（测试计量技术及仪器专业论文）压电陶瓷功率驱动电源的研究.pdf

硕士论文球电陶瓷功率驱动电源的研究 摘要 本论文研制了三路输出程序控制压电陶瓷高压功率电源，其由程序控制任意波 形发生器、功率放大器及控制软件组成。本文主要研究了直接数字频率合成技术 ( d d s ) 及任意波形发生器的相关技术，设计了基于d d s 和p c i 0 4 嵌入式计算机技 术的三通道程控任意波形发生器。 本功率电源应用e d a 技术，采用可编程逻辑器件与专用功能芯片相结合的模式 成功设计了任意波形信号发生器。以此为核心，在系统软件的控制下通过高压功率 放大器输出，实现了压电陶瓷高压功率电源的功能。 本功率电源实现了波形、频率、幅度与相位的在线编程，输出频率范围l i o k h z ，输出电压范围o 2 0 0 v ，相位调节细度i o 。 关键词：直接数字频率合成，任意波形发生器，在线编程 硕卜论文 压电陶瓷功率驱动电源的研究 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，at h r e e p a s sp o w e rs u p p l yi sd e s i g n e dw h i c hd r i v i n g p i e z o e l e c t r i cm i c r od i s p l a c e m e n ta c t u a t o r sa n di tc a nb ec o n t r o l l e db y p r o g r a m m i n g i ti sc o m p o s e do ft h ea r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ( a w g ) ，p o w e r a m p li f i e ra n dm a n i p u l a t i v es o f t w a r e t h ep a p e rs t u d ya b o u tt h ei n t e r r e l a t e d t e c h n o l o g yo f d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ( d d s ) a n da r b i t r a r yw a y e f o r m g e n e r a t o r ， a c c o r d i n gt ot h a t ，at h r e e - p a s sa r b it r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o rb a s eo n d d sa n de m b e d d e d c o m p u t e rp c i 0 4i sd e s i g n e d a w gi sd e s i g n e db yt h ed r i v e p o w e rw h i c ha p p l yt e c h n o l o g yo fe l e c t r o n - d e s i g n a u t o m a ti o na n da d o p tt h e c o m b i n a t i o no fp l da n ds p e c i a lc h i p i ta c h i e v et h ef u n c t i o no ft h ep o w e r t h r o u g ht h ep o w e ra m p l i f i e rw h i c hi sc o n t r o l l e db yt h es y s t e ms o f t w a r e t h ep o w e rc a nb ep r o g r a m m a b l ei nw a v e f o r m ，f r e q u e n c y ，a m p lit u d ea n d p h a s eo n l i n e t h er a n g eo ff r e q u e n c yi s0 l o k h z t h er a n g eo fv o l t a g ei s o 2 0 0 va n dt h es t e po fp h a s ei s0 1 0 k e yw o r d s ：d d s ，a w g ，p r o g r a mo n l i n e 硕士论文 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 空睾丝猫年7 月f 目 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 宰睾坠加6 年 月7 日 预 论文 压电陶瓷功率驱动电源的研究 i 绪论 1 1 课匿搿毳啾 1 1 1 压唧磷雒够技术 压电陶瓷驱动器是一种利用压电材料逆压电效应制作的微驱动器，它是近年柬倍 受关注的新型精密驱动器，其具有体积小、推力大、定位精度高、分辨率高、频晌快 等优点，并且不发热，不产生噪声，已成为微机电系统中重要定位及驱动元件，在纳 米技术、精密测量、微细加工、微屯子和机器人等领域取得了广泛应用。