基于單片機控制多路PZT的驅動(dòng)電路設計

1 引言

在自適應光學(xué)合成孔徑成像系統中，某個(gè)孔徑通道的原始信號相位信息因大氣、載體振 動(dòng)等因素引起發(fā)生變化時(shí)，冗余信息就會(huì )將兩兩通道的變化信息反映出來(lái)，通過(guò)光學(xué)系統提 取出用于冗余間隔校正的信息，經(jīng)過(guò)計算機反饋控制驅動(dòng)電壓鼓完成相位的實(shí)時(shí)校正。我們 在該反饋系統中引入了壓電陶瓷筒PZT 進(jìn)行反饋控制。在外加電場(chǎng)作用下，具有逆壓電效 應的壓電陶瓷材料（PZT）將發(fā)生形變，PZT 筒上的光纖也就會(huì )隨著(zhù)PZT 筒的徑向位移而產(chǎn) 生長(cháng)度的變化,從而改變光波相位。任何 PZT 的使用都離不開(kāi)相應的驅動(dòng)電路，PZT 能否 正常、有效的工作，取決于它的驅動(dòng)電路的性能，對于PZT 進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋控制的系統而言， PZT 驅動(dòng)電路能否線(xiàn)性地進(jìn)行放大，是我們最關(guān)心的問(wèn)題，本文在以往 PZT 驅動(dòng)電路結構 基礎上，利用單片機C8051F005 和新型D/A 轉換器AD5308 成功實(shí)現了多路 PZT 驅動(dòng)電 路的設計。

2 PZT 驅動(dòng)電壓要求

由 PZT 筒實(shí)現的光纖相位調制是把電壓加于PZT 筒上產(chǎn)生壓電效應，使PZT 筒的外徑 周長(cháng)發(fā)生變化，帶動(dòng)纏繞PZT 筒的光纖長(cháng)度及折射率也發(fā)生變化，從而改變光纖內傳輸的 光波相位引起的相位變化，其數學(xué)表達式為：






3 系統硬件設計

根據實(shí)驗要求本系統采用8 位數模轉換精度的AD5308 作為數模轉換芯片，利用 C8051F005 單片機控制AD5308，通過(guò)串行通信口將各個(gè)數據分別送到相應的D/A 轉換通道， 實(shí)現相位差信息轉化為相應模擬電壓的目的。系統主要硬件電路連接如圖1 所示，單片機 C8051F005 通過(guò)SCL（時(shí)鐘線(xiàn)），SDL（數據線(xiàn)），SYINC1（第一片AD5308 片選線(xiàn)）和SYIN2 （第二片AD5308 片選線(xiàn)）與兩片AD5308 相連，數據線(xiàn)SDA 分時(shí)傳送12 路數據，數據刷 新率最低為3HZ。時(shí)鐘線(xiàn)SCL 為后者提供時(shí)鐘信號，單片機通過(guò)片選SYNC1，SYNC2 選 擇其中一片AD5308 工作，在本系統中，C8051F005 的P0.0 引腳與SDA 連接，P0.1 引腳 與 SCL 連接，P1.3 引腳與SYNC1 連接，P1.4 引腳與SYNC2 連接。我們選擇REF195 芯片 作為參考電壓源。同時(shí)為兩片AD5308 提供5V 參考電壓。AD5308 的LDAC 引腳接地。單 片機產(chǎn)生D /A 的時(shí)鐘信號，并通過(guò)串行口將數據發(fā)送給AD5308，經(jīng)AD5308 轉換輸出， 提供驅動(dòng)PZT 所需的電壓信號。

4 系統的軟件實(shí)現

AD5308 數據傳輸方式為字傳輸，輸出電壓范圍取決于控制字中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 則輸出為0V— REF V ， 若取1 則輸出為0V—2 REF V （ REF V 為參考電壓）。本實(shí)驗要求每路電壓輸出均為0-4V，參 考電壓REF V 為5V，因而，我們令D4D5=00。SYNC 引腳是使能引腳，電平觸發(fā)方式，低電 平有效。LDAC 引腳信號啟動(dòng)8 路數據D/A 轉換，低電平有效， AD5308 的串行數據傳輸 時(shí)序如圖2 所示。

