一種基于以太網的多通道高壓放大系統設計

關 宇, 李學華, 何成君, 陳 俊, 李明華

(成都信息工程大學電子工程學院,四川 成都 610225)

0 引言

壓電陶瓷(piezoelectric ceramics)是一種在受到壓力時兩端會出現電壓或在電場作用下發生機械形變的晶體材料[1]。承擔壓電陶瓷驅動的主要為高壓放大器(HVA),隨著電子技術的不斷發展,對高壓放大器輸出電壓的靈活性、實時性和穩定度都有更高要求。

現階段單獨基于FPGA和MCU的高壓放大系統較多,但將這兩者結合實現從指令輸入到電壓輸出的系統卻較少。胡域[2]和吳薇[3]分別采用MCU和DSP對放大電路進行控制,當輸出通道數較多時,需要依次對每一通道進行配置,很難保證電壓數據的及時更新。范偉等[4]和楊滁光等[5]提出的多通道電壓放大系統利用DAC輸出所需要通道數的模擬低電壓,再分別進行高壓放大以驅動壓電陶瓷形變,如圖1所示,這樣的控制方式雖然結構簡單,但由于HVA功耗高、體積大,造成放大板工作溫度高,加速了器件老化,也不方便移動。

圖1 一對一型壓電陶瓷驅動器

對此提出一種FPGA和STM32相結合的高壓放大系統,其中STM32主要完成與主機通信的功能,包含W5300配置、主機指令解析和D/A數據發送,而FPGA主要負責D/A數據接收和DAC、模擬開關芯片控制時序的實現。系統高壓輸出采用多路分時復用驅動(time sharing multi-plex),如圖2所示,相比于一對一的驅動方式,可以顯著減小HVA的數量。

圖2 多路分時復用壓電陶瓷驅動器

在系統總體設計方案的基礎上,分模塊討論電路實現和軟件設計思路。

1 系統總體設計

如圖3所示,系統可大致分為3個部分:以太網接收部分、數模轉換部分和高壓放大部分。

圖3 系統總體設計框圖

設計中的MCU采用的是ST公司的STM32F103系列,支持 SPI、I2C、USB、UART等多種外設功能,FPGA則采用Xilinx公司Artix7系列的XC7A100T,兩者通過FSMC(flexible static memory control-ler,可變靜態存儲控制器)接口連接。由于每個DAC輸出通道與HVA直接連接,故可以通過減少DAC的輸出通道達到減少HVA數量的目的,但減少DAC通道則需要更多的模擬開關實現160通道的輸出,這將增大掃描周期,無法充分發揮系統實時性的優勢,所以綜合考慮選擇8片16位單通道的AD5760實現系統的數模轉換功能;選擇5片HV2601將8路高壓輸出拓展到160路,該芯片是Microchip公司生產的16通道模擬高壓開關。高壓放大器的型號為LTC6091,是ADI公司設計的雙通道高電壓精準型運算放大器。

高壓放大系統具有如下的功能特點:(1)采用以太網接口,可直接與上位機通信,實現對高壓放大板的控制及D/A數據的實時傳輸。(2)FPGA直接控制DAC器件和模擬開關器件,可實現160通道電壓掃描輸出,掃描時間可控。(3)高壓放大采用同相比例放大+推挽輸出級的形式,具有較強的電流輸出能力。

2 硬件結構設計

2.1 以太網接收電路設計

FSMC是STM32系列采用的一種新型存儲器擴展技術,支持多種靜態存儲器類型和豐富的存儲操作方法,對于可以直接以內存地址空間訪問相應數據的器件來說,可將其作為 STM32的外部存儲器進行操作[6]。以太網接收部分電路連接如圖4所示。

圖4 以太網接收部分硬件連接圖

RJ45接口通過 TD+、TD-、RD+和 RD-4根信號線與W5300通信,分別實現差分發送和差分接收的功能[7]。W5300和FPGA均作為STM32的外置存儲器掛載到FSMC總線上,復用地址總線FSMC_A和數據總線FSMC_D[8],通過片選信號FSMC_NE選擇需要訪問的器件。

2.2 數模轉換電路設計

采用±12 V供電的AD5760時鐘信號(SCLK)、數據線(SDIN、SDIO)和控制信號(SYNC、LDAC)直接連接到FPGA的IO管腳上,如圖5所示。

圖5 數模轉換電路硬件連接圖

根據器件手冊,AD5760的理想傳遞函數如下:

