双极性压电陶瓷驱动电源
阅读说明：本技术 双极性压电陶瓷驱动电源 (Bipolar piezoelectric ceramic driving power supply ) 是由 卢倩 邵立 王成阳 张凯凯 赵博文 陈思睿 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双极性压电陶瓷驱动电源,包括稳压电源模块、控制信号发生模块、线性放大电路模块和负载模块,控制信号发生模块的输入端接输入信号,控制信号发生模块的输出端与线性放大电路模块的输入端连接,线性放大电路模块输出电压驱动负载模块,负载模块的输出端与地连接；线性放大电路模块包括用于减少失调电压并将数模转换的模拟电压放大一倍的第一级运放且两通道集成一体、用于将第一级运放模拟电压放大并输出的第二级运放且两通道集成一体。本发明双极性的线性运放压电陶瓷驱动电源是相互独立的,利用两块双通道芯片构成两级双极性运放,具有集成度高、便携、高效率,稳定性高等优点,本发明具有切实可行的实用价值和广泛的应用前景。(The invention discloses a bipolar piezoelectric ceramic driving power supply which comprises a voltage-stabilized power supply module, a control signal generation module, a linear amplification circuit module and a load module, wherein the input end of the control signal generation module is connected with an input signal, the output end of the control signal generation module is connected with the input end of the linear amplification circuit module, the output voltage of the linear amplification circuit module drives the load module, and the output end of the load module is connected with the ground; the linear amplification circuit module comprises a first-stage operational amplifier and two channels which are integrated and used for reducing offset voltage and amplifying analog voltage of digital-to-analog conversion by one time, and a second-stage operational amplifier and two channels which are integrated and used for amplifying the analog voltage of the first-stage operational amplifier and outputting the amplified analog voltage. The bipolar linear operational amplifier piezoelectric ceramic driving power sources are mutually independent, two dual-channel chips are utilized to form two-stage bipolar operational amplifier, and the dual-channel linear operational amplifier piezoelectric ceramic driving power source has the advantages of high integration level, portability, high efficiency, high stability and the like, and has practical and practical value and wide application prospect.)