超精密切削 加工的压电陶瓷微量进刀机构、压电陶瓷补偿执行机构；压电陶瓷微动工作台：压电 陶瓷光纤对接机和压电陶瓷自动调焦跟踪系统等均是压电驱动器的重要应用l l 】【甜。压 电陶瓷的出现开创了精度进入纳米级的新时代。 驱动控制电源是压电陶瓷驱动器的关键驱动部件，其对压电陶瓷驱动器的微位移 性能影响很大，特别是机构的动态使用特性，很大程度上取决于驱动电源的动叁性能， 因此，压电陶瓷驱动电源技术已成为目i i 压电陶瓷驱动器应用中的关键技术之 2 1 1 3 1 1 4 。 近年来，随着各种需求的增加，压电陶瓷的动态应用越来越广，对其要求也越来 越苛刻，频带宽度、非线性失真、抗自激能力等动态性能要求很高，目的国内关于眶 电陶瓷器件的应用很多限于静态特性，对于动态扫描有很多困难亟待解决，其中最迫 切的就是驱动电源，电源的不成熟严重地制约了压电陶瓷在动态方面的基础研究与应 用n i s 。设计压电陶瓷驱动器电源所面临的问题1 5 1 主要有：国内压电陶瓷动态驰动电 源的研究起步较晚，而且不够深入，目前普遍把压电陶瓷器件祝为电容性负载，但实 际并非如此。把压电陶瓷驱动器单纯地等效成为电容便忽略了一个重要的因素，它不 是一个简单的电子器件，而是一个微型的机电转换装置，可把电能转换为机械能，也 可把机械能转换为电能，当驱动器采用双晶片结构时，驱动器内部产生的应变能也是 不容忽视的。另外，由于压电陶瓷驱动器是靠逆压电效应驱动的机械性器件，这导敛 了两个后果：在正常工作时，由于压电陶瓷在电场作用下产生伸缩，因此会导致其电 容随电压变化而变化，这会使驱动器产生一个充电和放电过程，会对驱动电源产生不 良影响；其次，驱动器的电容还会受到驱动频率的影响，当驱动器本身固有振动频率 同驱动频率一致或接近时，会产生由于共振引起的容抗大幅下降的现象，这也会影响 驱动电源的输出。压电陶瓷驱动器工作时伴有很复杂的过程，电能、电场能、应变能， 机械能( 用于驱动负载) 之间的相互转换，相互耦合，动态工作时以电容为代表的各参 数随驱动器工作而变化的特性以及同频率相关的一些特性都给驱动电源的设计提出 了很高的要求 压电陶瓷位移技术的推广、压电陶瓷微位移器件( 或装置) 的使用，都依赖于性能 颂 ：论文压电陶傥功率驱动电源的研究 良好的驱动控制电源。在微位移系统中利用压电陶瓷在电场作用下产生的应变驱动相 关机构产生微位移，应变受控于驱动电源的频率、电压及波形，在二维或三维系统中 还与各路驱动信号之间的相位有关因此频率、相位、电压和输出波形可在线编程的 任意波形功率电源已成为精密仪器和精密机电系统中的重要驱动电源，是决定定位及 驱动精度的重要因素之。本文介绍的程控任意波形功率驱动电源正是为此目的而研 制的。 一 压电陶瓷微位移器的微位移发生原理、结构形式和其实际应用要求决定了它的驱 动电源的设计特点【2 1 ： ( 1 ) 为保证压电陶瓷微位移器的位移精度，减少人为干扰，实现位移的自动控制， 驱动电源应实行微机控制。 ( 2 ) 在实际使用中，压电陶瓷微位移器的位移输出大小应灵活可变，故驱动f 乜源 的输出电压应幅度、频率、相位连续可调，波形可以任意改变。 ( 3 ) 压电陶瓷微位移器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。因此驱动电源的最大输出电流不应是某一特定值。 ( 4 ) 驱动电源的输出精度直接影响微位移器的位移精度，所以驱动电源的输i 稳 定性和输出电压应控制在一定范围内。 ( 5 ) 在误差快速补偿执行机构中，要求压电陶瓷微位移器既要有快速的位移输出， 又要能快速地减少其位移输出。压电陶瓷微位移器为容性负载，其端电压不能跃变。 所以在驱动电源电路中，还应有供压电陶瓷微位移器快速放电的放电回路。 1 1 2 压刨葡留咖鹳瞄唯阑内【夕终源 堵况 如上所述频率、相位、幅度和输出波形可以程控的任意波形功率驱动电源己成为 精密仪器或精密机电系统中的重要驱动电源，是决定定位及驱动精度的重要因索之 一。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。如美国m l - l a bs y s t e 、i 公司、美国r l i ( 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、相位、幅度和输出波形可以程控的任意波形功率 驱动电源领域的研究处于滞后状态【6 1 。进口产品垄断国内市场而且价格昂贵，如德囤 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 y 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。鉴于这样的现状，研制频率、相位、幅度和 输出波形可以程控的任意波形功率驱动电源显得很有必要。文献【6 l 介绍了基于p c 机 i s a 总线和锁相环频率合成技术的低成本波形和参数可在线编程功率驱动电源。但是 该电源还有许多不足之处，如不能离开p c 机单独工作、电路体积比较庞丈、工作频 率带宽不高等本文着重研制基于嵌入式p c 、d d s 技术和c p l d f p g a 的低成本、小型 2 硕十论文 压电陶瓷功率驱动电源的研究 化、可独立工作的频率、相位、幅度和输出波形可以程控的压电陶瓷功率驱动电源。 