由圖可知， SYNC 信號為低電平時(shí)，在時(shí)鐘信號SCLK 的下降沿 ，數據開(kāi)始寫(xiě)入，在 第16 個(gè)SCLK 下降沿之后，SYNC 須置為高電平以停止數據傳輸。如果在第16 個(gè)脈沖下降 沿到來(lái)之前，SYNC 被置為高電平，數據傳輸失敗。之后移位寄存器中的數據將自動(dòng)進(jìn)入所 選擇的DAC 寄存器。DAC 寄存器中的數據在LDAC 控制信號下開(kāi)始轉換更新。單片機向 AD5308 寫(xiě)16 位數據時(shí)高位在先，低位在后。

數據寫(xiě)入方式

設置 MSB（D15 位）為0，表示寫(xiě)入的是數據，D14D13D12=000，表示通道DACA 地 址，001，表示DACB 通道地址，以此類(lèi)推，D14D13D12=111，表示通道DACH 地址，D11-D4 表示8 位待轉換數據。低四位全部置0。例如寫(xiě)入數據0011 0101 0001 0000，表示將數據0101 0001 寫(xiě)入到DAC D 通道。

控制字寫(xiě)入方式

設置 MSB（D15 位）為1，表示寫(xiě)入的是控制字。D14D13=00，表示增益和參考電壓 選擇模式。01：LDAC 工作模式；10：節能模式；11：AD5308 復位模式。在增益和參考電 壓模式下，由（6）式，我們可寫(xiě)入控制字1000 0000 0000 0011，表示使用REF195 作為參 考電壓，增益范圍為0-5V；在LDAC 模式下，寫(xiě)入控制字1010 0000 0000 0000，表示持續 更新DAC 寄存器。在復位模式下，寫(xiě)入控制字1111 0000 0000 0000，表示復位所有寄存器 和控制位。本系統未使用節能模式。

主程序設計

首先對 C8051F005 單片機進(jìn)行初始化，包括晶振初始化、端口初始化、定義控制AD5308 的I/O 接口及交叉開(kāi)關(guān)，接著(zhù)初始化AD5308，裝入各個(gè)控制字，最后寫(xiě)入數據到各個(gè)轉換 通道。AD5308 初始化流程圖如圖3 所示，主程序流程如圖4 所示。

5 實(shí)驗結果

觀(guān)測結果顯示，每個(gè)通道信號頻率約為12.35 赫茲，輸出電壓幅值范圍在4.88V 到5V 之間。滿(mǎn)足實(shí)驗要求的3 赫茲掃描速度，0 到4V 電壓要求。選用8 位的D/A 轉換器，輸出 精度為0.02V，從而相位差校正精度為0.01 弧度，符合實(shí)驗精度要求。圖5 所示是在示波器 上觀(guān)測到的DAC E 通道數模轉換得到的鋸齒波信號。

6 結論

本文采用 C51 語(yǔ)言編寫(xiě)了12 路相位數據的D/A 轉換控制程序。串行數據傳輸方式及8 通道AD5308 數模轉換器的應用，極大的簡(jiǎn)化了系統硬件電路，使得軟件編程也比較簡(jiǎn)單， 可滿(mǎn)足需要控制多路PZT 實(shí)現光纖相位調制的應用。本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：利用新型數模轉換 器AD5308 具有8 通道的特性，采用數據串行傳輸方式，在自適應光學(xué)合成孔徑成像相位實(shí) 時(shí)校正系統中，分時(shí)提供12 路PZT 所需的驅動(dòng)電壓。成功完成相位的實(shí)時(shí)校正。本項目產(chǎn)生經(jīng)濟效益：500 萬(wàn)元以上。