其中D是寫入到DAC的16位二進制數據,設計要求輸出-5～5 V,經過計算得VREF(+)為5 V,VREF(-)為-5 V。參考電壓是能夠始終保持恒定的電壓,與負載、溫漂等參數無關,電壓基準源較直流轉換器(DCDC)和穩壓器(LDO)有較優的電壓穩定度,故采用TL431和LM4041分別實現±5 V的參考電壓,如圖6所示。

圖6 參考電壓發生電路

在實際操作過程中,由于DAC存在偏置誤差(offset error)和增益誤差(gain error)[9],使DAC實際輸出電壓范圍和理論輸出電壓范圍存在偏差,將固定電阻替換成電位器,可對參考電壓進行微調,從而實現對偏差的修正。

2.3 模擬開關電路

如圖7所示,類似數模轉換電路,模擬開關電路也由FPGA直接控制。10片HV2601總共構成160個模擬高壓開關,每個開關分SWA和SWB兩個端口,8路高壓放大電路的輸出按照1對20的關系依次與模擬開關的SWA端口連接,FPGA通過串行信號DIN,向HV2601寫入開關的狀態。若開關導通,電壓通過SWB端口輸出。

圖7 模擬開關電路硬件連接圖

2.4 高壓放大電路設計

單路高壓放大器如圖8所示,高壓放大電路采用三級放大的方式,選用雙通道運放LM158實現前兩級放大電路,其中第一級為電壓跟隨器,起到增大輸入電阻的作用[10],第二級構成同相加法電路。第三級放大電路由兩個三極管2SK1835構成,為共射—共集組合放大電路。前兩級放大電路和第三級放大電路的耦合方式為光電耦合,通過器件HCPL4562實現,光電耦合器的共模抑制比很大,具有很好地抑制干擾并消除噪聲的效果[11]。

圖8 高壓放大電路

經過三級放大,最終實現將-5～5 V電壓放大到-500～500 V驅動壓電陶瓷形變。

3 軟件流程設計

3.1 以太網接收部分軟件設計

系統上電后首先進行時鐘、FSMC總線、以太網控制器W5300等的初始化,之后等待上位機向高壓放大板發送數據幀。收到數據幀后,判斷幀類型,并通過解析幀頭和幀尾來判斷其是否完整,相應回復主機正確或錯誤的應答幀,幀格式見表1～4。若數據幀完整無誤,根據判斷出來的幀類型,解析數據幀中160通道D/A或時間控制參數數據,并將其通過FSMC總線發送到FPGA。該部分流程圖如圖9所示。

圖9 以太網數據接收流程圖

表1 單通道測試幀格式

表2 循環掃描幀格式

表3 掃描時間參數設置幀格式

表4 應答幀格式

3.2 數模轉換和高壓放大部分控制時序

FPGA通過FSMC總線接收到來自STM32的3種類型的數據,如果數據是單通道測試數據,FPGA只需要根據接收到的通道序號控制DAC相應的通道進行數模轉換,并把對應的模擬開關打開,即可輸出指定的電壓;如果數據是掃描時間參數設置,FPGA相應更新內部時間寄存器。這兩種模式控制較簡單,下面對循環掃描的控制方式進行詳細描述。

圖10為在高壓開關控制下,某通道高壓放大器輸出與壓電陶瓷負載電壓之間的關系,當高壓放大器的輸出電壓V1穩定后,打開開關SW1,此時通道1的壓電陶瓷處于充電狀態,經過Ton的時間將開關斷開,充電結束,壓電陶瓷開始緩慢放電,Tsw后對通道2的壓電陶瓷進行相同的操作,當20通道的壓電陶瓷全部充電一輪后,開始新一輪的充電,循環操作以保證每一通道的壓電陶瓷上的電壓穩定。

圖10 循環掃描時序圖

3.3 掃描時間參數設置的必要性

高壓放大器的電壓保持能力直接反映在壓電陶瓷形變保持能力上,是評價壓電陶瓷形變精度的重要參考。壓電陶瓷對驅動電源來說呈現容性負載特性[12],值得注意的是,壓電陶瓷充電迅速,持續時間一般為微秒級,而放電時間卻很長,通常為充電時間的數千倍,達到毫秒級,甚至秒級,這意味著短時間內的放電過程幾乎不會對壓電陶瓷的形變造成影響[10]。