技术领域
本发明涉及压电陶瓷驱动电源，尤其涉及一种高效率一体式双极性压电陶瓷驱动电源。
背景技术
随着精密工程和微细工程的迅速发展，亚微米和纳米级定位技术和微动伺服技术已成为微机电系统、超精密加工、微电子、光电子和生物工程等前沿学科的关键技术。压电陶瓷(PZT)具有分辨率高、体积小、输出力大、频响高、不发热和响应速度快等优点，是微位移驱动器的首选驱动元件，压电陶瓷的定位精度及频率响应特性与其驱动电源有直接的关系，而压电陶瓷的电容特性对驱动电源的稳定性和动态特性产生了不利的影响。实际使用中，压电陶瓷等效电容随环境影响及输入电压变化有较大波动，影响驱动电源的稳定性。目前5-DOF精密定位平台已经出现，单通道已经不能满足现在的需求，并且压电陶瓷驱动电源电路复杂而且效率低下。
发明内容
发明目的：本发明目的是克服现有技术存在的缺陷并提供一种双极性压电陶瓷驱动电源，该驱动电源简易结构，效率高、一体化、低纹波。
技术方案：一种双极性压电陶瓷驱动电源，包括稳压电源模块、控制信号发生模块、线性放大电路模块和负载模块，
控制信号发生模块的输入端接输入信号，控制信号发生模块的输出端与线性放大电路模块的输入端连接，线性放大电路模块输出电压驱动负载模块，负载模块的输出端与地连接；
稳压电源模块包括正负低压直流电源、正负高压直流电源，正负低压直流电源为控制信号发生模块和线性放大电路模块供电；正负高压直流电源为线性放大电路模块供电；
线性放大电路模块包括用于减少失调电压并将数模转换的模拟电压放大一倍的第一级运放两通道集成一体、用于将第一级运放模拟电压放大并输出的第二级运放两通道集成一体，在第二级运放的输出端添加双通道隔离反馈的稳定性补偿，防止自激振荡。
进一步地，控制信号发生模块包括显示屏和键盘操作所需电压、波形型号及通道，由程序转换成二进制通过接口传输至核心处理调用程序，核心处理的输出端连接数模转换的输入端，将调用的程序传输至数模转换并采用两核数模转换，将接收的数字信号转换成两路模拟电压值输出。
进一步地，线性放大电路模块由两级运放组成，每级运放由两通道组成，每两通道集成于一体，
第一级运放的引脚1至4为A通道，引脚5至8为B通道；
第一级运放的同相端引脚1接电阻R5后接第二级运放的同相端引脚2，引脚1接二极管D1的阳极后接正低压，引脚1接二极管D2的阴极后接负低压；
第一级运放的引脚2接电阻R3后接地，引脚2连接电阻R18后分别与电阻R12的第一端、隔离电阻Riso1的第一端连接，电阻R12的第二端接第二级运放的引脚1，隔离电阻Riso1的第二端接第二级运放的引脚18，电阻R18与电容C15相并联；
第一级运放的引脚3接电阻R1后接入数模转换输出的模拟电压信号；
第一级运放的引脚4接入负低压，引脚4接电容C1正极后接地，电容C1与电容C2相并联；
第一级运放的引脚5接电阻R2后接入数模转换输出的模拟电压信号；
第一级运放的引脚6接电阻R4后接地，引脚6连接电阻R11后分别与电阻R15的第一端、隔离电阻Riso2的第一端连接，电阻R15的第二端接第二级运放的引脚7，隔离电阻Riso2的第二端接第二级运放的引脚15，电阻R11与电容C14相并联；
第一级运放的同相端引脚7接电阻R6后接第二级运放的同相端引脚8；引脚7接二极管D3的阳极后接正低压，引脚7接二极管D4的阴极后接负低压；
第一级运放的引脚8接入正低压，引脚8接电容C3正极后接地，电容C4与电容C3相并联。
进一步地，第二级运放的引脚1至5和引脚16至20为A通道，引脚6至15为B通道；
第二级运放的引脚1接电阻R7后接地，引脚1接二极管D5阳极后接引脚2，引脚1接二极管D6阴极后接引脚2，引脚1和引脚18之间串接电容C10；
第二级运放的引脚3接电阻R13后接电容C11第一端，C11第二端与第二级运放的引脚19相接，C11第二端与电容C12串接后接第二级运放的引脚20；
第二级运放的引脚4依次串接电阻R9、电容C7后接引脚5；
