專利名稱：壓電陶瓷驅(qū)動電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及壓電陶瓷驅(qū)動器，特別是一種壓電陶瓷驅(qū)動電源，可以實現(xiàn)對壓電陶瓷驅(qū)動器位移的調(diào)整和精確定位。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷驅(qū)動器(PZT)是一種機電耦合元件，因其體積小(幾立方毫米～幾十立方毫米)、位移分辨率高(納米級)、響應(yīng)速度快(幾十微秒)、輸出力大、換能效率高等優(yōu)點，是目前微位移技術(shù)中比較理想的驅(qū)動元件，廣泛應(yīng)用在光學(xué)精密工程、微機電系統(tǒng)、納米制造技術(shù)、微電子技術(shù)、納米生物工程等領(lǐng)域中。壓電陶瓷的使用性能直接取決于壓電陶瓷驅(qū)動電源的靜態(tài)及動態(tài)特性，因此需要頻率響應(yīng)高，溫漂小，穩(wěn)定性好的壓電陶瓷驅(qū)動電源。目前所使用壓電陶瓷驅(qū)動電源多數(shù)是電壓源，電流是完全不受控制的，驅(qū)動電壓有時會瞬時產(chǎn)生不可控制的脈沖電流，從而產(chǎn)生不可控制的驅(qū)動器加速度，在壓電陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生很大的張應(yīng)力，使壓電陶瓷受到損壞；并且壓電陶瓷的遲滯、蠕變特性也不盡人意。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種壓電陶瓷驅(qū)動電源，要求該電源調(diào)節(jié)方便，控制靈活，溫漂小，穩(wěn)定性好，并可以控制充電電流，改善壓電陶瓷驅(qū)動器的遲滯、蠕變特性。
本實用新型的技術(shù)解決方案如下一種壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于它由計算機接口電路、單片機、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、手動旋鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、電壓誤差放大器、高壓放大器、電流調(diào)節(jié)器、輸出級和電流傳感器組成，其連接關(guān)系如下所述的計算機接口電路的輸出端接所述的單片機的輸入端，該單片機的輸出端接所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的受控端，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述的手動旋鈕的輸出端同時接所述的轉(zhuǎn)換開關(guān)，該轉(zhuǎn)換開關(guān)與輸出級的輸出端分別接所述的電壓誤差放大器的兩個輸入端，該電壓誤差放大器的輸出端接所述的高壓放大器的輸入端，該高壓放大器的輸出端與所述的電流調(diào)節(jié)器的輸出端同時接輸出級的輸入端，該輸出級的輸出端接所述的壓電陶瓷驅(qū)動器的正極，該壓電陶瓷驅(qū)動器的負極接所述的電流傳感器和所述的電流調(diào)節(jié)器的輸入端的節(jié)點，該電流傳感器的另一端接地。
所述的電壓誤差放大器由第6電阻、第7電阻、第14電阻、第15電阻，集成運算放大器組成；第6電阻的一端接上一級的輸入信號Vin，該第6電阻的另一端接集成運算放大器的反相輸入端，第7電阻的一端接集成運算放大器的同相輸入端，第7電阻的另一端接第14電阻和第15電阻的節(jié)點，第14電阻的另一端接壓電陶瓷驅(qū)動器的正極，第15電阻的另一端接地。
