0 引言

    數(shù)字共焦顯微技術(shù)是20世紀(jì)末興起的一種新技術(shù)^[1]。該技術(shù)利用傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡采集生物樣本序列切片圖像，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行去卷積圖像復(fù)原處理, 獲取高清晰的細(xì)胞序列顯微圖像, 最后通過三維重構(gòu), 實(shí)現(xiàn)高分辨率的細(xì)胞層析和三維顯示^[2]。為了獲得生物樣本的等間距序列切片圖像，廣西大學(xué)課題組采用細(xì)分步進(jìn)電機(jī)控制精密載物臺的方法，實(shí)現(xiàn)了焦平面最小0.156 μm的間距移動^[2]。但由于步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械震動性以及機(jī)械吻合度等原因，容易產(chǎn)生誤差。目前，采用壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制物鏡與載物臺之間進(jìn)行亞微米級等間距步進(jìn)的方法是獲得等間距生物樣本序列切片圖像的有效方法之一^[3]。壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器有著分辨率高、體積小、響應(yīng)速度快、輸出力大、低功耗、無噪音等優(yōu)點(diǎn)^[4]。

    目前，國內(nèi)外針對壓電陶瓷控制電源技術(shù)已有一定的研究，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的電源采用了數(shù)控電位器與高壓功率運(yùn)放相結(jié)合的方案，但該電源不適合動態(tài)應(yīng)用，且電路過于復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]采用7路LM317串聯(lián)，通過PWM調(diào)節(jié)光電耦合器來控制輸出電壓，但由于LM317動態(tài)應(yīng)用時(shí)反應(yīng)慢，難以滿足本設(shè)計(jì)要求。文獻(xiàn)[7]提出的電壓反饋式開關(guān)型壓電陶瓷驅(qū)動電源方案，動態(tài)帶寬完，但開關(guān)管噪聲紋波輸出較大，難以滿足本文的實(shí)際應(yīng)用。因此，本文針對本壓電陶瓷的性能，提出了采用橋式運(yùn)放與小功率三極管相結(jié)合的電源設(shè)計(jì)方案。本文開展壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制電源的研究，在傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡上發(fā)展數(shù)字共焦顯微技術(shù)具有重要意義。

1 電源的設(shè)計(jì)要求分析

    本課題研究的數(shù)字共焦顯微系統(tǒng)的物鏡驅(qū)動器件選用XP-721.SL的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器。該壓電陶瓷主要參數(shù)為輸入電壓范圍0～+150 V，對應(yīng)控制行程范圍0～100 μm，閉環(huán)最小分辨率5 nm；等效靜電容量C=3.6 μF，響應(yīng)頻率F₀=200 Hz；在動態(tài)應(yīng)用驅(qū)動時(shí)最大開環(huán)額定功率為P=5 W。

    針對在動態(tài)應(yīng)用中驅(qū)動容性負(fù)載時(shí)的輸出額定功率計(jì)算如式(1)，負(fù)載峰值電流計(jì)算公如式(2)^[8]。

    根據(jù)額定功率P=5 W，C=3.6 μF，U_pp=150 V，由式(1)和式(2)可得峰值電流I_max≈105 mA。由于壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)功率不能超過額定功率，因此本文驅(qū)動電源輸出(吸收)峰值電流達(dá)100 mA即可滿足要求^[3]。

    本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字共焦顯微系統(tǒng)要求采集光學(xué)切片圖像的最小間隔為50 nm，對應(yīng)壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的驅(qū)動電壓為75 mV；而壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器最小響應(yīng)時(shí)間T_min如式(3)^[8]。

    根據(jù)響應(yīng)頻率F₀=200 Hz，故T_min≈1.7 ms。當(dāng)壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的充電時(shí)間小于T_min時(shí)，壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的位置輸出會在第三個(gè)振蕩周期后穩(wěn)定^[8]。根據(jù)以上分析，本文驅(qū)動電源應(yīng)能夠輸出幅度最小75 mV時(shí)的方波響應(yīng)頻率為300 Hz以上。同時(shí)該電源還應(yīng)具有較好的線性度與穩(wěn)定性，為減少誤差，輸出電壓紋波應(yīng)小于15 mV。

2 全橋式電源設(shè)計(jì)

    基于以上分析，本文驅(qū)動電源應(yīng)實(shí)現(xiàn)0～150 V電壓輸出，步進(jìn)分辨率達(dá)到75 mV，輸出峰值電流達(dá)±100 mA；在動態(tài)應(yīng)用時(shí)，步進(jìn)頻率達(dá)300 Hz以上。因此本文電源設(shè)計(jì)方案主要考慮小功率高壓運(yùn)放對DAC輸出電壓放大；同時(shí)為增強(qiáng)輸出電源，采用了小功率推挽三極管作為輸出。

