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压电谐振器双闭环驱动电路设计

2020-03-28 23:09rf射频/无线 人已围观

简介谐振器驱动电路需要实现对谐振器共振频率的跟踪、保持其输出信号的幅值稳定。目前常用的频率跟踪方法有:电流搜索式频率自动跟踪方法和锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)频率跟踪方法前者...

  谐振器驱动电路需要实现对谐振器共振频率的跟踪、保持其输出信号的幅值稳定。目前常用的频率跟踪方法有:电流搜索式频率自动跟踪方法和锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)频率跟踪方法前者通过记录最大电流时的工作频率,以该频率输出交流电压使谐振器谐振,该方法能取得谐振驱动效果,但在实际工作时谐振器的谐振频率会发生漂移,扫频会影响谐振器的正常工作而不适用于实时控制,通常作为复合控制系统中的辅助控制;而PLL频率跟踪方法通过锁相环芯片内部的鉴相器将输入信号与输出信号之间的相位差转换为压控振荡器的控制电压,对振荡器输出信号的频率进行控制。当输出信号频率与输入信号频率相等时,输出信号与输入信号之间的相位差保持恒定。在压电谐振器闭环驱动电路中使用该方法可以锁定闭环回路中谐振器输出信号与驱动信号之间的相位差,对谐振频率跟踪精度高,跟踪带宽大。
  
  谐振器输出信号的稳幅通常通过自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)来实现,AGC技术能够精确控制压电谐振器驱动信号的幅值,实现谐振器输出信号的稳幅。
  
  本文结合PLL控制技术和AGC控制技术各自优点,采用双闭环控制来实现压电谐振器谐振频率的跟踪和输出信号的稳幅。在分析所研究压电谐振器的结构及工作方式的基础上,论述了双闭环驱动电路的实现技术及参数优化。实验结果表明该电路达到了谐振频率跟踪及输出信号稳幅的效果。
  

  1 压电谐振器结构及工作方式

  
  本文研究的压电谐振器结构如图1所示。压电谐振器采用锆钛酸铅(PZT)材料制作,PZT沿Z轴方向极化。在压电陶瓷的上表面分布有驱动电极(Dr+、Dr-)和参考电极(R1-R2)。参考电极位于振子上表面两个棱边的中间位置。
  图1 压电谐振器结构及工作原理图
  图1 压电谐振器结构及工作原理图
  
  压电谐振器工作方式:在驱动电极上施加两路同幅、同频、反相的正弦信号作为驱动电压,参考电极R1上会产生与驱动信号同频但存在一定相位差的感应电荷信号,经过电荷放大器转化为电压量进行检测。当驱动频率与图1所示振动模态谐振频率相同时,振子处于共振状态,此时谐振器输出信号幅值达到最大。
  
  研究发现,由于环境因素(温度、湿度、压强等)的变化会造成振子谐振频率发生漂移。因此,为保证振子时刻处于共振状态,振子驱动电压的频率应跟踪其谐振频率。在谐振状态时,振子参考电极R1输出信号与驱动电压存在恒定的相位差。本文通过PLL锁相频率跟踪控制回路锁定谐振器输出信号与驱动信号之间的相位差,实现共振频率跟踪,确保振子时刻处于共振状态。
  
  在压电振子的实际应用中,其振动幅值应保持恒定。本文采用自动增益闭环负反馈控制技术,来实现振子的稳幅控制。这里将锁相频率跟踪控制和自动增益负反馈稳幅控制统称为振子的双闭环驱动控制。
  

  2 双闭环驱动电路工作机理

  
  压电谐振器双闭环驱动电路总框图如图2所示。其由谐振器、单端转差分驱动电路、AGC稳幅电路和PLL锁相频率跟踪电路四个部分组成。双闭环驱动电路分为PLL锁相闭环控制回路和AGC稳幅闭环控制回路,简化框图分别如图3和4所示。谐振器输出信号经电荷放大器转化为电压信号,锁相环芯片对频率在锁频范围内的电压信号进行频率跟踪,输出幅值固定的方波。方波信号经滤波转变为正弦信号。移相电路用于调节该正弦信号的相位。正弦单端信号经AGC稳幅和单端转差分电路转化为两路同幅、同频、反相的差分信号,然后经过相同的放大倍数K1驱动谐振器。
  图2 压电谐振器闭环驱动电路总框图
  图2 压电谐振器闭环驱动电路总框图
  
  2.1 PLL锁相闭环控制回路
  
  PLL锁相闭环控制回路简化框图如图3所示。根据自激振荡系统稳定的两个条件:(1)幅值平衡条件:H(s)≥1;(2)相位平衡条件:∠H(s)=2kπ(k=1,2,3,…)。其中,H(s)是闭环传递函数。闭环电路稳定工作时,环路中各个部分的相移之和为360°的整数倍。PLL锁相闭环控制回路通过移相电路调节环路中谐振器输出信号与驱动信号之间的相位差,当该相位差与谐振状态下的相位差相同时,谐振器达到共振状态,锁相环芯片可锁定该相位差并对谐振频率进行跟踪。
  图3 PLL锁相闭环控制回路框图
  图3 PLL锁相闭环控制回路框图
  
  2.2AGC稳幅闭环控制回路

  AGC稳幅闭环控制回路简化框图如图4所示,该控制回路核心部件是可变增益放大器(Variable Gain Amplifier,VGA)。VGA的增益由参考电压Vref与VAI之差决定,参考电压Vref设定为恒定值。控制回路中检幅器输出电压VAI可线性量化谐振器电荷放大器输出信号的幅值。当VAI增大时,VGA增益减小,实现对谐振器输出信号的闭环负反馈稳幅控制。
  图4 AGC稳幅闭环控制回路框图
  图4 AGC稳幅闭环控制回路框图

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