保偏光纖環(huán)和Y波導(dǎo)調(diào)制器直接耦合系統(tǒng)高精度驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

姚天龍，趙艷

（北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光學(xué)工程學(xué)院，北京100191）

在保偏光纖的應(yīng)用中，特別是在光纖互相連接或者與波導(dǎo)連接時(shí)，最為關(guān)鍵的是偏振主軸的探測(cè)與對(duì)軸技術(shù)，偏振主軸成功對(duì)準(zhǔn)后才能進(jìn)行保偏光纖的連接和耦合等技術(shù)。其中，在保偏光纖環(huán)與Y波導(dǎo)調(diào)制器的直接耦合應(yīng)用中，兩組件的對(duì)軸精度的高低會(huì)對(duì)保偏光纖器件的性能（偏振串音等）產(chǎn)生很大的影響：當(dāng)系統(tǒng)對(duì)軸精度在1°之內(nèi)，對(duì)應(yīng)于偏振軸角度誤差產(chǎn)生的尾纖輸出偏振串音優(yōu)于-35 dB[1]。對(duì)軸精度直接影響耦合效果，因此，對(duì)保偏光纖環(huán)與Y波導(dǎo)直接耦合對(duì)軸精度提出了較高的要求[2]。

目前，兩組件直接耦合對(duì)軸過(guò)程通常采用人工調(diào)整的方式，浪費(fèi)人力、時(shí)間，而且對(duì)于對(duì)軸工藝不熟練的人來(lái)說(shuō)，對(duì)軸精度難以得到保障，可操作性比較低[3]。為了克服人工對(duì)軸帶來(lái)的不足，提出直接耦合偏振軸自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。要求體統(tǒng)的對(duì)軸精度在1°之內(nèi)，這就對(duì)位移臺(tái)的定位精度與分辨率提出較高的要求[4]。

而壓電陶瓷致動(dòng)器（PZT）能夠提供納米級(jí)的定位精度，并且具有分辨率高、體積小、輸出力大、頻響高、發(fā)熱小和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，使其幾乎成為精確定位技術(shù)中應(yīng)用的首選儀器，目前已廣泛應(yīng)用在光學(xué)工程、微電子工程、航空航天、精密機(jī)械制造等領(lǐng)域[5-8]。然而壓電陶瓷必須要大功率的高壓直流驅(qū)動(dòng)電源才能驅(qū)動(dòng)，而且其位移精度、響應(yīng)速度和頻響特性直接受驅(qū)動(dòng)電源性能的影響[9]。因此，設(shè)計(jì)出高精度的優(yōu)良?jí)弘娞沾沈?qū)動(dòng)電源是對(duì)軸系統(tǒng)自動(dòng)化改進(jìn)的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)在分析了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行了研究，完成了基于TI公司DSP2812為主控芯片的保偏光纖環(huán)和Y波導(dǎo)調(diào)制器直接耦合自動(dòng)對(duì)軸系統(tǒng)的精密驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了調(diào)試測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該驅(qū)動(dòng)電路工作可靠，滿足設(shè)計(jì)需求。

1 驅(qū)動(dòng)電源原理與設(shè)計(jì)方案

1.1 驅(qū)動(dòng)電源原理

壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要組成部分如圖1所示，主控制器控制信息轉(zhuǎn)換為有效的命令及數(shù)據(jù)信息，輸出有效的數(shù)字信號(hào)來(lái)控制D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器把接收到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)，提供精密的電壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)線性放大電路，最終由線性放大電路對(duì)電壓進(jìn)行放大并驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷致動(dòng)器（PZT）運(yùn)動(dòng)[10-13]。而精密電壓源是驅(qū)動(dòng)電源的重要組成部分，電壓源的精密與否決定著壓電陶瓷致動(dòng)器的定位精度，因此驅(qū)動(dòng)電源研制的關(guān)鍵技術(shù)就是精密電壓源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

圖1 壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

壓電陶瓷執(zhí)行器位移-電壓成近似線性關(guān)系，則要使壓電陶瓷微位移工作臺(tái)得到高分辨力、穩(wěn)定性好、高頻響的微位移信號(hào)，首先必須使其信號(hào)控制模塊能夠產(chǎn)生高分辨力、穩(wěn)定性好、高頻響的控制電壓信號(hào)[14]。因此，本設(shè)計(jì)以DSP2812為核心控制單元，產(chǎn)生壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)所需要的控制信號(hào)，選用ADI公司的高精度16位D/A轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)高精度電壓源，使得其輸出的控制電壓信號(hào)具有足夠的分辨力。其整體框圖如圖2所示。

