一种基于以太网的多通道高压放大系统设计

关 宇, 李学华, 何成君, 陈 俊, 李明华

(成都信息工程大学电子工程学院,四川 成都 610225)

0 引言

压电陶瓷(piezoelectric ceramics)是一种在受到压力时两端会出现电压或在电场作用下发生机械形变的晶体材料[1]。承担压电陶瓷驱动的主要为高压放大器(HVA),随着电子技术的不断发展,对高压放大器输出电压的灵活性、实时性和稳定度都有更高要求。

现阶段单独基于FPGA和MCU的高压放大系统较多,但将这两者结合实现从指令输入到电压输出的系统却较少。胡域[2]和吴薇[3]分别采用MCU和DSP对放大电路进行控制,当输出通道数较多时,需要依次对每一通道进行配置,很难保证电压数据的及时更新。范伟等[4]和杨滁光等[5]提出的多通道电压放大系统利用DAC输出所需要通道数的模拟低电压,再分别进行高压放大以驱动压电陶瓷形变,如图1所示,这样的控制方式虽然结构简单,但由于HVA功耗高、体积大,造成放大板工作温度高,加速了器件老化,也不方便移动。

图1 一对一型压电陶瓷驱动器

对此提出一种FPGA和STM32相结合的高压放大系统,其中STM32主要完成与主机通信的功能,包含W5300配置、主机指令解析和D/A数据发送,而FPGA主要负责D/A数据接收和DAC、模拟开关芯片控制时序的实现。系统高压输出采用多路分时复用驱动(time sharing multi-plex),如图2所示,相比于一对一的驱动方式,可以显著减小HVA的数量。

图2 多路分时复用压电陶瓷驱动器

在系统总体设计方案的基础上,分模块讨论电路实现和软件设计思路。

1 系统总体设计

如图3所示,系统可大致分为3个部分:以太网接收部分、数模转换部分和高压放大部分。

图3 系统总体设计框图

设计中的MCU采用的是ST公司的STM32F103系列,支持 SPI、I2C、USB、UART等多种外设功能,FPGA则采用Xilinx公司Artix7系列的XC7A100T,两者通过FSMC(flexible static memory control-ler,可变静态存储控制器)接口连接。由于每个DAC输出通道与HVA直接连接,故可以通过减少DAC的输出通道达到减少HVA数量的目的,但减少DAC通道则需要更多的模拟开关实现160通道的输出,这将增大扫描周期,无法充分发挥系统实时性的优势,所以综合考虑选择8片16位单通道的AD5760实现系统的数模转换功能;选择5片HV2601将8路高压输出拓展到160路,该芯片是Microchip公司生产的16通道模拟高压开关。高压放大器的型号为LTC6091,是ADI公司设计的双通道高电压精准型运算放大器。

高压放大系统具有如下的功能特点:(1)采用以太网接口,可直接与上位机通信,实现对高压放大板的控制及D/A数据的实时传输。(2)FPGA直接控制DAC器件和模拟开关器件,可实现160通道电压扫描输出,扫描时间可控。(3)高压放大采用同相比例放大+推挽输出级的形式,具有较强的电流输出能力。

2 硬件结构设计

2.1 以太网接收电路设计

FSMC是STM32系列采用的一种新型存储器扩展技术,支持多种静态存储器类型和丰富的存储操作方法,对于可以直接以内存地址空间访问相应数据的器件来说,可将其作为 STM32的外部存储器进行操作[6]。以太网接收部分电路连接如图4所示。

图4 以太网接收部分硬件连接图

RJ45接口通过 TD+、TD-、RD+和 RD-4根信号线与W5300通信,分别实现差分发送和差分接收的功能[7]。W5300和FPGA均作为STM32的外置存储器挂载到FSMC总线上,复用地址总线FSMC_A和数据总线FSMC_D[8],通过片选信号FSMC_NE选择需要访问的器件。

2.2 数模转换电路设计

采用±12 V供电的AD5760时钟信号(SCLK)、数据线(SDIN、SDIO)和控制信号(SYNC、LDAC)直接连接到FPGA的IO管脚上,如图5所示。

图5 数模转换电路硬件连接图

根据器件手册,AD5760的理想传递函数如下:

其中D是写入到DAC的16位二进制数据,设计要求输出-5～5 V,经过计算得VREF(+)为5 V,VREF(-)为-5 V。参考电压是能够始终保持恒定的电压,与负载、温漂等参数无关,电压基准源较直流转换器(DCDC)和稳压器(LDO)有较优的电压稳定度,故采用TL431和LM4041分别实现±5 V的参考电压,如图6所示。

图6 参考电压发生电路

在实际操作过程中,由于DAC存在偏置误差(offset error)和增益误差(gain error)[9],使DAC实际输出电压范围和理论输出电压范围存在偏差,将固定电阻替换成电位器,可对参考电压进行微调,从而实现对偏差的修正。

2.3 模拟开关电路

如图7所示,类似数模转换电路,模拟开关电路也由FPGA直接控制。10片HV2601总共构成160个模拟高压开关,每个开关分SWA和SWB两个端口,8路高压放大电路的输出按照1对20的关系依次与模拟开关的SWA端口连接,FPGA通过串行信号DIN,向HV2601写入开关的状态。若开关导通,电压通过SWB端口输出。

图7 模拟开关电路硬件连接图

2.4 高压放大电路设计

单路高压放大器如图8所示,高压放大电路采用三级放大的方式,选用双通道运放LM158实现前两级放大电路,其中第一级为电压跟随器,起到增大输入电阻的作用[10],第二级构成同相加法电路。第三级放大电路由两个三极管2SK1835构成,为共射—共集组合放大电路。前两级放大电路和第三级放大电路的耦合方式为光电耦合,通过器件HCPL4562实现,光电耦合器的共模抑制比很大,具有很好地抑制干扰并消除噪声的效果[11]。

图8 高压放大电路

经过三级放大,最终实现将-5～5 V电压放大到-500～500 V驱动压电陶瓷形变。

3 软件流程设计

3.1 以太网接收部分软件设计

系统上电后首先进行时钟、FSMC总线、以太网控制器W5300等的初始化,之后等待上位机向高压放大板发送数据帧。收到数据帧后,判断帧类型,并通过解析帧头和帧尾来判断其是否完整,相应回复主机正确或错误的应答帧,帧格式见表1～4。若数据帧完整无误,根据判断出来的帧类型,解析数据帧中160通道D/A或时间控制参数数据,并将其通过FSMC总线发送到FPGA。该部分流程图如图9所示。

图9 以太网数据接收流程图

表1 单通道测试帧格式

表2 循环扫描帧格式

表3 扫描时间参数设置帧格式

表4 应答帧格式

3.2 数模转换和高压放大部分控制时序

FPGA通过FSMC总线接收到来自STM32的3种类型的数据,如果数据是单通道测试数据,FPGA只需要根据接收到的通道序号控制DAC相应的通道进行数模转换,并把对应的模拟开关打开,即可输出指定的电压;如果数据是扫描时间参数设置,FPGA相应更新内部时间寄存器。这两种模式控制较简单,下面对循环扫描的控制方式进行详细描述。

图10为在高压开关控制下,某通道高压放大器输出与压电陶瓷负载电压之间的关系,当高压放大器的输出电压V1稳定后,打开开关SW1,此时通道1的压电陶瓷处于充电状态,经过Ton的时间将开关断开,充电结束,压电陶瓷开始缓慢放电,Tsw后对通道2的压电陶瓷进行相同的操作,当20通道的压电陶瓷全部充电一轮后,开始新一轮的充电,循环操作以保证每一通道的压电陶瓷上的电压稳定。

图10 循环扫描时序图

3.3 扫描时间参数设置的必要性

高压放大器的电压保持能力直接反映在压电陶瓷形变保持能力上,是评价压电陶瓷形变精度的重要参考。压电陶瓷对驱动电源来说呈现容性负载特性[12],值得注意的是,压电陶瓷充电迅速,持续时间一般为微秒级,而放电时间却很长,通常为充电时间的数千倍,达到毫秒级,甚至秒级,这意味着短时间内的放电过程几乎不会对压电陶瓷的形变造成影响[10]。