1 。2 相关毖梢介 1 z 1 信影蹩瞠掰沭 信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学实验等 领域。它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备。总体上 信号发生器分为两大类：基于模拟振荡器的信号发生器，基于频率合成技术的数 字合成信号发生器。 基于模拟振荡器的信号发生器是利用分立元件及模拟集成电路构成的，其工作原 理是利用正反馈形成自激振荡，从而产生波形。这种信号发生器的主要优点是电路简 单，但缺点较多： 频率稳定度和准确度低，频率的时间稳定度一般劣于l o _ 6 分，频率准确度一 般在0 5 以下嘲。 不能发生任意波形。 电路调试困难。 因此这种信号发生器难以胜任电子系统或机电系统的需求。 基于频率合成技术的数字合成信号发生器，是利用数字技术合成的信弓发生器， 其输出波形可编程实现，理论上可发生任意波形，频率稳定度取决于晶体振荡器的频 率稳定度，可实现1 0 。1 0 7 2 4 小时的稳定度，最重要的是其波形、频率、幅度和 相位可实现程序控制，可应用于程控系统中。因此这种信号发生器已取代基于模拟振 荡器的信号发生器，成为现代信号发生器主流技术。 任意波形发生器的主要性能指标有以下三项： 最高取样速率：它决定了输出波形的最大频率。由奈奎斯特定理( 每个周期至少 采样两次才能重构波形) 可知，其输出波形的频率小于最高取样速率的二分之一因 此，最高取样速率越高，输出波形的最高频率就越大。现在的a w g 产品的该项指标。一 般在l t 4 s s e c 1 0 2 4 g s s e c 之间 垂直分辨率：也称输出幅度分辨率，主要取决于d a 转换器，以位数表示。位 数越大，则输出波形的幅度量化误差越小，输出波形越逼真。现在的a w g 产品一般为 8 1 6 b i t s 。 波形存储容量：以存储波形的容量来表示容量越大，存储的波形就可以越复 杂或是同时可以存储不同的波形。 九十年代之后， w g 作为信号发生器家族的一个新成员，技术发展十分迅速， 市场份额也日渐扩大，其状况和地位有如示波器家族中的数字存储示波器。以美国 t e k 公司为代表的国际各大电子测量仪器公司，其a w g 产品己经纷纷形成系列，丌始 3 朋士论文压电陶瓷功牢驱动电源的研究 逐步取代传统的函数发生器，可以说a w g 已经成为信号源的发展方向。 目前我国已开始研制任意波形发生器，并取得了可喜的成果。但总的来说，我国 任意波形发生器还没有形成真正的产业。就目前国内的成熟产品来看，多为一些p c 仪器插卡，独立的仪器和v x i 系统的模块很少，并且我国目前在任意波形发生器的种 类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉 睫。本文将结合新一代的频率合成技术一d d s ，以高性能的d d s 芯片为核心，设计一种 简便实用性能优良的任意波形发生器，该任意波形发生器能产生正弦波，方波，三角 波等常用的标准信号，还能根据用户的需要生成任意波形。论文主要研究在任意波形 发生器设计时如何根据系统指标合理地确定设计方案，在系统的硬件设计时具体耍注 意的问题以及如何结合先进的电子设计自动化方法来进行电路的设计，还有相应的软 件编制的问题等等，对于且前三种典型的任意波形发生器的结构p c 总线插卡式， 独立仪器，v x i 模块都有重要的参考价值。 1 2 2 频擎匈燃 频率合成技术就是将一个具有低相噪，高精度和高稳定度等综合指标的参考频率 源经过电路上的混频、倍频或分频等信号处理以便对其进行数学意义上的加、减，乘、 除等四则运算，从而产生大量具有同样精确度与稳定度的频率源。参考频率可由尚稳 定的参考振荡器( 一般为晶体振荡器) 产生，所生成的一系列离散频率输出与参考振荡 器频率有严格的比例关系，并且具有同样的准确度和稳定度。频率合成技术是现代通 信对信号源的频率稳定度与准确度、频谱纯度及频带利用率提出愈来愈商要求的产 物，目前广泛应用于无线与移动通信系统及仪器设备中。 频率合成技术起源于二十世纪三十年代，至今己有近七十年的历史。在这7 0 年 的历史中，大致可以分成三个发展阶段：直接频率合成技术、锁相环频率合成技术以 及直接数字频率合成技术。 所谓直接频率合成技术( d s ，d i r e c ts y n t h e s i s ) 就是用倍频、分频和混频电路对 一个或多个参考频率源进行加、减、乘和除的运算，从而产生所需要的频率信号，并 通过窄带滤波器选出【9 1 【1 0 1 2 1 这是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。这种频 率合成器原理简单，易于实现。其合成方法大致可分为两种基本类型：非相关合成方 法和相关合成方法。这两种合成方法的主要区别在于所使用的参考频率源的数目不 同。非相关频率合成法采用多个参考频率源，这样在需要产生多个频率稳定度和精度 都相同的频率源时，实现相当复杂和困难。