壓電石英晶體具有純度高、分辨率高、方向性好等特點，用它制成的壓電驅動器可以應用于微位移輸出裝置、微型機器人、力發(fā)生裝置、光譜測量等領域。利用壓電石英晶體和硒化鋅(ZnSe)晶體設計出的具有彈光效應的靜態(tài)傅里葉變換干涉具[1-3]，與傳統(tǒng)干涉具相比，具有調(diào)制速度快、光譜范圍寬、光通量大、抗振性好并且結構緊湊等優(yōu)點，這是眾多光譜儀所不能比擬的。壓電晶體的使用離不開相應的驅動控制器，驅動控制器對壓電晶體的振動性能影響很大，因此，壓電晶體驅動控制器技術已成為目前壓電晶體振動應用的關鍵技術[4-8]。

    從提高壓電晶體驅動控制器的電壓、功耗等角度出發(fā)，對傳統(tǒng)壓電陶瓷驅動控制器進行改進，提出了適合靜態(tài)傅里葉變換干涉具壓電石英晶體驅動控制器的方法[9]，結合ZnSe晶體的本征振動頻率和LC諧振網(wǎng)絡的配置[10]，該方法能有效降低電路本身的功率損耗，提供較穩(wěn)定的高壓信號，為彈光調(diào)制器穩(wěn)定工作提供了保障。
1 基于彈光調(diào)制器壓電晶體驅動控制器
    彈光調(diào)制器是一種基于高性能紅外透明光學材料(如熔融石英、氟化鋰、氟化鈣晶體等)光彈效應的偏振調(diào)制器件，利用壓電材料(如壓電石英晶體、壓電陶瓷)在紅外透明光學材料上加以周期性變化的機械力，從而對晶體施加相應的應力，使光學材料共振。
    利用壓電石英晶體的逆壓電效應，在壓電晶體的兩個電極上施加一個交變電壓，將產(chǎn)生一定的機械形變，施加的電壓峰值越高，形變量就越大。文中壓電石英晶體（0.64 cm×1.91 cm×5.08 cm）為長度伸縮振動模式的單轉角切型(xyt)φ1，其中φ1=-18.5°，經(jīng)計算壓電石英晶體本征頻率為50.02 kHz。(xyt)φ1切型壓電石英晶體的壓電方程為：

    壓電石英晶體在諧振時等效于一個很小的電容，充放電速度快、壓電石英晶體純度高、發(fā)熱小、損耗小，所以需要的驅動控制器的功率較小。因此，在彈光調(diào)制器壓電晶體的振動研究中，對壓電晶體驅動電路的設計要求如下：(1)輸出電阻小，具有較強的帶負載能力。只有降低驅動控制器的輸出電阻R，才能使R與壓電晶體等效的電容C所構成的RC回路的時間常數(shù)降低，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。(2)為了達到最佳的振動效果，所設計的驅動控制器的頻率須為50.02 kHz。(3)要求驅動控制器的輸出幅度連續(xù)可調(diào)，波動幅度小、穩(wěn)定性好。
2 驅動控制器設計
    驅動控制器由方波產(chǎn)生電路、功率放大電路、充放電回路和LC諧振網(wǎng)絡四部分組成。方波產(chǎn)生電路由F40型數(shù)字合成信號發(fā)生器提供幅度為0~2 V、頻率為50.02 kHz的信號；功率放大電路為后續(xù)電路提供具有一定驅動能力的電壓信號；LC諧振網(wǎng)絡將電壓放大到所需要的高壓，驅動壓電石英晶體的振動。系統(tǒng)設計的一個最大特點是輸出驅動電壓的大小由可調(diào)直流電源VCC和LC諧振網(wǎng)絡的品質(zhì)因數(shù)決定。

    R3、Q2和CR1又組成了共集電極放大電路，該電路的特點是輸入信號源提供的電流小，可減小信號源的功率容量，電壓放大倍數(shù)小于 1 而接近 1 ，輸出電壓和輸入電壓同相，輸入阻抗高輸出阻抗低、失真小、頻帶寬、工作穩(wěn)定。它用作放大器的中間級，起到緩沖和阻抗匹配的作用，減輕前級的負載 ，提高了整個電路的電壓增益和功率傳輸能力。
2.2 充放電回路
    圖1中構成的功率放大/充放電電流控制部分的功率放大單元電路為準互補甲乙類對稱功率放大電路，給壓電晶體振蕩器提供充放電電流回路。由圖1可知，當輸入信號Vi為低電平時，三極管Q2導通，從而開關管Q3導通，給LC諧振網(wǎng)絡和壓電晶體充電，CR2二極管此時也導通，給三極管Q2又提供了一定的驅動電壓，同時由于三極管Q1的輸入為低電平，Q1管截止，從而使三極管Q4關斷，防止放電回路導通。當輸入方波信號為高電平時，Q1管工作，此時Q3管的基極電壓為低電平，所以此刻Q3管不工作，同時Q4管的基極電壓為高電平，該管導通，為壓電晶體振蕩器提供了放電回路。