所述的高壓放大器由信號放大電路和恒流源負載電路組成所述的信號放大電路由晶體三極管、第8電阻、第9電阻、第10電阻、第2穩(wěn)壓二極管、第3穩(wěn)壓二極管、第2MOS管和第2電容組成，所述的晶體三極管的基極接集成運算放大器的輸出端，該晶體三極管的集電極接地，而晶體三極管的發(fā)射極接第8電阻和第9電阻的節(jié)點，該第8電阻的另一端接低壓直流電源，第9電阻的另一端接第2MOS管的柵極和第3穩(wěn)壓二極管的陰極，第3穩(wěn)壓二極管的陽極接低壓直流電源，第2MOS管的源級與低壓直流電源之間跨接第10電阻和第2電容，第2MOS管的漏極接第2穩(wěn)壓二極管的陽極；所述的恒流源負載電路由第1電阻、第2電阻、第3電阻、可變電阻、第1穩(wěn)壓二極管、電解電容和第1MOS管組成第1MOS管的漏極接所述的第2穩(wěn)壓二極管的陰極，第1MOS管的源級與高壓直流電源之間跨接第3電阻，第1MOS管的柵極接第2電阻，該第2電阻的另一端接可變電阻的滑動端和電解電容的負極，該可變電阻的一端接電解電容的正極、第1穩(wěn)壓二極管的陰極和高壓直流電源(Hv)的節(jié)點，可變電阻的另一端接第1穩(wěn)壓二極管的陽極和第1電阻的節(jié)點，該第1電阻的另一端接地。
所述的電流傳感器是用電阻(Rs)來實現(xiàn)電流與電壓信號的轉(zhuǎn)換的。
所述的電流調(diào)節(jié)器用光耦二極管構(gòu)成的，用來控制充電電流大??；電阻(Rs)一端接壓電陶瓷驅(qū)動器的負極端和光耦二極管的陽極，所述的電阻(Rs)的另一端接地和光耦二極管的陰極，光耦二極管的集電極接第2穩(wěn)壓二極管的陰極，光耦二極管的發(fā)射極接壓電陶瓷驅(qū)動器的正極，所述的輸出級由第4電阻、第5電阻、第11電阻、第12電阻、第13電阻、第1二極管、第3二極管、第2肖特基二極管、第4肖特基二極管、第3MOS管和第4MOS管組成第5電阻的一端接第2MOS管的漏極和第2穩(wěn)壓二極管的節(jié)點，該第5電阻的另一端接第4MOS管的柵極，第4MOS管的漏極接第4肖特基二極管的陽極和低壓直流電源，第4MOS管的源極接第3二極管的陰極，第3二極管的陽極接第4肖特基二極管的陰極和第12電阻的節(jié)點，第12電阻的另一端接第11電阻和第13電阻的節(jié)點，該第13電阻的另一端接所述的壓電陶瓷驅(qū)動器的正極，第4電阻的一端接第2穩(wěn)壓二極管的陰極，該第4電阻的另一端接第3MOS管的柵極，第3MOS管的源極接第2肖特基二極管的陽極和第11電阻，第3MOS管的漏極接第1二極管的陰極，第1二極管的陽極接第2肖特基二極管的陰極和高壓直流電源。
上述的壓電陶瓷驅(qū)動電源中，所述的壓電陶瓷驅(qū)動器的位移量由一位移傳感器測量，該位移傳感器的輸出端接單片機，與壓電陶瓷驅(qū)動電源構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。
本實用新型中，引入電流調(diào)節(jié)器8的作用是控制電流大小，并可改善壓電陶瓷驅(qū)動器的遲滯、蠕變特性。同時，本實用新型可以通過計算機控制輸出驅(qū)動電壓，并可以通過軟件編程以數(shù)字方式產(chǎn)生諸如三角波、方波、正弦等驅(qū)動信號；也可以通過切換轉(zhuǎn)換開關(guān)，使用手動旋鈕進行手動調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動電壓，以滿足特殊需要；具有調(diào)節(jié)方便，控制靈活的特點。


圖1為本實用新型壓電陶瓷驅(qū)動電源實施例1的結(jié)構(gòu)框圖圖2為本實用新型實施例1的電路結(jié)構(gòu)示意圖圖3為本實用新型實施例2的結(jié)構(gòu)框圖具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作詳細說明，但不應(yīng)以此限制本實用新型的保護范圍。
實施例1先請參閱圖1，是本實施例1的結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，本實用新型壓電陶瓷驅(qū)動電源，是由計算機接口電路1、單片機2、數(shù)模轉(zhuǎn)換器3、手動旋鈕4、轉(zhuǎn)換開關(guān)5、電壓誤差放大器6、高壓放大器7、電流調(diào)節(jié)器8、輸出級9和電流傳感器10組成，其連接關(guān)系如下所述的計算機接口電路1的輸出端接所述的單片機2的輸入端，該單片機2的輸出端接所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器3的受控端，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器3的輸出端與所述的手動旋鈕4的輸出端同時接所述的轉(zhuǎn)換開關(guān)5，該轉(zhuǎn)換開關(guān)5與輸出級9的輸出端分別接所述的電壓誤差放大器6的兩個輸入端，該電壓誤差放大器6的輸出端接所述的高壓放大器7的輸入端，該高壓放大器7的輸出端與所述的電流調(diào)節(jié)器8的輸出端同時接輸出級9的輸入端，該輸出級9的輸出端接所述的壓電陶瓷驅(qū)動器11的正極，該壓電陶瓷驅(qū)動器11的負極接所述的電流傳感器10和所述的電流調(diào)節(jié)器8的輸入端的節(jié)點，該電流傳感器10的另一端接地。