而直接相关频率合成法只使用一个晶体参 考频率源，所需的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到的，因而合成器输：把 频率的稳定性和精度与参考源一样，现在绝大多数直接频率合成技术都使用这种合成 方法 直接频率合成器的频率范围宽，频率转换较快，可以达到微秒级，工作稳定可靠， 4 硕士论文压电陶瓷功宰驱动电源的研究 频率f b j 隔小( 1 0 。2 h z ) ；但是需要大量的模拟元件，结构复杂，体积大，成本高，而 且输出的谐波、噪声及寄生频率都难以抑制。 直接频率合成技术所固有的缺点，在锁相环频率合成技术中得到了很大的改善， 它被称为第二代频率合成技术。锁相环频率合成技术m m ”是利用锁相技术柬产生大量 具有高稳定度、高纯度的频率源的，其原理如图1 2 1 所示。压控振荡器( v c o ) 的 频率被可变分频器按预置数n 后的频率厶，与参考频率f j 在鉴相器中进行频率和 相位比较，并产生一误差电压v e ( t ) ，它正比于，：和工的颓差。误差电压v e ( t ) 经过 低通滤波器滤波后变成直流控制电压v d ( t ) 加到v c o 的控制输入端，使v c o 朝肴 l n = f , 的方向改变其频率。当v c o 的频率变化到五n 接近等于z 时，环路的闭环特 性迫使v c o 锁定在到矗= 正上，因此此时的输出稳定在到石= 石上。不难看出， 只要改变可变分频器的预鬣数，就可以得到不同的分频比n ，从而得到一系列z 倍数 的输出频率。 图1 2 1 锁相环频率合成原理图 锁相环频率合成技术提供了种从单个参考频率获得大量稳定丽准确的输出频 率的方法，并且频率输出范围宽，具有良好的寄生抑制性能，输出频谱纯度很高，而 且输出频率易于程控，因此在工程技术中得到了迅速发展和广泛应用，是目前频率台 成的主流技术。但是锁相频率合成技术特别是全数字锁相频率合成技术仍然存在着一 个致命的缺点，就是频率转换速度不高( n l s 数量级以上) ，这对快速跳频通讯来说， 是道难以逾越的障碍。尽管有各种各样加快频率捕获的方法，但频率转换速度仍达 不到某些特殊通信( 如电子对抗) 的要求，而且带来电路复杂等不利因素。因此，直接 合成与锁相合成各有优缺点，它们是相互发展的，如何把它们两者的优点结合起来， 制造噪声低、频率间隔小、转换速度快、集成化程度高的频率合成器是人们研究的重 点。 随着数字信号理论，计算机技术、d s p 技术及微电子技术的发展，在频率合成领 域诞生了一种革命性的技术，这便是二十世纪七十年代出现的直接数字频率合成技术 ( d d s 。d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ) 1 9 7 1 年，j t i e r n e y 和c m r a d e r 等人在( ( 数 字频率合成器) 一文中首次提出了一种新型的频率合成技术直接数字频率合成 ( d d s ) 的概念，这标志着频率合成技术迈进了第三代1 1 2 d 7 1 o f 硕卜论文雎电陶瓷功串驱动电源的研究 直接数字合成器技术以一个频率固定的精确的时钟源为参考，用数字数据处理馍 块的方法产生频率和相位可调的输出信号，实质上是参考频率根据可调的二进制控制 字阐明的标量在叻s 内部分频。典型的控制字有2 4 4 8 位长，这使得d d s 能提 供非常高的输出频率的分辨率。同传统的频率合成技术相比【1 3 p 2 1 1 3 s l ，d d s 技术具有很 多优点：频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续、容易实现对输出信号的多 种调制等。但是由于当时的技术以及器件水平的限制，它的性能指标还无法与已有的 技术相比，因此该技术当时并没有引起足够的重视。最近几年来，随着技术和器件水 平的提高，国外一些公司先后推出各种各样的d d s 专用芯片，如q u a l c o m m 公司的 q 2 2 3 0 、q 2 3 3 4 ，a d 公司的a d 9 9 5 5 ，a d 9 8 5 0 等。这些有竞争性价格的，商性能的、多 功能集成及小型化封装的d d s 产品，正迅速地成为传统的快速频率模拟合成器方策 之外的又一选择方案。将高速、高性能d a 转换器和d d s 结构集成到单个芯片( 一 般被称作完整d d s 方案) ，使得这项技术面向更宽的应用范围。因此在短短二三十年 时日j 擘，得到了飞速的发展和广泛的应用。d d s 技术将成为未来频率合成技术发展的 主流方向，它高度的集成性，对于简化电子系统的设计方案，降低硬件的复杂程度， 提高系统的整机性能意义重大。 1 研究直接数字频率合成技术( d d s l 的原理和基于d d s 的任意波形发生器技术。 2 提出三通道程控任意波形功率驱动电源的总体设计方案；以高性能的d d s 芯 片为核心，提出基于d d s 的任意波形发生器的设计方案。 3 完成d d s 频率合成器的外围硬件电路设计，应用e d a 技术及可编程逻辑器件 实现功率电源的计算机控制电路、相位调节电路、任意波形发生电路。 4 设计功率放大器。 5 控制软件相关技术研究。 6 颁十论文 压电陶瓷功率驱动电源的研究 d d s 技术的基本理论虽早在7 0 年代就已经提出来了，但是由于硬件条件的限制， 它在初期并没有得到很大的重视。