    電路中元件參數(shù)設置：電感為5 mH，固定電容為1 800 pF，可調(diào)電容為1~90 pF。具體的工作原理為：電感和電容串聯(lián)，電容器放電，電感開始有一個逆向的反沖電流，電感充電，二極管CR3的作用就是防止反向電壓過高時擊穿三極管Q3，給逆向反沖電壓提供一個放電回路。當電感電壓達到最大時，電容放電完畢，之后電感又開始放電，電容開始充電，往復循環(huán)。電路中的CR4是必不可少的，當LC諧振電路給電容充電時，電容C1、C2的B極板的電子將通過二極管CR4給電感L1提供能量，然后電感存儲的能量給電容充電，充分利用電感中的能量給電容充電，從而Q3的發(fā)射極就可以只需要提供很小的電壓和電流補充LC諧振電路中振動的能量的損耗就能維持整個電路的良好振動性能，這樣就大大降低了電源的功率，也降低了電路的功率損耗。為了達到高壓高精度50.02 kHz的要求，這里選擇的固定電容為美國銀云母高壓高精度電容，具有高頻特性好、溫漂小、容量精確、損耗低等優(yōu)點；可調(diào)電容精確調(diào)節(jié)LC網(wǎng)絡的諧振點；繞制電感線圈的磁環(huán)要求磁損耗小、磁導率低。
3 實驗結果及分析
    為了測試驅動控制器的動態(tài)性能，測試不同直流電源電壓下的輸出電壓。實驗對象為I/FS50型的壓電晶體容性負載，調(diào)制頻率為50.02 kHz。在不同的直流控制電壓UDC下的壓電晶體兩端輸出電壓的測試結果如表1所示。由實驗數(shù)據(jù)可知，驅動控制器的輸出電壓Uout峰峰值可以達到1 500 V。

相比，該驅動控制器可以輸出較高的電壓和較小的功率損耗。
    為了測試彈光調(diào)制器的振動效果，在驅動控制器輸出電壓為1 500 V，驅動兩塊壓電石英晶體帶動本征頻率為50.02 kHz的ZnSe晶體振動，用LV-S01激光多普勒測振儀測試ZnSe晶體的振動結果如圖4、圖5所示，LV-S01激光多普勒測振儀分辨率為1 ?滋m/s，激光光源波長為632.8 nm。

    由圖4、圖5可知，晶體的振動頻率為50.018 kHz，振動位移可以達到4.5 μm，振動位移是單塊的兩倍，實驗結果與理論一致，具有良好的動態(tài)性能和線性度以及輸出電壓紋波小等優(yōu)點，滿足了高精度高頻響的要求。
    本文研制的驅動控制器輸出電阻小、負載能力強、電路結構簡單可靠，響應速度可達到微秒級。輸出電壓峰值高達1 500 V且連續(xù)可調(diào)。最后對電源的整體性能進行測試，通過改變直流電壓的大小，可以改變加在壓電晶體兩端的電壓和ZnSe晶體產(chǎn)生的振動位移，從而實現(xiàn)4.5 μm的振動位移。根據(jù)分析測試數(shù)據(jù)可以得出，本文研制的動態(tài)壓電晶體驅動控制器具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，設計出的驅動控制器滿足了彈光調(diào)制器壓電晶體的實際需要，為彈光調(diào)制器干涉具動態(tài)控制的實現(xiàn)奠定了基礎。
    本文的創(chuàng)新點是不需要高壓直流電源，只需要一個27 V的直流電源就可以產(chǎn)生1 500 V的高壓,很好地驅動了壓電晶體的周期性振動，為設計出高品質(zhì)的彈光干涉具提供了保障。 采用LC諧振網(wǎng)絡產(chǎn)生高壓，脫離了常規(guī)的用高壓運放或者大功率耐高壓MOS管產(chǎn)生高壓，節(jié)省了成本，具有較好的實用性。
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