圖2 直接耦合對(duì)軸系統(tǒng)控制總體框圖

本系統(tǒng)采用TI公司的高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812作為主控制器。該款DSP芯片能夠提供高性能并行外擴(kuò)接口XINTF，對(duì)外提供具有標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序的片選、讀/寫(xiě)控制信號(hào)，并且能夠提供19條地址總線及16條數(shù)據(jù)總線，擴(kuò)展能力強(qiáng)，使用方便[7]。設(shè)計(jì)基于MFC的保偏光纖環(huán)尾纖組件與Y波導(dǎo)組件直接耦合的端面圖像采集控制界面，由PC機(jī)經(jīng)過(guò)RS232發(fā)送控制指令給DSP，DSP將代表兩組件相對(duì)位置的角度偏差的數(shù)字量通過(guò)并行數(shù)據(jù)接口發(fā)送至AD669，AD669將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬電平信號(hào)后發(fā)送給功率放大器，經(jīng)過(guò)放大后作為壓電陶瓷位移臺(tái)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)，調(diào)整兩組件的相對(duì)位置，直至對(duì)準(zhǔn)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

DSP2812正常工作需要+3.3 V和+1.8 V電源供電，本設(shè)計(jì)選用了TI公司的TPS767D318電源轉(zhuǎn)換芯片。如圖3所示，該芯片可以實(shí)現(xiàn)雙路穩(wěn)定電壓輸出，分別為+3.3 V和+1.8 V。

2.2 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路以DSP2812作為核心控制芯片，將DSP2812的XINTF接口與AD669的并行端口通過(guò)少量的邏輯電路配合建立連接，為了實(shí)現(xiàn)較好的可擴(kuò)展性，主控電路除了DSP2812正常工作必要的電源、晶振、JATG口、復(fù)位電路外，將芯片的通用I/O口均引出，實(shí)際應(yīng)用中用杜邦線將主控電路對(duì)應(yīng)的引腳與線性放大電路對(duì)應(yīng)的接口連接，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的輸出與反饋信號(hào)的輸入。圖4是DSP2812與單個(gè)AD669連接的示意圖。

圖4給出了DSP2812與一片AD669實(shí)現(xiàn)通信連接的電路圖，本系統(tǒng)一共使用兩片AD669，另一片使用相同的接口電路，不再重復(fù)給出。

2.3 D/A轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

壓電陶瓷執(zhí)行器位移-電壓成近似線性關(guān)系，則要使壓電陶瓷微位移工作臺(tái)得到高分辨力、穩(wěn)定性好的微位移信號(hào)，首先必須使其信號(hào)控制模塊能夠產(chǎn)生高分辨力、穩(wěn)定性好的控制電壓信號(hào)，而電壓信號(hào)的精度受限于D/A模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨力，其分辨力越高，量化誤差越小，輸出信號(hào)的分辨力也越高[15]。本設(shè)計(jì)選用的是ADI公司的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD669，其理論量化誤差最小達(dá)到0.153 mV，使得其輸出的控制電壓信號(hào)具有足夠的分辨力，滿足系統(tǒng)要求。如圖5所示，該芯片可以實(shí)現(xiàn)分辨率為0.153 mV的電壓信號(hào)，輸出電壓具體計(jì)算公式為：

Vref=10 V，a為寫(xiě)入數(shù)據(jù)大小。

圖3 電路電源設(shè)計(jì)

圖4 主控電路與接口電路

圖5 D/A轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

2.4 緩沖放大電路的設(shè)計(jì)

緩沖放大器是一種特殊的電路，通常由運(yùn)算放大器為核心組成，常用于隔離、阻抗匹配、增強(qiáng)電路輸出能力等特殊功能，標(biāo)準(zhǔn)的緩沖放大器就是增益為0 dB（1倍，電壓跟隨器效果），高阻輸入，低阻輸出的放大器[16]。本設(shè)計(jì)采用放大器LM321作為緩沖放大電路的核心器件，其具有高的負(fù)載能力，如圖6所示，LM321增強(qiáng)電路輸出能力，使壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器正常工作。

