保偏光纖環和Y波導調制器直接耦合系統高精度驅動電源設計

姚天龍，趙艷

（北京航空航天大學儀器科學與光學工程學院，北京100191）

在保偏光纖的應用中，特別是在光纖互相連接或者與波導連接時，最為關鍵的是偏振主軸的探測與對軸技術，偏振主軸成功對準后才能進行保偏光纖的連接和耦合等技術。其中，在保偏光纖環與Y波導調制器的直接耦合應用中，兩組件的對軸精度的高低會對保偏光纖器件的性能（偏振串音等）產生很大的影響：當系統對軸精度在1°之內，對應于偏振軸角度誤差產生的尾纖輸出偏振串音優于-35 dB[1]。對軸精度直接影響耦合效果，因此，對保偏光纖環與Y波導直接耦合對軸精度提出了較高的要求[2]。

目前，兩組件直接耦合對軸過程通常采用人工調整的方式，浪費人力、時間，而且對于對軸工藝不熟練的人來說，對軸精度難以得到保障，可操作性比較低[3]。為了克服人工對軸帶來的不足，提出直接耦合偏振軸自動對準技術。要求體統的對軸精度在1°之內，這就對位移臺的定位精度與分辨率提出較高的要求[4]。

而壓電陶瓷致動器（PZT）能夠提供納米級的定位精度，并且具有分辨率高、體積小、輸出力大、頻響高、發熱小和響應速度快等優點，使其幾乎成為精確定位技術中應用的首選儀器，目前已廣泛應用在光學工程、微電子工程、航空航天、精密機械制造等領域[5-8]。然而壓電陶瓷必須要大功率的高壓直流驅動電源才能驅動，而且其位移精度、響應速度和頻響特性直接受驅動電源性能的影響[9]。因此，設計出高精度的優良壓電陶瓷驅動電源是對軸系統自動化改進的關鍵。本設計在分析了壓電陶瓷驅動原理的基礎上，對壓電陶瓷的驅動電源進行了研究，完成了基于TI公司DSP2812為主控芯片的保偏光纖環和Y波導調制器直接耦合自動對軸系統的精密驅動電路設計，并對驅動電路進行了調試測試，實驗結果表明該驅動電路工作可靠，滿足設計需求。

1 驅動電源原理與設計方案

1.1 驅動電源原理

壓電陶瓷微位移驅動系統主要組成部分如圖1所示，主控制器控制信息轉換為有效的命令及數據信息，輸出有效的數字信號來控制D/A轉換器，D/A轉換器把接收到的數字信號轉為模擬信號，提供精密的電壓源來驅動線性放大電路，最終由線性放大電路對電壓進行放大并驅動壓電陶瓷致動器（PZT）運動[10-13]。而精密電壓源是驅動電源的重要組成部分，電壓源的精密與否決定著壓電陶瓷致動器的定位精度，因此驅動電源研制的關鍵技術就是精密電壓源的設計與實現。

圖1 壓電陶瓷微位移驅動系統

1.2 總體設計方案

壓電陶瓷執行器位移-電壓成近似線性關系，則要使壓電陶瓷微位移工作臺得到高分辨力、穩定性好、高頻響的微位移信號，首先必須使其信號控制模塊能夠產生高分辨力、穩定性好、高頻響的控制電壓信號[14]。因此，本設計以DSP2812為核心控制單元，產生壓電陶瓷驅動所需要的控制信號，選用ADI公司的高精度16位D/A轉換器，設計高精度電壓源，使得其輸出的控制電壓信號具有足夠的分辨力。其整體框圖如圖2所示。

圖2 直接耦合對軸系統控制總體框圖

本系統采用TI公司的高性能數字信號處理器TMS320F2812作為主控制器。該款DSP芯片能夠提供高性能并行外擴接口XINTF，對外提供具有標準時序的片選、讀/寫控制信號，并且能夠提供19條地址總線及16條數據總線，擴展能力強，使用方便[7]。設計基于MFC的保偏光纖環尾纖組件與Y波導組件直接耦合的端面圖像采集控制界面，由PC機經過RS232發送控制指令給DSP，DSP將代表兩組件相對位置的角度偏差的數字量通過并行數據接口發送至AD669，AD669將其轉化為相應的模擬電平信號后發送給功率放大器，經過放大后作為壓電陶瓷位移臺的驅動信號，驅動位移臺運動，調整兩組件的相對位置，直至對準。

2 硬件電路設計

2.1 電源電路設計

DSP2812正常工作需要+3.3 V和+1.8 V電源供電，本設計選用了TI公司的TPS767D318電源轉換芯片。如圖3所示，該芯片可以實現雙路穩定電壓輸出，分別為+3.3 V和+1.8 V。

2.2 主控電路設計

主控電路以DSP2812作為核心控制芯片，將DSP2812的XINTF接口與AD669的并行端口通過少量的邏輯電路配合建立連接，為了實現較好的可擴展性，主控電路除了DSP2812正常工作必要的電源、晶振、JATG口、復位電路外，將芯片的通用I/O口均引出，實際應用中用杜邦線將主控電路對應的引腳與線性放大電路對應的接口連接，實現驅動控制信號的輸出與反饋信號的輸入。圖4是DSP2812與單個AD669連接的示意圖。