最近几年，随着现代电子技术和大规模集成电路的 发展，d d s 技术得到了飞速的发展，并已成为最重要的频率合成技术。d d s 技术虽然最 初是作为频率合成技术提出的，但现在它也被广泛应用于任意波形发生器。本章将详 细介绍直接数字频率合成技术的原理、特点以及该技术在任意波形发生器中的应用。 z1d d s 技术基本= 可乍爬 。 根据奈奎斯特采样定理，对于任意一个频率带宽为f 的连续信号f ( t ) ，可以用一 系列离散的取样值f ( ) 、f ( + t ) 、f ( + 2 t ) 表示，只要这些取样点的时问删隅 t 4 , 于i 2 f ，则这样的表示是完整的，包含了连续信号f ( t ) 的全部信息。因此，对于 一个周期的正弦波连续信号，可以沿其相位轴方向，以等量的相位日j 隔对其进行相位 幅值取样，得到一个周期的正弦波信号的离散相位幅值序列。d d s 技术的原理f z 9 j 【3 1 1 3 7 1 就是根据奈奎斯特采样定理取样，从连续信号的相位中出发将一个正弦信号取 样、量化、编码，形成一个正弦函数表，存于r o m 中在参考时钟的控制下，榍位累 加器对频率控制字k 进行累加，得到的相位码对波形存储器寻址，使之输出相应的幅 度码，经过数模转换器得到相应的阶梯波，再经过低通滤波器可得到所需频率的连续 波形。d d s 不仅可以合成正弦波信号，还可以合成其它周期性的任意波形信号。d d s 的工作原理实质上是以参考频率源( 系统时钟) 对相位进行可控闻隔的采样。目前使用 最广泛的一种d d s 方式是利用高速存储器作查询表，然后通过高速d a c 产，土己经用数字 形式存入的正弦波。正弦输出d d s 是实际应用最广的一类。目前所见到的国外公司如 a d 公司、o u a l c o m m 公司等生产的d d s 芯片大多采用正弦信号输出。d d s 的工作原理如图 图2 1 1 所示。 对钟厶 输出波形 刎删审屯 图2 i id d $ 的基本原理 7 硕卜论文 压电陶瓷功率驱动电源的研究 由图2 1 1 所示基本原理可见，d d s 由参考时钟、相位累加器、r o m 谁弦值表、 d a c 以及l p f 五部分组成。图中参考时钟由一个高稳定的晶体振荡器产生，用于保证 d d s 中各部件同步工作。频率控制字k 送到n 位相位累加器中的加法器数掘输入端， 相位累加器在时钟频率的作用下，不断对频率控制数据进行相位累加，当相位累加器 累加到最大值时就会产生一次溢出，累加器的溢出频率就是d d s 输出的信弓频率。累 加器一方面将上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以 使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据x 相加；另一方面将这个值作为取 样地址值送入图中的波形存储器中，幅度相位转换电路根据这个地址值输出相应的 波形数据。最后经d a 转换和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波形。由此 可以看出，相位累加器实际上是一个以2 为基数、受频率数据控制字k 而改变的计数 器，它积累了每一个参考时钟周期露内合成信号的相位变化。这些相位值的商a 位 对r o m 寻址。在r o m 中写入2 。个正弦数据，每个数据有d 位。不同的频率控制码k 导致相位累加器具有不同的相位增量，这样从r o m 输出的正弦波形的频率就不同，r o m 输出的d 位二进制数送到d a c 进行d a 变换，得到量化的阶梯难弦波输出，最后经过 低通滤波器滤除高频分量，平滑后得到模拟的正弦波信号。 d d s 的结构表明：d d s 输出信号的频率分辨率是由相位累加器的位数决定；橱位 分辨率由r o m 的寻址位数决定；幅值分辨率由d a c 的位数决定。 d i ) s 的数学模型可以这样描述：在每一个时钟周期内，频率控制字k 和n 位相位， 累加器累加一次，得到的相位值以二进制代码的形式对波形存储器进行寻址。设叫钟 频率为厶，则d d s 的输出频率为 = 参厶 ( 2 1 1 ) 当k = i 的时候，d o s 的频率分辨率为 譬= 专氏 ( 2 1 2 ) 由于d d s 输出的最大频率受到奈奎斯特抽样定理的限制。所以 厶 = 厶2 ( 2 1 3 ) 事实上d a 转换器的输出波形，相当于是一个连续平滑波形的采样，采样率就是关， 这样根据奈奎斯特采样定律，采样率必需要大于信号频率的两倍。也就是说d a 转化 器的输出如果要完全恢复的话。输出波形的频率必须小于2 。一般柬说，由于低通 滤波器的设计不可能达到理想情况，即低通滤波器总是有一定的过渡带的，所以输出 频率还要有一定的余量，一般来说在实际应用当中d d s 的输出频率不能超过0 4 7 , 由公式( 2 1 2 ) 可知，为了达到足够小的频率分辨率，通常应将相位累加器的位 数n 取得较大。一般取n = 3 2 如果n 位全部用来寻址波形存储器，那么存储器的容 8 赖t 论史 压电陶蹙功牢驱动电源的研究 量将需要2 让位。这是不现实的，实际应用中往往只取高的a 位来寻址存储器，而舍 去低b = n - a 位。