壓電陶瓷的充放電過程由模擬開關的狀態決定,如果開關打開時間過短,壓電陶瓷充電沒到預設電壓就已經開始放電;如果開關斷開時間持續過長,這意味著壓電陶瓷放電時間過長,這兩種情況都會導致電壓的不準確,因此開關打開后和斷開后的持續時間格外重要。

HMS Georgiou等[13]指出,壓電陶瓷充放電特性可用RC電路來描述,如圖11所示。

圖11 循環掃描時序圖

壓電陶瓷等效為泄露電阻Rpzt和電容Cpzt的并聯,高壓放大器等效為電壓源Uo和內阻Rs,電容Cpzt的充電和放電動態過程為

其中τ充和τ放分別為充電和放電的時間常數,當Rpzt?Rs時,兩者可分別表示為

以PZT(鋯鈦酸鉛壓電陶瓷)為例,設Rpzt為1 MΩ,Cpzt為100 nF,高壓放大器輸出電壓Uo為50 V,內阻Rs為100 Ω,經過計算可得其充滿電時間和完全放電時間分別為50 μs(t=5τ充)和500 ms(t=5τ放)。 王濤等[14]給出PZT的壓電敏感系數K為10 nm/V,當PZT位移長度為200 nm時,為了將壓電陶瓷位移誤差控制在1%以內,經過計算充電時間不能少于5.1 μs,放電時間不能大于400 μs。

4 功能測試

分別對單通道和循環掃描兩種模式下電壓輸出進行測試。高壓放大板供電采用穩壓電源APS3003S-3D,數字萬用表采用UNI-T 39A+,分辨率為1 mV,用來顯示電壓值,示波器采用tektronix DPO 4032,用來顯示循環掃描模式下壓電陶瓷上充放電波形。

由于在單通道模式下電壓輸出恒定,對160通道電壓輸出穩定性進行測試(未接壓電陶瓷負載)。出于用電安全考慮,發送命令限定DA輸出-0.5～0.5 V(即放大后電壓-50～50 V),由于實際信號采集容易受到外界的干擾,為測試系統的長期穩定性,每隔個半小時測量一次數據,總共采集3次,取平均值,記錄DA輸出電壓和高壓放大后的電壓,再與命令中所對應輸出的理論電壓進行比較,計算出絕對誤差和相對誤差,兩者定義如下[15]:

其中Vt為理論電壓,Vo為實際測得的電壓,測試結果如表5所示。

表5 測試數據表

經過分析,單通道模式下放大后輸出的電壓和理論電壓相差較小,多次的測量數據表明,當DA輸出范圍限制-0.5～0.5 V時放大后的電壓誤差在5%以內。

對循環掃描模式下壓電陶瓷充放電進行測試,固定DA輸出-0.3 V電壓接示波器通道2(藍色),放大100倍后驅動壓電陶瓷,同時接示波器的通道1(黃色),其中通道1每格表示電壓10 V,通道2每格表示100 mV。通過命令改變Ton和Toff的數值,實現對壓電陶瓷充放電時間的控制,觀察壓電陶瓷驅動電壓波形,如圖12所示。

圖12 循環掃描模式電壓輸出波形

從圖12可以看出,DA輸出電壓基本保持穩定,而壓電陶瓷驅動電壓隨著充放電過程而不斷波動,呈現充電迅速、放電緩慢的特點。當增大Ton時,隨著壓電陶瓷充電時間的增加,電壓更加接近理論放大電壓(-30 V);當增大Toff時,即增大壓電陶瓷放電時間,電壓更接近0 V,因此可以通過合理調整壓電陶瓷充放電時間實現最理想的輸出。

5 結束語

提出一種以太網控制高壓放大板的設計方案,分模塊給出硬件連接圖,對軟件設計流程進行闡述。首先,設計結合STM32和FPGA各自的優勢和特點,利用STM32中的FSMC接口實現對以太網的控制,同時解決STM32與W5300和FPGA之間復雜的通信時序問題;利用FPGA靈活的邏輯可操作性,實現160通道電壓輸出實時性的難題。然后,設計一種三級高壓放大電路,實現電壓百倍的放大。之后,根據壓電陶瓷的充放電特點,提出一種循環掃描的控制高壓放大的方式,彌補了傳統高壓放大器功耗高、體積大的缺點。最后,通過對本設計中的高壓放大板功能測試,驗證本系統具有結構簡單、操作方便和穩定度高的特點。