《電子技術(shù)應(yīng)用》
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彈光調(diào)制壓電晶體驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第6期
魏海潮1，張記龍1，2，3，王志斌1，2，3等
1.中北大學(xué) 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西 太原030051； 2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051； 3.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051
摘要： 針對(duì)彈光調(diào)制器需要高壓、小電流雙向正弦電源的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種壓電晶體驅(qū)動(dòng)控制器,主要由功率放大電路、充放電回路、LC諧振電路等部分組成。它能提供正負(fù)輸出，并能對(duì)壓電晶體進(jìn)行快速充放電。輸出正弦電壓頻率為50.018 kHz，峰-峰值電壓可達(dá)1 500 V，ZnSe晶體的最大振動(dòng)位移可以達(dá)到4.5 μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)控制器可滿足壓電晶體的驅(qū)動(dòng)要求。
中圖分類號(hào)： TN722
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)06-0068-04
Design of piezoelectric crystal driving power based on the photoelastic modulator
Wei Haichao1, Zhang Jilong1,2,3, Wang Zhibin1,2,3, Wang Yanchao1, Zhao Dong′e1,2,3
1．Shanxi Provincal Research Center for Opto-electronic Information and Instrument Enginering Technology， North University of China，Taiyuan 030051，China; 2．Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement, Ministry of Education， North University of China，Taiyuan 030051，China; 3．Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China
Abstract： As to the characteristic of photoelastic modulator need the bidirectional high voltage and low current, a driving power for piezoelectric crystal is developed. The driving power is composed of the charging and discharging circuit, LC resonant circuit. It offers the bidirectional voltage and discharges it rapidly. The maximal sinusoidal output voltage can reach up to 1 500 V(peak to peak),and the output frequency is 50.018 kHz. The biggest vibration displacement of ZnSe crystal can attain to 4.5 ?滋m. The experimental results show that the driving power can meet the requirement of the piezoelectric crystal.
Key words : photoelastic modulator；driving power；LC resonant；piezoelectric crystal；ZnSe crystal

    壓電石英晶體具有純度高、分辨率高、方向性好等特點(diǎn)，用它制成的壓電驅(qū)動(dòng)器可以應(yīng)用于微位移輸出裝置、微型機(jī)器人、力發(fā)生裝置、光譜測(cè)量等領(lǐng)域。利用壓電石英晶體和硒化鋅(ZnSe)晶體設(shè)計(jì)出的具有彈光效應(yīng)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(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制器，驅(qū)動(dòng)控制器對(duì)壓電晶體的振動(dòng)性能影響很大，因此，壓電晶體驅(qū)動(dòng)控制器技術(shù)已成為目前壓電晶體振動(dòng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)[4-8]。