这样相位截断就造成了的相位误差。受到波形存储器和d a 转换器的 字长限制，存储在波形存储器中的波形数据字长是有限的，从而产生了幅度量化误差 或者叫做有限字长效应。此外一个实际的d a 转换器总存在如微分非线性误差和积分 线性误差等误差，因此d a 转换器也会产生杂散分量。但到目前为止还未找到一个可 以描述高速d a 转换器动态响应的数学模型，因此还不能精确描述d a 转换器产生的 杂散频谱特性。 d d s 的结构表明：d d s 输出信号的频率分辨率是由相位累加器的位数决定；相位 分辨率由r o m 的寻址位数决定；幅值分辨率由d a c 的位数决定。 z 2d d s 的特点 一 综合以上讨论和分析，尽管d d s 系统的输出信号有一定的噪声和杂散，但比传统 的频率合成方法它还是具有如下的显著特点陋l 【3 0 1 1 3 1 1 ： 1 极快的频率切换速度 d d s 是一个开环系统，无任何反馈环节，频率转换时间由l p f 的附加延时柬决定， 目前的d o s 系统频率切换时间都在r l $ 级，比其他的频率合成方法都要短数个数量绂。 2 极高的频率分辨率 ， r 由a f = f o 。= 丽j c 可知，只要增加相位累加器的位数n ，即可获得任意小的频率 二 分辨率，大多数的d d s 的分辨率在h z ，m h z 甚至p h z 的数量级。 3 连续的相位变化 同样因为d o s 是一个开环系统，故当一个切换频率的指令加到d o s 的数据输入端 时，它会迅速合成所要求的频率信号，在输出信号上没有叠加任何电流脉冲。输出变 化是一个平稳的过渡过程，而且相位是连续变化的，这个特点是d d s 独有的。 4 易于集成 d o s 中除了d a c 和滤波器外，几乎所有的部件都属于数字电路器件，很容易用 c p l d f p g a 集成，从而降低成本，简化了电路的设计。 5 便于实现各种复杂方式的信号调制 d d s 也是一种理想的调制器，因为合成信号的三个参数：频率、幅度、相位均“丁 由数字信号精确控制，对这三个参数的调制可以形成调频信号、调幅信号和调相信号。 综上可见，d d s 技术的性能在频率分辨率、输出频率范围、频率转换速度、易于 集成等方面都己远远突破了传统的频率合成技术的水平。d o s 是当今频率合成技术和 信号发生器技术的发展的新阶段，高速集成电路的发展进一步改善d d s 的性能，它可 以与传统技术相结合，组合的各种混合方案将频率源的性能提高到一个新的水平，因 而未来的d d s 不仅应甩于传统上使用的信号源领域，而且必将开拓许多掰的应用领 9 颂 论文 砾电陶瓷功率驱动电源的研究 域。在本文中将重点叙述d d s 在任意波形发生器方面的应用，并具体设计其电路。 z3 基于d 嘴技术的笛鼠受7 功姓器 d d s 系统的结构虽然简单，但却有很多其他信号源所没有的优点。例如，它具有 优良的频率转换特性，而且它对输出波形的调制完全都是在数字域中完成，简洁、方 便、快速，所以它又经常应用于任意波形的发生。 传统的a w g 结构如图2 3 1 所示，包括地址计数器，存储器和d a 转换器。它足 采用将波形数据存储于存储器中，而后用可程控的时钟信号为存储器提供扫描地址， 与每个地址相对应的数据则代表波形在等间隔取样点上的幅度值。数据被送至d a c ， 从而产生一个正比于其数字编码的电压值，每个电压值保持一个时钟周期，直至新的 数据送至d a c ，经数模转换后得到所需的模拟电压波形。在存储器罩的数据产生的 波形是对“取样波形”的阶梯近似 图2 3 1 传统a w g 结构框图 假定地址计数器的时钟频率为正，波形一周期内有n 个采样值，那么合成的波形 频率为 ， 工= o 形 ( 2 3 1 ) 如果改变地址计数器的时钟频率或r o m 的地址步进大小，合成波形的频率都会随 着改变。而要改变波形，只要在只读存储器中写人不同的数据。 传统的a w g 是采用可变时钟和计数器寻址波形存储器表，其取样时频率较高，对 硬件的要求也较高，而且常需要多级分频或高性能的锁相环和多个低通滤波器，其中 分频式的a w g 频率分辨率较低，而锁枢环式的a w g 则频率切换速度较慢【3 8 1 。而壤 于d d s 技术的任意波形发生器则具有的快速频率转换、连续相位变换、精确的细调步 进的特点，将其与简单电路相结合就构成精确模拟仿真各种信号的的最佳方式和手 段。这是其它频率合成方法不能与之相比的。 基于d d s 的a w g 的结构框图如图2 3 2 ，将利用上位机生成所需波形的数据存人 波形存储器，然后在参考时钟的作用下，对输人的频率数据进行累加，并且将累加器 的输出一部分作为读取波形存储器的地址，将读出的波形数据经d 转换为相应的电 压信号，d a 转换器输出的一系列的阶梯电压信号经低通滤波后便输出了光滑的合成 波形的信号 1 0 硕士论文压电陶瓷功事驱动电源的研究 图2 3 2 基于d d s 的a w g 的结构框图 二基于d d s 技术的任意波形发生器的优点在于具有非常高的频率分辨率和快速输 出转换能力，但是它也有缺点，其中最主要的就是在高频状态下的波形抖动和数据丢 失问题。因为它在产生波形时是逐点跳跃的，这样在较高的时钟频率下，a w g 就会掠 一过波形上的某些点。