2.1 電源的總體構(gòu)成

    本文控制電源采用橋式運(yùn)放與小功率三極管相結(jié)合的電源設(shè)計(jì)方案，電源總體構(gòu)成如圖1所示，主要由微控制器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）、高壓放大器、直流供電系統(tǒng)以及過流過壓保護(hù)電路組成。

2.2 全橋式高壓放大電路設(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)的H橋式高壓放大電路模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，由兩個(gè)高壓運(yùn)放組成，A₁為主放大器，放大倍數(shù)為AV₁的計(jì)算公式如式（4）所示；A₂為從放大器，其輸出電壓為A₁輸出電壓的反相跟隨，因此該高壓放大放電路的總放大倍數(shù)為2倍的AV₁。PZT為壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器負(fù)載。

    根據(jù)本文電源的設(shè)計(jì)要求，圖2的橋式放大器輸出電壓為0～150 V，因此單個(gè)運(yùn)放的輸出至少為±75 V才能滿足控制電源的輸出要求。本文采用運(yùn)放芯片型號為LTC6090-5作為主從運(yùn)放，LTC6090-5總供電電壓為140 V，允許單電源或者雙電源供電，該芯片為軌到軌輸出。LTC6090-5內(nèi)部最大電源電流為3.9 mA，能輸出或者吸收50 mA電流，為提高容性負(fù)載的驅(qū)動能力，在主從運(yùn)放輸出增加了小功率推挽三極管電路，具體電路如圖3所示。主放大電路為同相輸入放大電路，將DAC輸出的小信號0～4.096 V電壓放大到0～75 V；從放大電路為反相放大電路，放大倍數(shù)為-1，其輸出電壓大小為0～-75 V；從而保證了在圖3中V+與V-之間能輸出電壓信號為0～150 V。

    根據(jù)電源指標(biāo)要求最大能輸出±100 mA電流，在主從運(yùn)放的輸出端加入了小功率推挽三極管電路；根據(jù)要求最大輸出額定功率P=5 W，由于采用H橋電路，功率加倍，因此主從放大電路最大輸出額定功率為2.5 W。在動態(tài)應(yīng)用時(shí)三極管Q1、Q2、Q3、Q4的集電極損耗的最大值為最大輸出功率的1/5^[6]，即0.5 W。綜上分析，三極管的選擇應(yīng)滿足集電極-基極間電壓150 V以上，集電極電流100 mA以上，集電極損耗為0.5 W。如圖3所示推挽三極管基極沒有加偏置電路，基極電流由運(yùn)放提供，主從運(yùn)放電路都引入了深度負(fù)反饋，因此在輸出端不會產(chǎn)生交越失真，也保證了負(fù)載所需要的電流均由三極管提供，提高了小信號輸出時(shí)的電流驅(qū)動能力^[9]。

2.3 過流過壓保護(hù)電路

    根據(jù)式（1）、式（2）可知本文電源的最大額定功率及最大輸出電流由動態(tài)應(yīng)用時(shí)輸出的峰值壓和頻率決定，在正常應(yīng)用中可由微控制器設(shè)定輸出幅度及頻率，使得輸出功率在額定功率以下。同時(shí)圖3中R9為電流采樣電阻，可通過差分運(yùn)放對采樣電阻上的電壓進(jìn)行放大，本文中采用LT1990專用H橋電流采樣芯片對輸出電流進(jìn)行監(jiān)控，該芯片將采樣電阻兩端形成的電壓進(jìn)行10倍放大后輸出，可由微控制器控制ADC對電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，若輸出電流過大，則由微控制器輸出控制信號到LTC6090-5的停機(jī)保護(hù)引腳OD，立刻停止輸出，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。圖3中由電阻R6、R16對單端輸出電壓進(jìn)行分壓，由微控制器控制ADC實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出電壓，確保輸出電壓不超過最大電壓150 V，若電壓過大，同樣由微控制器輸出停機(jī)控制信號給OD，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。LTC6090-5芯片的TF腳為芯片過熱保護(hù)輸出信號，主放大器電路中TF由微控制器進(jìn)行檢測，若芯片溫度過高，則由微控制器輸出停機(jī)信號，實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)；從放大器電路中TF與OD相連，當(dāng)芯片溫度超過140°時(shí)，芯片將進(jìn)入過熱保護(hù)停機(jī)狀態(tài)^[10]。

2.4 直流供電系統(tǒng)

    本文壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器電源需要供電電壓為±80 V，±5 V。采用4組獨(dú)立可調(diào)的三端穩(wěn)壓芯片串聯(lián)作為±80 V電壓輸出，選用的三端穩(wěn)壓芯片型號為LM317HV，輸出電壓1.27～50 V可調(diào)，輸出電源最高可達(dá)1.5 A，輸入與輸出的最大電壓差60 V，能較好的滿足本文電源的供電要求?！? V直流電壓由常用的7805/7905芯片供電。