    從提高壓電晶體驅(qū)動(dòng)控制器的電壓、功耗等角度出發(fā)，對(duì)傳統(tǒng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行改進(jìn)，提出了適合靜態(tài)傅里葉變換干涉具壓電石英晶體驅(qū)動(dòng)控制器的方法[9]，結(jié)合ZnSe晶體的本征振動(dòng)頻率和LC諧振網(wǎng)絡(luò)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(hào)，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(qū)動(dòng)控制器
    彈光調(diào)制器是一種基于高性能紅外透明光學(xué)材料(如熔融石英、氟化鋰、氟化鈣晶體等)光彈效應(yīng)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(xué)材料上加以周期性變化的機(jī)械力，從而對(duì)晶體施加相應(yīng)的應(yīng)力，使光學(xué)材料共振。
    利用壓電石英晶體的逆壓電效應(yīng)，在壓電晶體的兩個(gè)電極上施加一個(gè)交變電壓，將產(chǎn)生一定的機(jī)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(zhǎng)度伸縮振動(dòng)模式的單轉(zhuǎn)角切型(xyt)φ1，其中φ1=-18.5°，經(jīng)計(jì)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(shí)等效于一個(gè)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(qū)動(dòng)控制器的功率較小。因此，在彈光調(diào)制器壓電晶體的振動(dòng)研究中，對(duì)壓電晶體驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求如下：(1)輸出電阻小，具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。只有降低驅(qū)動(dòng)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(gòu)成的RC回路的時(shí)間常數(shù)降低，從而提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。(2)為了達(dá)到最佳的振動(dòng)效果，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制器的頻率須為50.02 kHz。(3)要求驅(qū)動(dòng)控制器的輸出幅度連續(xù)可調(diào)，波動(dòng)幅度小、穩(wěn)定性好。
2 驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)
    驅(qū)動(dòng)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(luò)四部分組成。方波產(chǎn)生電路由F40型數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器提供幅度為0~2 V、頻率為50.02 kHz的信號(hào)；功率放大電路為后續(xù)電路提供具有一定驅(qū)動(dòng)能力的電壓信號(hào)；LC諧振網(wǎng)絡(luò)將電壓放大到所需要的高壓，驅(qū)動(dòng)壓電石英晶體的振動(dòng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)最大特點(diǎn)是輸出驅(qū)動(dòng)電壓的大小由可調(diào)直流電源VCC和LC諧振網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)是輸入信號(hào)源提供的電流小，可減小信號(hào)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(jí)，起到緩沖和阻抗匹配的作用，減輕前級(jí)的負(fù)載 ，提高了整個(gè)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(gòu)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(zhǔn)互補(bǔ)甲乙類對(duì)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(dāng)輸入信號(hào)Vi為低電平時(shí)，三極管Q2導(dǎo)通，從而開關(guān)管Q3導(dǎo)通，給LC諧振網(wǎng)絡(luò)和壓電晶體充電，CR2二極管此時(shí)也導(dǎo)通，給三極管Q2又提供了一定的驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)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(guān)斷，防止放電回路導(dǎo)通。當(dāng)輸入方波信號(hào)為高電平時(shí)，Q1管工作，此時(shí)Q3管的基極電壓為低電平，所以此刻Q3管不工作，同時(shí)Q4管的基極電壓為高電平，該管導(dǎo)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(shè)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(gè)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(shí)擊穿三極管Q3，給逆向反沖電壓提供一個(gè)放電回路。當(dāng)電感電壓達(dá)到最大時(shí)，電容放電完畢，之后電感又開始放電，電容開始充電，往復(fù)循環(huán)。電路中的CR4是必不可少的，當(dāng)LC諧振電路給電容充電時(shí)，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(chǔ)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(bǔ)充LC諧振電路中振動(dòng)的能量的損耗就能維持整個(gè)電路的良好振動(dòng)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(dá)到高壓高精度50.02 kHz的要求，這里選擇的固定電容為美國(guó)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(diǎn)；可調(diào)電容精確調(diào)節(jié)LC網(wǎng)絡(luò)的諧振點(diǎn)；繞制電感線圈的磁環(huán)要求磁損耗小、磁導(dǎo)率低。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    為了測(cè)試驅(qū)動(dòng)控制器的動(dòng)態(tài)性能，測(cè)試不同直流電源電壓下的輸出電壓。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為I/FS50型的壓電晶體容性負(fù)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(cè)試結(jié)果如表1所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，驅(qū)動(dòng)控制器的輸出電壓Uout峰峰值可以達(dá)到1 500 V。


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

    由圖4、圖5可知，晶體的振動(dòng)頻率為50.018 kHz，振動(dòng)位移可以達(dá)到4.5 μm，振動(dòng)位移是單塊的兩倍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論一致，具有良好的動(dòng)態(tài)性能和線性度以及輸出電壓紋波小等優(yōu)點(diǎn)，滿足了高精度高頻響的要求。
    本文研制的驅(qū)動(dòng)控制器輸出電阻小、負(fù)載能力強(qiáng)、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，響應(yīng)速度可達(dá)到微秒級(jí)。輸出電壓峰值高達(dá)1 500 V且連續(xù)可調(diào)。最后對(duì)電源的整體性能進(jìn)行測(cè)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(dòng)位移，從而實(shí)現(xiàn)4.5 μm的振動(dòng)位移。根據(jù)分析測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出，本文研制的動(dòng)態(tài)壓電晶體驅(qū)動(dòng)控制器具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)出的驅(qū)動(dòng)控制器滿足了彈光調(diào)制器壓電晶體的實(shí)際需要，為彈光調(diào)制器干涉具動(dòng)態(tài)控制的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
    本文的創(chuàng)新點(diǎn)是不需要高壓直流電源，只需要一個(gè)27 V的直流電源就可以產(chǎn)生1 500 V的高壓,很好地驅(qū)動(dòng)了壓電晶體的周期性振動(dòng)，為設(shè)計(jì)出高品質(zhì)的彈光干涉具提供了保障。 采用LC諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生高壓，脫離了常規(guī)的用高壓運(yùn)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(shí)用性。
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