圖4給出了DSP2812與一片AD669實現通信連接的電路圖，本系統一共使用兩片AD669，另一片使用相同的接口電路，不再重復給出。

2.3 D/A轉換電路的設計

壓電陶瓷執行器位移-電壓成近似線性關系，則要使壓電陶瓷微位移工作臺得到高分辨力、穩定性好的微位移信號，首先必須使其信號控制模塊能夠產生高分辨力、穩定性好的控制電壓信號，而電壓信號的精度受限于D/A模數轉換器的分辨力，其分辨力越高，量化誤差越小，輸出信號的分辨力也越高[15]。本設計選用的是ADI公司的16位數模轉換器AD669，其理論量化誤差最小達到0.153 mV，使得其輸出的控制電壓信號具有足夠的分辨力，滿足系統要求。如圖5所示，該芯片可以實現分辨率為0.153 mV的電壓信號，輸出電壓具體計算公式為：

Vref=10 V，a為寫入數據大小。

圖3 電路電源設計

圖4 主控電路與接口電路

圖5 D/A轉換電路的設計

2.4 緩沖放大電路的設計

緩沖放大器是一種特殊的電路，通常由運算放大器為核心組成，常用于隔離、阻抗匹配、增強電路輸出能力等特殊功能，標準的緩沖放大器就是增益為0 dB（1倍，電壓跟隨器效果），高阻輸入，低阻輸出的放大器[16]。本設計采用放大器LM321作為緩沖放大電路的核心器件，其具有高的負載能力，如圖6所示，LM321增強電路輸出能力，使壓電陶瓷驅動器正常工作。

圖6 緩沖放大電路的設計

3 軟件設計

3.1 程序設計流程圖

使用DSP2812上外擴的兩個單通道DAC芯片來產生直流電壓，DSP2812成為一個簡單的信號發生器。AD669為16位精度的DAC，能夠輸出電壓范圍為±10 V的波形，16位精度的DAC一共有65 536個值，根據方位角轉動量與壓電陶瓷驅動電壓對應關系得到調整電壓，然后再給相應的通道寫數據，從而輸出相應的電壓值。CPU定時器0的周期為250 μs，每一次周期中斷的時候，DAC會輸出一個點，響應周期短，能達到實時調節的目的。程序設計流程圖如圖7所示。

3.2 D/A轉換通道刷新的程序設計

刷新操作是指D/A轉換通道能夠及時鎖存來自CPU的數字量輸入，通過轉化輸出相應的模擬值信號。刷新操作是D/A轉換通道的基本操作，對于本設計來說，要刷新某一通道的模擬量輸出信號，需要向相應的端口地址寫入相應的刷新數據，以DAOUTA為例，給出示例代碼如下：

上例中，先為DAOUTA定義一個指針變量，指向該通道所分配的地址，也就是0x3000；數組data[0]存放該通道參與轉換的數字量。DSP執行上述寫操作時，XINTF的地址總線會發送給0x3000，將DAOUTA通道選通，控制信號XR/W會發送低電平脈沖，使能本次寫操作；數據總線會發送data[0]里存放的數字量，輸出相應的模擬電壓值，其他通道原理相同。至此，D/A轉換通道刷新操作全部完成。

圖7 程序設計流程圖

4 試驗與分析

本設計以工程中保偏光纖環尾纖組件與Y波導組件直接耦合系統為實驗對象，旨在兩組件對準精度達到1°，實現精確對準耦合。保偏光纖環尾纖組件與Y波導組件直接耦合裝置實物圖如圖7所示，該設備主要由六維壓電陶瓷位移臺、觀測CCD、反光棱鏡等組成，通過觀測CCD實時采集保偏光纖環尾纖組件與Y波導組件端面圖像，確定兩組件的相對位置，并通過六維位移臺實時調整。

圖8 保偏光纖環尾纖組件與Y波導組件直接耦合裝置實物圖

測試方案如下：在程序中向D/A轉換通道寫入相同且固定的數字量，并以250 μs為周期進行刷新操作，通過（1）計算理論上得到的輸出電壓幅值，將其作為基準參考與實際測得的模擬信號幅值進行比較，可較為準確的得到轉換精度。通過與線性放大器相連，通過多次測試可得驅動電源的基本性能參數如表1所示。

表1 驅動電源基本性能參數

由表1可知，在1 kHz的輸出電壓0～100 V內，幾乎所有誤差都控制0.5 mV以內，能夠滿足微位移系統0.5 mV的輸出電壓精度；由前文可知驅動電源的響應速度取決于輸出電流的大小，而本設計的持續輸出電流高達1.65 A，可滿足系統精確調整的要求。

5 結 論

文中利用DSP2812作為中央處理單元，外擴兩片D/A轉換器，與線性功率放大器組合實現壓電陶瓷位移臺的驅動控制。DSP使用XINTF接口實現對AD669的驅動控制，使用方便，程序簡單，接口邏輯可靠。實驗證明，所有D/A轉換通道在4 000 Hz的刷新頻率下，精度能達到0.5 mV，使對軸系統能正常工作在1°范圍內，滿足了工程應用的需求，具有廣闊的應用前景。

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