圖6 緩沖放大電路的設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)流程圖

使用DSP2812上外擴(kuò)的兩個(gè)單通道DAC芯片來(lái)產(chǎn)生直流電壓，DSP2812成為一個(gè)簡(jiǎn)單的信號(hào)發(fā)生器。AD669為16位精度的DAC，能夠輸出電壓范圍為±10 V的波形，16位精度的DAC一共有65 536個(gè)值，根據(jù)方位角轉(zhuǎn)動(dòng)量與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系得到調(diào)整電壓，然后再給相應(yīng)的通道寫(xiě)數(shù)據(jù)，從而輸出相應(yīng)的電壓值。CPU定時(shí)器0的周期為250 μs，每一次周期中斷的時(shí)候，DAC會(huì)輸出一個(gè)點(diǎn)，響應(yīng)周期短，能達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的目的。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

3.2 D/A轉(zhuǎn)換通道刷新的程序設(shè)計(jì)

刷新操作是指D/A轉(zhuǎn)換通道能夠及時(shí)鎖存來(lái)自CPU的數(shù)字量輸入，通過(guò)轉(zhuǎn)化輸出相應(yīng)的模擬值信號(hào)。刷新操作是D/A轉(zhuǎn)換通道的基本操作，對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，要刷新某一通道的模擬量輸出信號(hào)，需要向相應(yīng)的端口地址寫(xiě)入相應(yīng)的刷新數(shù)據(jù)，以DAOUTA為例，給出示例代碼如下：

上例中，先為DAOUTA定義一個(gè)指針變量，指向該通道所分配的地址，也就是0x3000；數(shù)組data[0]存放該通道參與轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。DSP執(zhí)行上述寫(xiě)操作時(shí)，XINTF的地址總線會(huì)發(fā)送給0x3000，將DAOUTA通道選通，控制信號(hào)XR/W會(huì)發(fā)送低電平脈沖，使能本次寫(xiě)操作；數(shù)據(jù)總線會(huì)發(fā)送data[0]里存放的數(shù)字量，輸出相應(yīng)的模擬電壓值，其他通道原理相同。至此，D/A轉(zhuǎn)換通道刷新操作全部完成。

圖7 程序設(shè)計(jì)流程圖

4 試驗(yàn)與分析

本設(shè)計(jì)以工程中保偏光纖環(huán)尾纖組件與Y波導(dǎo)組件直接耦合系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，旨在兩組件對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到1°，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)耦合。保偏光纖環(huán)尾纖組件與Y波導(dǎo)組件直接耦合裝置實(shí)物圖如圖7所示，該設(shè)備主要由六維壓電陶瓷位移臺(tái)、觀測(cè)CCD、反光棱鏡等組成，通過(guò)觀測(cè)CCD實(shí)時(shí)采集保偏光纖環(huán)尾纖組件與Y波導(dǎo)組件端面圖像，確定兩組件的相對(duì)位置，并通過(guò)六維位移臺(tái)實(shí)時(shí)調(diào)整。

圖8 保偏光纖環(huán)尾纖組件與Y波導(dǎo)組件直接耦合裝置實(shí)物圖

測(cè)試方案如下：在程序中向D/A轉(zhuǎn)換通道寫(xiě)入相同且固定的數(shù)字量，并以250 μs為周期進(jìn)行刷新操作，通過(guò)（1）計(jì)算理論上得到的輸出電壓幅值，將其作為基準(zhǔn)參考與實(shí)際測(cè)得的模擬信號(hào)幅值進(jìn)行比較，可較為準(zhǔn)確的得到轉(zhuǎn)換精度。通過(guò)與線性放大器相連，通過(guò)多次測(cè)試可得驅(qū)動(dòng)電源的基本性能參數(shù)如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)電源基本性能參數(shù)

由表1可知，在1 kHz的輸出電壓0～100 V內(nèi)，幾乎所有誤差都控制0.5 mV以內(nèi)，能夠滿足微位移系統(tǒng)0.5 mV的輸出電壓精度；由前文可知驅(qū)動(dòng)電源的響應(yīng)速度取決于輸出電流的大小，而本設(shè)計(jì)的持續(xù)輸出電流高達(dá)1.65 A，可滿足系統(tǒng)精確調(diào)整的要求。

5 結(jié) 論

文中利用DSP2812作為中央處理單元，外擴(kuò)兩片D/A轉(zhuǎn)換器，與線性功率放大器組合實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷位移臺(tái)的驅(qū)動(dòng)控制。DSP使用XINTF接口實(shí)現(xiàn)對(duì)AD669的驅(qū)動(dòng)控制，使用方便，程序簡(jiǎn)單，接口邏輯可靠。實(shí)驗(yàn)證明，所有D/A轉(zhuǎn)換通道在4 000 Hz的刷新頻率下，精度能達(dá)到0.5 mV，使對(duì)軸系統(tǒng)能正常工作在1°范圍內(nèi)，滿足了工程應(yīng)用的需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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