压电陶瓷的充放电过程由模拟开关的状态决定,如果开关打开时间过短,压电陶瓷充电没到预设电压就已经开始放电;如果开关断开时间持续过长,这意味着压电陶瓷放电时间过长,这两种情况都会导致电压的不准确,因此开关打开后和断开后的持续时间格外重要。

HMS Georgiou等[13]指出,压电陶瓷充放电特性可用RC电路来描述,如图11所示。

图11 循环扫描时序图

压电陶瓷等效为泄露电阻Rpzt和电容Cpzt的并联,高压放大器等效为电压源Uo和内阻Rs,电容Cpzt的充电和放电动态过程为

其中τ充和τ放分别为充电和放电的时间常数,当Rpzt≫Rs时,两者可分别表示为

以PZT(锆钛酸铅压电陶瓷)为例,设Rpzt为1 MΩ,Cpzt为100 nF,高压放大器输出电压Uo为50 V,内阻Rs为100 Ω,经过计算可得其充满电时间和完全放电时间分别为50 μs(t=5τ充)和500 ms(t=5τ放)。 王涛等[14]给出PZT的压电敏感系数K为10 nm/V,当PZT位移长度为200 nm时,为了将压电陶瓷位移误差控制在1%以内,经过计算充电时间不能少于5.1 μs,放电时间不能大于400 μs。

4 功能测试

分别对单通道和循环扫描两种模式下电压输出进行测试。高压放大板供电采用稳压电源APS3003S-3D,数字万用表采用UNI-T 39A+,分辨率为1 mV,用来显示电压值,示波器采用tektronix DPO 4032,用来显示循环扫描模式下压电陶瓷上充放电波形。

由于在单通道模式下电压输出恒定,对160通道电压输出稳定性进行测试(未接压电陶瓷负载)。出于用电安全考虑,发送命令限定DA输出-0.5～0.5 V(即放大后电压-50～50 V),由于实际信号采集容易受到外界的干扰,为测试系统的长期稳定性,每隔个半小时测量一次数据,总共采集3次,取平均值,记录DA输出电压和高压放大后的电压,再与命令中所对应输出的理论电压进行比较,计算出绝对误差和相对误差,两者定义如下[15]:

其中Vt为理论电压,Vo为实际测得的电压,测试结果如表5所示。

表5 测试数据表

经过分析,单通道模式下放大后输出的电压和理论电压相差较小,多次的测量数据表明,当DA输出范围限制-0.5～0.5 V时放大后的电压误差在5%以内。

对循环扫描模式下压电陶瓷充放电进行测试,固定DA输出-0.3 V电压接示波器通道2(蓝色),放大100倍后驱动压电陶瓷,同时接示波器的通道1(黄色),其中通道1每格表示电压10 V,通道2每格表示100 mV。通过命令改变Ton和Toff的数值,实现对压电陶瓷充放电时间的控制,观察压电陶瓷驱动电压波形,如图12所示。

图12 循环扫描模式电压输出波形

从图12可以看出,DA输出电压基本保持稳定,而压电陶瓷驱动电压随着充放电过程而不断波动,呈现充电迅速、放电缓慢的特点。当增大Ton时,随着压电陶瓷充电时间的增加,电压更加接近理论放大电压(-30 V);当增大Toff时,即增大压电陶瓷放电时间,电压更接近0 V,因此可以通过合理调整压电陶瓷充放电时间实现最理想的输出。

5 结束语

提出一种以太网控制高压放大板的设计方案,分模块给出硬件连接图,对软件设计流程进行阐述。首先,设计结合STM32和FPGA各自的优势和特点,利用STM32中的FSMC接口实现对以太网的控制,同时解决STM32与W5300和FPGA之间复杂的通信时序问题;利用FPGA灵活的逻辑可操作性,实现160通道电压输出实时性的难题。然后,设计一种三级高压放大电路,实现电压百倍的放大。之后,根据压电陶瓷的充放电特点,提出一种循环扫描的控制高压放大的方式,弥补了传统高压放大器功耗高、体积大的缺点。最后,通过对本设计中的高压放大板功能测试,验证本系统具有结构简单、操作方便和稳定度高的特点。