第二级运放的引脚6接入负高压，引脚6接电容C5正极后接地，电容C6与电容C5相并联；引脚6接电容C9第一端，C9第二端接引脚13，C9第二端依次串接电容C8、电阻R10后接引脚10；
第二级运放的引脚7接电阻R8后接地，引脚7接二极管D7阳极后接引脚8，引脚7接二极管D8阴极后接引脚8，引脚15和引脚7之间串接电容C16；
第二级运放的引脚9依次串接电阻R14、电容C13后接引脚11；
第二级运放的引脚12接入正高压，引脚12接电容C17正极后接地，电容C18与电容C17相并联；
第二级运放的引脚14串接电阻R17后接引脚15；
第二级运放的引脚16接入正高压，引脚16接电容C21正极后接地，电容C22与电容C21相并联；
第二级运放的引脚17串接电阻R16后接引脚18；
隔离电阻Riso2的第一端接二极管D11阳极后接入正高压，第一端接二极管D12阴极后接入负高压，第一端接电容Cpzt2后接地；
隔离电阻Riso1的第一端接二极管D9阳极后接入正高压，第一端接二极管D10阴极后接入负高压，第一端接电容Cpzt1后接地。
进一步地，电阻R18和R3为可调电阻，R18和R3比值用于确定A通道的输出电压与输入电压的放大倍数；电阻R11和R4为可调电阻，R11和R4的比值用于确定B通道的输出电压与输入电压的放大倍数，电容C14、C15用于电源的动态跟随。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：
(1)本发明提供了一个新方法，同以往的压电陶瓷驱动电源相比双极性的线性运放压电陶瓷驱动电源都是相互独立的，不是封装在一起环境因素等导致效率降低，利用两块双通道芯片构成两级双极性运放，减少体积、便携、高效率；
(2)本发明A通道、B通道都采用两级运放，可以电压放大一倍减少失调电压；
(3)本发明在每个通道都添加了双通道隔离反馈的稳定性补偿防止自激振荡；
(4)本发明在Cc-A、-VsA和Cc-B、-VsB引脚添加电容，它用来阻止输出端下降沿产生的振荡；
(5)本发明利用单片机设计了一个信号发生器，有着良好的人机交互作用，功能强大，嵌入式开发根据键盘和显示屏选择所需功能，利用数模转换可以进行数据与模拟信号的转换，信号发生器可以发出正弦波、方波、三角波、锯齿波等波形；
(6)本发明是一种高效率、结构简单、一体化、低纹波的驱动电源。
附图说明
图1为本发明压电陶瓷驱动电源总体原理框图；
图2为本发明主电路图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种双极性压电陶瓷驱动电源，包括稳压电源模块、控制信号发生模块、线性放大电路模块和负载模块：
控制信号发生模块的输入端接输入信号，控制信号发生模块的输出端与线性放大电路模块的输入端连接，线性放大电路模块输出电压驱动负载模块，负载模块的输出端与地连接；
稳压电源模块包括正负低压直流电源、正负高压直流电源，正负低压直流电源为控制信号发生模块和线性放大电路模块供电；正负高压直流电源为线性放大电路模块供电；
线性放大电路模块包括用于减少失调电压并将数模转换的模拟电压放大一倍的第一级运放两通道集成一体、用于将第一级运放模拟电压放大并输出的第二级运放两通道集成一体，在第二级运放的输出端添加双通道隔离反馈的稳定性补偿，防止自激振荡。
其中，控制信号发生模块包括显示屏和键盘操作所需电压、波形型号及通道，由程序转换成二进制通过接口传输至核心处理调用程序，核心处理的输出端连接数模转换的输入端，将调用的程序传输至数模转换并采用两核数模转换，将接收的数字信号转换成两路模拟电压值输出。
如图2左半部分所示，线性放大电路模块由两级运放组成，每级运放由两通道组成，每两通道集成于一体，
第一级运放的引脚1至4为A通道，引脚5至8为B通道；
第一级运放的同相端引脚1接电阻R5后接第二级运放的同相端引脚2，引脚1接二极管D1的阳极后接正低压，引脚1接二极管D2的阴极后接负低压；
第一级运放的引脚2接电阻R3后接地，引脚2连接电阻R18后分别与电阻R12的第一端、隔离电阻Riso1的第一端连接，电阻R12的第二端接第二级运放的引脚1，隔离电阻Riso1的第二端接第二级运放的引脚18，电阻R18与电容C15相并联；
第一级运放的引脚3接电阻R1后接入数模转换输出的模拟电压信号；
第一级运放的引脚4接入负低压，引脚4接电容C1正极后接地，电容C1与电容C2相并联；
