，且积分器G_2输出端接反相放大器G_3。

8.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其特征在于，在各运算放大器、切换开关和乘法器之间增加电压跟踪器。

9.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动信号源电路，其特征在于，对于特定的驱动对象，所有电位器均采用固定阻值的电阻代替。