但这会引起波形抖动，而且更重要的是，被掠过的点可能会造成 数据丢失。 对钟周明 图2 3 3 相位增量较大时d d s 系统输出正弦波的波形( 仿真结累) 图2 3 3 为d d s 系统在相位增量较大时输出正弦波的波形。从图中可以看出，输 出波形的每一波峰的形状都不规则，并且互不相似。这是因为在相位增量比较大时， d d $ 系统输出波形采样的点数较少，所以波形不规则。而且，由于在不同的时钟周期， 采样点的相位也不尽相同，这样输出波形的形状就会在每个周期有所变化，造成波形 抖动。所以基于d d s 技术的a w g 般不适合用于产生超高频的任意波形。 任意波形发生器产生的波形总体上可以分成两类：正弦波和任意波( 非正弦波) 对 正弦波可以逐个( 连续地) 读出波形的每一个数据( 这时候输出波形的失真是最小的) 也可以跳跃式( 间断地) 读出波形，这时波形的失真就会加大，但都可以通过滤波束改 善失真，采用d d s 结构是较好的选择，并且已有商用d d s 芯片可产生高质量的正弦波 形。 硕t 。论文 压电陶瓷功率驱动电源的研究 对任意波形( 非正弦波) 由于波形变化不规则。其中有丰富的谐波。因而这时不能 简单地用滤波的方法来改善波形失真( 因滤波可能把信号的有用成分给削减了) 。所以 当要合成产生任意波形时，应采取逐点读出波形的每一个数据，要改变输出频率厶， 可通过改变参考时钟频率z 或通过改变波形存储器中存储的波形周期的数目柬实现， 由于商用d d s 芯片中r o “表中的数据已固化，只能输出正弦波。采用商用的d d s 芯片 显然很难直接实现任意波形的生成。 根据以上分析，基于实用和性能的综合考虑，设计的任意波形发生器的结构是采二 取了前面两种直接数字合成结构的结合，整个设计由两个通道组成，第一个利用d d s 一 芯片产生高质量的正弦波，经过d d s 专用芯片内带的高速比较器比较，输出与正弦波 同频率的方波，同时此方波还作为第二个部分的时钟信号，第二个通道为任意波发生 通道，采用地址计数器的方式，在第一个通道发出的方波作用下，逐点读出波形存储 器中波形的数据，经过d a 转换和低通滤波器后合成所需的任意波形，通过改变参考 时钟的频率和计数的步长就可以实现波形频率的改变。 顽十论文序电陶瓷功卑驱动电源韵研究 3 1 电源设愀 本电源主要用作压电陶瓷驱动器的驱动电源，其功能要求为：三路任意波形电 压输出，既可以输出连续波形又可以输出单次波形。波形，频率、幅度、相位可在 线编程，程序调节。其技术指标要求为： 一 频率输出范围：1 h z 1 0 k h 五调节步进值i h z 。 相位调节范围：0 。3 6 0 ”，调节步进值0 1 。 最大输出电压：_ + 2 0 0 v 。 最大输出电流：5 0 0 舶a 。 。 3 2 电喇斯睦绵陶及设讨力案 电源的总体结构框图如图3 2 1 所示，它由计算机系统、接口电路、三路任意波 形发生器和功率放大器构成。 i 显示1 p c i 0 4_ i 任意鼎生器h 粹姒器 1 i 一 接 嵌入 式计 - j l 口 一任意旃生器h 艚燃器l电 l 麓卜_ 算机 路 一任意撼生器h 大器l 计算机系统 ：! 图3 2 1 压电陶径功率驱动电源总体结构 i 计算机系统 计算机系统是电源的中央控制器，主要功能是编程输出波形，协调控制电源各部 分的工作，调节输出电压，调节各路输出信号的相位和调节输出频率。该系统可由犯 片机系统、p c 机或嵌入式p c 实现 单片机系统体积小，成本低，但其主要缺点是：人机交互差；波形在线编程 功能的实现较困难，目前波形编程一般由上位计算机( 一般是p c 机) 实现，然后通 过串口将波形数据下载至电源的波形存储器中，这种方式难以满足电源波形现场在线 编程的要求。p c 机功能完善，作为本电源的计算机系统，其功能及性能均能满足要 求，主要不足是体积大，携带不便。嵌入式p c 是缩体的p c 机，其功能及性能与普通 颂卜论文球电陶瓷功串驱动电源的研究 的p c 机相同，主要优点是体积小，易于实现具有人机交互及现场在线编程能力的便 携式电源。基于上述原因，本电源采用嵌入式p c 作为计算机系统。 控制软件是计算机系统重要组成部分，由人机交互界面、设备驱动程序及波形编 程程序三个部分构成，本控制软件采用v i s u a lc + + 6 0 编程。设备驱动程序利用由 c o m p u w a r e 公司开发的d r i v e r w o r k s 软件开发。 2 接口电路一 接口电路是计算机系统与信号发生器的通讯环节，负责传输信号发生器需要的电 压控制数据、频率控制数据、相位控制数据及波形编程数据，其主要构成是译码电路 和总线驱动电路。 3 任意波形发生器 x ，y 、z 三路任意波形发生器是三个独立的信号发生器，其构成相同。三路信弓 发生器可以分别独立工作，作为三个独立的信号发生器，也可组合成三路同步输出信 号发生器。信号发生器由频率合成器、电压调节电路、初始相位设定电路、波形存储 器、波形在线编程电路及波形合成电路构成。它是整个电源的核心环节。 频率合成器是产生波形发生器基准频率的环节，采用直接数字频率合成技术实 现。电压调节电路用于调节信号发生器输出电压的幅度，幅度的调节通过敛字调节波 形合成d a 转换器的基准电压实现。