第一级运放的引脚5接电阻R2后接入数模转换输出的模拟电压信号；
第一级运放的引脚6接电阻R4后接地，引脚6连接电阻R11后分别与电阻R15的第一端、隔离电阻Riso2的第一端连接，电阻R15的第二端接第二级运放的引脚7，隔离电阻Riso2的第二端接第二级运放的引脚15，电阻R11与电容C14相并联；
第一级运放的同相端引脚7接电阻R6后接第二级运放的同相端引脚8；引脚7接二极管D3的阳极后接正低压，引脚7接二极管D4的阴极后接负低压；
第一级运放的引脚8接入正低压，引脚8接电容C3正极后接地，电容C4与电容C3相并联。
优选地，第一级运放芯片采用OPA2277UK，左边为A通道第一级运放通道，右边为B通道第一级运放，供电引脚为V-、V+，负低压为-15V，正低压为+15v，在电源两端添加C1、C2和C3、C4用来把交流滤走，数模转换输出的模拟电压信号接入+INA、+INB同相输入端，-INA、-INB端接大地并且由第二级运放输出端可调电阻R18、R3和可调电阻R11、R4来调节输出端与输入端电压之间的倍数，C15、C14做平滑处理，OUTA、OUTB连接第二级运放+INA、+INB同相输入端，D1、D2为1N4007功能是输出端电压保护。
如图2右半部分所示，第二级运放的引脚1至5和引脚16至20为A通道，引脚6至15为B通道；
第二级运放的引脚1接电阻R7后接地，引脚1接二极管D5阳极后接引脚2，引脚1接二极管D6阴极后接引脚2，引脚1和引脚18之间串接电容C10；
第二级运放的引脚3接电阻R13后接电容C11第一端，C11第二端与第二级运放的引脚19相接，C11第二端与电容C12串接后接第二级运放的引脚20；
第二级运放的引脚4依次串接电阻R9、电容C7后接引脚5；
第二级运放的引脚6接入负高压，引脚6接电容C5正极后接地，电容C6与电容C5相并联；引脚6接电容C9第一端，C9第二端接引脚13，C9第二端依次串接电容C8、电阻R10后接引脚10；
第二级运放的引脚7接电阻R8后接地，引脚7接二极管D7阳极后接引脚8，引脚7接二极管D8阴极后接引脚8，引脚15和引脚7之间串接电容C16；
第二级运放的引脚9依次串接电阻R14、电容C13后接引脚11；
第二级运放的引脚12接入正高压，引脚12接电容C17正极后接地，电容C18与电容C17相并联；
第二级运放的引脚14串接电阻R17后接引脚15；
第二级运放的引脚16接入正高压，引脚16接电容C21正极后接地，电容C22与电容C21相并联；
第二级运放的引脚17串接电阻R16后接引脚18；
隔离电阻Riso2的第一端接二极管D11阳极后接入正高压，第一端接二极管D12阴极后接入负高压，第一端接压电陶瓷Cpzt2后接地；
隔离电阻Riso1的第一端接二极管D9阳极后接入正高压，第一端接二极管D10阴极后接入负高压，第一端接压电陶瓷Cpzt1后接地。
优选地，第二级运放芯片采用PA79DK，上半部分为A通道引脚，下半部分为B通道引脚，采取双路正负供电，+VsA、+VsB为168V，-VsA、-VsB为-168V，C5、C6和C17、C18和C19、C20和C21、C22用来把交流滤走，相位补偿由正补偿R9、C7和R14、C13构成，负补偿由R13、C11和R10、C8构成，可以提高带宽，提高对电路的稳定；在Cc-A、-VsA和Cc-B、-VsB引脚添加C12和C9，它用来阻止输出端下降沿产生的振荡；D5、D6、D7、D8为输入端保护二极管，D9、D10、D11、D12为输出端保护二极管，R16、R17为限流电阻，使AB通道输出电压在180mA左右，使用1W高精度电阻。
运算放大器输出端的内阻与压电叠堆等效电容构成了低通网络，RC网络会使放大器的相位裕度变低，从而导致自激振荡，内阻在PA79DK引脚VOUTA和VOUTB里面，将在VOUTA输出端添加隔离电阻Riso1和反馈电容C10，R12、R7为反馈电阻，在VOUTB输出端添加隔离电阻Rios2和反馈电容C16，R15、R8为反馈电阻，使电路稳定。
本发明的具体实施方式中，未涉及到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。
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