2.5 微控制器及數(shù)模轉(zhuǎn)換器選擇

    微控制器選擇STC12系列單片機(jī)，型號為STC12C5A60S2，兼容51單片機(jī)指令，開發(fā)簡單，自帶8通道10位ADC功能，能滿足本文的要求。數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）選擇根據(jù)本電源設(shè)計(jì)要求最小輸出分辨率為75 mV，DAC基準(zhǔn)電壓為4.096 V；當(dāng)DAC輸出4.096 V電壓時(shí)，對應(yīng)本文電源輸出電壓為150 V，因此要求電源放大倍數(shù)為150 V/4.096 V，約等于36.6倍。若采用12位的DAC芯片，DAC最小輸出電壓為1 mV，經(jīng)過高壓放大器放大后最終電源輸出36.6 mV，該電壓約為要求電源輸出最小分辨率電壓75 mV的1/2倍，考慮到系統(tǒng)紋波等因素，12位DAC不符合要求。本文DAC選擇16位以上，采用型號為LTC2641-16作為DAC芯片，該芯片與微控制器之間采用SPI通信，速度達(dá)50 MHz，輸出電壓設(shè)置時(shí)間1 μs，符合本文要求。

3 電源性能測試與分析

    本文電源性能的測試均在以下條件進(jìn)行：壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的等效負(fù)載為3.6 μF的電容，因此測試時(shí)采用標(biāo)稱容量為4 μF電容作為測試負(fù)載；測試儀器有帶寬100 MHz的示波器型號DS1102E和安捷倫6位萬用表型號為U1231A；以下測量的波形圖繪制均為采用示波器測試后通過示波器USB口將波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，再利用MATLAB軟件繪制波形圖。

3.1 電源峰值電流輸出

    圖4為本文驅(qū)動電源輸出峰值150 V，62 Hz的正弦波的波形圖，波形沒有失真，按式（1）、（2）可知，輸出功率達(dá)5.02 W，輸出電流達(dá)105 mA，證明本文驅(qū)動電源在動態(tài)應(yīng)用時(shí)能滿足本文壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的額定功率及最大電流要求。圖5為輸出150 V值時(shí)的階躍上升以及下降波形圖，上升和下降時(shí)間約為5 ms。

    根據(jù)階躍電壓驅(qū)動容性負(fù)載時(shí)峰值電流計(jì)算如式（5）^[11]，其中Uvpp=150 V，t=5 ms，計(jì)算得峰值電流I_max=108 mA，滿足本文電源最大輸出100 mA的指標(biāo)要求。

3.2 線性度測試

    用微控制器控制DAC輸出0～4.0 V電壓，步進(jìn)0.5 V，將該電壓輸入到圖3電路的輸入，用萬用表測量負(fù)載電壓，記錄數(shù)據(jù)，圖6為輸入輸出電壓測試數(shù)據(jù)坐標(biāo)圖，最大輸出誤差出現(xiàn)在輸入為0 V，此時(shí)的輸出誤差為0.016 V，因此求得線性度為0.01%，實(shí)驗(yàn)表明該電源線性度高。

3.3 紋波測試

    壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的定位準(zhǔn)確度與電源紋波的大小有關(guān)直接關(guān)系，本系統(tǒng)采用的XP-721.SL型壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器有著10 mV紋波對應(yīng)約為6.7 nm的輸出誤差。紋波測試采用示波器的交流輸入，測量負(fù)載端輸出電壓0～150 V，步進(jìn)值為15 V，測量數(shù)據(jù)記錄如表1所示，總體上紋波在13 mV以內(nèi)，符合本文電源的紋波指標(biāo)要求。

3.4 小幅度方波信號響應(yīng)

    本文分別測試了電源輸出為3.77 V與75 mV，頻率均為300 Hz的小幅度方波信號，波形圖如圖7所示，在輸出額定功率下，波形沒有出現(xiàn)過沖或者震蕩的情況，測試證明小幅度步進(jìn)響應(yīng)速度快，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

    采用高壓運(yùn)放及小功率三極管H橋式電路的方式，設(shè)計(jì)了一種專門應(yīng)用于數(shù)字共焦顯微儀壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的控制電源。其利用了壓電陶瓷的單極性驅(qū)動特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了不對稱電源供電方式，提高了控制電源系統(tǒng)的效率。同時(shí)該電源具有體積小、成本低及方波信號響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)了對輸出電流電壓采樣監(jiān)控的保護(hù)電路，保證了電源輸出的穩(wěn)定性與可靠性，能滿足本壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的控制電源要求。 

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作者信息：

黃世玲1，2，陳  華1，林廣升1

（1.廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西 南寧530004；2.南寧學(xué)院 機(jī)電與質(zhì)量技術(shù)工程學(xué)院，廣西 南寧530200）