基于单片机控制多路PZT的驱动电路设计

2011-08-27 18:34:05来源: 互联网

 摘要:设计了一种基于C8051F005单片机控制多路PZT(压电陶瓷)的驱动电路,采用串行数据传输的方法,利用新型数模转换器AD5308具有8通道DAC输出的特性,极大的简化了电路设计,给出了硬件系统设计和软件流程图以及主要的软件模块设计。本电路主要用于自适应光学合成孔径成像相位实时校正系统中。结果表明,该电路可以成功为12路PZT提供所需的驱动电压。

  1 引言

  在自适应光学合成孔径成像系统中,某个孔径通道的原始信号相位信息因大气、载体振 动等因素引起发生变化时,冗余信息就会将两两通道的变化信息反映出来,通过光学系统提 取出用于冗余间隔校正的信息,经过计算机反馈控制驱动电压鼓完成相位的实时校正。我们 在该反馈系统中引入了压电陶瓷筒PZT 进行反馈控制。在外加电场作用下,具有逆压电效 应的压电陶瓷材料(PZT)将发生形变,PZT 筒上的光纤也就会随着PZT 筒的径向位移而产 生长度的变化,从而改变光波相位。任何 PZT 的使用都离不开相应的驱动电路,PZT 能否 正常、有效的工作,取决于它的驱动电路的性能,对于PZT 进行动态反馈控制的系统而言, PZT 驱动电路能否线性地进行放大,是我们最关心的问题,本文在以往 PZT 驱动电路结构 基础上,利用单片机C8051F005 和新型D/A 转换器AD5308 成功实现了多路 PZT 驱动电 路的设计。

  2 PZT 驱动电压要求

  由 PZT 筒实现的光纤相位调制是把电压加于PZT 筒上产生压电效应,使PZT 筒的外径 周长发生变化,带动缠绕PZT 筒的光纤长度及折射率也发生变化,从而改变光纤内传输的 光波相位引起的相位变化,其数学表达式为:

 

 

 

 

  3 系统硬件设计

  根据实验要求本系统采用8 位数模转换精度的AD5308 作为数模转换芯片,利用 C8051F005 单片机控制AD5308,通过串行通信口将各个数据分别送到相应的D/A 转换通道, 实现相位差信息转化为相应模拟电压的目的。系统主要硬件电路连接如图1 所示,单片机 C8051F005 通过SCL(时钟线),SDL(数据线),SYINC1(第一片AD5308 片选线)和SYIN2 (第二片AD5308 片选线)与两片AD5308 相连,数据线SDA 分时传送12 路数据,数据刷 新率最低为3HZ。时钟线SCL 为后者提供时钟信号,单片机通过片选SYNC1,SYNC2 选 择其中一片AD5308 工作,在本系统中,C8051F005 的P0.0 引脚与SDA 连接,P0.1 引脚 与 SCL 连接,P1.3 引脚与SYNC1 连接,P1.4 引脚与SYNC2 连接。我们选择REF195 芯片 作为参考电压源。同时为两片AD5308 提供5V 参考电压。AD5308 的LDAC 引脚接地。单 片机产生D /A 的时钟信号,并通过串行口将数据发送给AD5308,经AD5308 转换输出, 提供驱动PZT 所需的电压信号。

1.jpg

  4 系统的软件实现

  AD5308 数据传输方式为字传输,输出电压范围取决于控制字中D4、D5 位,D4 位控 制通道A、B、C、D,D5 位控制通道E、F、G、H。D4、D5 若取0 则输出为0V— REF V , 若取1 则输出为0V—2 REF V ( REF V 为参考电压)。本实验要求每路电压输出均为0-4V,参 考电压REF V 为5V,因而,我们令D4D5=00。SYNC 引脚是使能引脚,电平触发方式,低电 平有效。LDAC 引脚信号启动8 路数据D/A 转换,低电平有效, AD5308 的串行数据传输 时序如图2 所示。

 

 

2.jpg

  由图可知, SYNC 信号为低电平时,在时钟信号SCLK 的下降沿 ,数据开始写入,在 第16 个SCLK 下降沿之后,SYNC 须置为高电平以停止数据传输。如果在第16 个脉冲下降 沿到来之前,SYNC 被置为高电平,数据传输失败。之后移位寄存器中的数据将自动进入所 选择的DAC 寄存器。DAC 寄存器中的数据在LDAC 控制信号下开始转换更新。单片机向 AD5308 写16 位数据时高位在先,低位在后。

  数据写入方式

  设置 MSB(D15 位)为0,表示写入的是数据,D14D13D12=000,表示通道DACA 地 址,001,表示DACB 通道地址,以此类推,D14D13D12=111,表示通道DACH 地址,D11-D4 表示8 位待转换数据。低四位全部置0。例如写入数据0011 0101 0001 0000,表示将数据0101 0001 写入到DAC D 通道。

  控制字写入方式

  设置 MSB(D15 位)为1,表示写入的是控制字。D14D13=00,表示增益和参考电压 选择模式。01:LDAC 工作模式;10:节能模式;11:AD5308 复位模式。在增益和参考电 压模式下,由(6)式,我们可写入控制字1000 0000 0000 0011,表示使用REF195 作为参 考电压,增益范围为0-5V;在LDAC 模式下,写入控制字1010 0000 0000 0000,表示持续 更新DAC 寄存器。在复位模式下,写入控制字1111 0000 0000 0000,表示复位所有寄存器 和控制位。本系统未使用节能模式。

  主程序设计

  首先对 C8051F005 单片机进行初始化,包括晶振初始化、端口初始化、定义控制AD5308 的I/O 接口及交叉开关,接着初始化AD5308,装入各个控制字,最后写入数据到各个转换 通道。AD5308 初始化流程图如图3 所示,主程序流程如图4 所示。

201011200157804.jpg

  5 实验结果

  观测结果显示,每个通道信号频率约为12.35 赫兹,输出电压幅值范围在4.88V 到5V 之间。满足实验要求的3 赫兹扫描速度,0 到4V 电压要求。选用8 位的D/A 转换器,输出 精度为0.02V,从而相位差校正精度为0.01 弧度,符合实验精度要求。图5 所示是在示波器 上观测到的DAC E 通道数模转换得到的锯齿波信号。

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  6 结论

  本文采用 C51 语言编写了12 路相位数据的D/A 转换控制程序。串行数据传输方式及8 通道AD5308 数模转换器的应用,极大的简化了系统硬件电路,使得软件编程也比较简单, 可满足需要控制多路PZT 实现光纤相位调制的应用。本文作者创新点:利用新型数模转换 器AD5308 具有8 通道的特性,采用数据串行传输方式,在自适应光学合成孔径成像相位实 时校正系统中,分时提供12 路PZT 所需的驱动电压。成功完成相位的实时校正。本项目产 生经济效益:500 万元以上。

关键字:驱动电路

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0827/article_8361.html
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