初始相位设定电路负责设定波形的第一个数据 读出的时刻，达到设定波形初始相位的目的。波形存储器中存储了输出波形一个周期 的数字采样值，这罩选用e e p r o m 作为波形存储器。波形在线编程电路是波形数执：写 入波形存储器的电路，由数字逻辑电路实现。波形合成电路将从波形存储器中读出的 数字采样值转换为模拟信号输出，由d a 转换器实现。 4 功率放大器 功率放大器是电源的输出环节，用于提升输出电压信号的功率，满足压电陶瓷掘 动器驱动功率的要求，由于要求输出的电压高，电流大，这里采用分立元件设计功率 放大器。 电源的工作过程是：通过人机交互界面输入输出信号的频率、电压、初始相位等 信号参数，并选定或编程输出波形，控制程序根据输入的参数向相应的控制电路写入 控制字，控制硬件电路完成相应的操作，硬件电路即可自动输出满足设定参数的波形， 由信号发生器输出的波形经功率放大器放大后输出。 4 硕t 论文 压电陶瓷功率驱动电源的研究 4 电源设计方案的实现 毛1 计算期曙缴接口电路设计 屯l 1p c i 0 4 嵌入舒桴湖系统 在本设计中，整个系统采用嵌入式工业计算机p c i 0 4 作为控制核心，p c i 0 4 是一 种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。i e e ep 9 9 6 是p c 和p ca t 工业总线规 范，i e e e 协会将p c i 0 4 定义为i e e ep 9 9 6 1 ，p c i 0 4 总线完全与i s a 总线兼容，它提 供一种机制，将p c 技术嵌入到结实而空间有限的环境中。p c i 0 4 实质上就是一种紧 凑型的i s a ( 工业标准结构) 总线，其信号定义和i s a 总线一致，但电气规范和机械规范 却完全不同，是一种优化、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。 p c i 0 4 与i s a 总线的主要不同是： 小尺寸结构。标准p c i 0 4 模块的机械尺寸是3 6 i n c h x 3 8 i n c h ，即9 6 m m x 9 0 n u n ： 堆栈式连接。去掉总线底板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接 即p c i 0 4 总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合相连，这种层 叠封装有极好的抗震性； ，单+ 5 v 供电，更低的功耗( 典型为i w 模块2 w 模块) 和更小的总线驱动电流 ( 要求6 m a ) ； 。 总线易于扩充。p c i 0 4 模板具有横向的总线信号引出插针，便于使用原p c 机 的x t a t 总线进行扩充； c p u 板的并行口和串行口得到强化。并行口的数据线为双向口，控制线为准双 向口，使用灵活，可以定义为标准p c 机打印口或其它i o 口。串行口可以作为标准p c 的c o i l l 通信口或扩展为控制台串行口，用于键盘输入和显示终端输出或计算机之m 的串行输入输出口。 p c i 0 4 总线与p c a t 总线兼容，并且定义了两种总线形式，分别适用于8 位和1 6 位模式，而且两种形式的p c i 0 4 模块具有相同的尺寸。对于8 位数掘总线模块，总线 信号由板上的6 4 脚的双排插座p i j 1 提供；1 6 位数据总线模块还增加了一个4 0 脚 的双排插座p 2 j 2 。二者分别与p c x t 和p c a t 扩展总线相对应。p c i 0 4 总线与p c a t 总线基本相同，只是为增强可靠性，增加了6 根附加地线( a 3 2 ，b 3 2 ，c o ，d o ，c 1 9 ，d 1 9 ) 。 p c i 0 4 模块最通用的开发方法是通过外接显示器、键盘、硬盘等构成一个最基本的计 算机系统，在此系统上自行开发、调试直至完成系统功能由于p c i 0 4 在硬件和软件 上与普通p c 完全兼容，可利用p c 机丰富的软件和熟悉的硬件缩短开发周期降低成本， 设计中就采用这种方式开发所需的系统软件部分 设计中采用1 6 位数据总线的模式，因为p c i 0 4 总线完全与i s a 总线兼容，下面 is 硪十论文压电陶瓷功率驱动宅源的研究 将以p c a t 为例介绍i o 端口的设计。 p c 机的i 0 端口地址的取值范围只有0 0 0 h 3 f f h ，即只用到了低l o 位地址线a o a 9 ，总共只有1 0 2 4 个字节端口，并且把前5 1 2 个端口( a 0 = 0 ) 被系统主板占用，后5 1 2 个端口( a 0 = 1 ) 中的部分分配给了常规外设。p c a t 机中的i 0 地址空间分配如表i 所 示。 表ii b mp c a t 的端口地址分配表 分类 地址范嗣( h ) i 0 设备端口 0 0 0 o l fd m a 控制器l ，8 2 3 7 m 5 0 2 0 0 3 f 中断控制器h8 2 5 9 a ，主片 系 0 4 0 0 5 f定时器计数器8 2 5 4 2 0 6 0 0 6 f键盘8 0 4 2 统 0 7 0 0 7 f 定时时钟，不可屏蔽中断 0 8 0 0