本實用新型更詳細具體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
所述的電壓誤差放大器6由第6電阻R6、第7電阻R7、第14電阻R14、第15電阻R15，集成運算放大器U1組成；第6電阻R6的一端接上一級的輸入信號Vin，該第6電阻R6的另一端接集成運算放大器U1的反相輸入端，第7電阻R7的一端接集成運算放大器U1的同相輸入端，第7電阻R7的另一端接第14電阻R14和第15電阻R15的節(jié)點，第14電阻R14的另一端接壓電陶瓷驅(qū)動器11的正極，第15電阻R15的另一端接地。
所述的高壓放大器7由信號放大電路7-1和恒流源負載電路7-2組成所述的信號放大電路7-1由晶體三極管T1、第8電阻R8、第9電阻R9、第10電阻R10、第2穩(wěn)壓二極管Z2、第3穩(wěn)壓二極管Z3、第2MOS管M2和第2電容C2組成，所述的晶體三極管T1的基極接集成運算放大器U1的輸出端，該晶體三極管T1的集電極接地，而晶體三極管T1的發(fā)射極接第8電阻R8和第9電阻R9的節(jié)點，該第8電阻R8的另一端接低壓直流電源Lv，第9電阻R9的另一端接第2MOS管M2的柵極和第3穩(wěn)壓二極管Z3的陰極，第3穩(wěn)壓二極管Z3的陽極接低壓直流電源Lv，第2MOS管M2的源級與低壓直流電源Lv之間跨接第10電阻R10和第2電容C2，第2MOS管M2的漏極接第2穩(wěn)壓二極管Z2的陽極；所述的恒流源負載電路7-2由第1電阻R1、第2電阻R2、第3電阻R3、可變電阻VR、第1穩(wěn)壓二極管Z1、電解電容C1和第1MOS管M1組成第1MOS管M1的漏極接所述的第2穩(wěn)壓二極管Z2的陰極，第1MOS管M1的源級與高壓直流電源Hv之間跨接第3電阻R3，第1MOS管M1的柵極接第2電阻R2，該第2電阻R2的另一端接可變電阻VR的滑動端和電解電容C1的負極，可變電阻VR的一端接電解電容C1的正極、第1穩(wěn)壓二極管Z1的陰極和高壓直流電源Hv的節(jié)點，可變電阻VR的另一端接第1穩(wěn)壓二極管Z1的陽極和第1電阻R1的節(jié)點，該第1電阻R1的另一端接地。
所述的電流傳感器10是用意電阻Rs來實現(xiàn)電流與電壓信號的轉(zhuǎn)換的。
所述的電流調(diào)節(jié)器8用光耦二極管U2構(gòu)成，來控制充電電流大?。浑娮鑂s的一端接壓電陶瓷驅(qū)動器11的負極端和光耦二極管U2的陽極，所述的電阻Rs的另一端接地和光耦二極管U2的陰極，光耦二極管U2的集電極接第2穩(wěn)壓二極管Z2的陰極，光耦二極管U2的發(fā)射極接壓電陶瓷驅(qū)動器11的正極，所述的輸出級9由第4電阻R4、第5電阻R5、第11電阻R11、第12電阻R12、第13電阻R13、第1二極管D1、第3二極管D3、第2肖特基二極管D2、第4肖特基二極管D4、第3MOS管M3、第4MOS管M4組成第5電阻R5的一端接第2MOS管M2的漏極和第2穩(wěn)壓二極管Z2的節(jié)點，該第5電阻R5的另一端接第4MOS管M4的柵極，第4MOS管M4的漏極接第4肖特基二極管D4的陽極和低壓直流電源Lv，第4MOS管M4的源極接第3二極管D3的陰極，第3二極管D3的陽極接第4肖特基二極管D4的陰極和第12電阻R12的節(jié)點，第12電阻R12的另一端接第11電阻R11和第13電阻R13的節(jié)點，該第13電阻R13的另一端接所述的壓電陶瓷驅(qū)動器11的正極，第4電阻R4的一端接第2穩(wěn)壓二極管Z2的陰極，該第4電阻R4的另一端接第3MOS管M3的柵極，第3MOS管M3的源極接第2肖特基二極管D2的陽極和第11電阻R11，第3MOS管M3的漏極接第1二極管D1的陰極，第1二極管D1的陽極接第2肖特基二極管D2的陰極和高壓直流電源Hv。
經(jīng)實驗證明，本實用新型壓電陶瓷驅(qū)動電源，不僅可以向壓電陶瓷驅(qū)動器提供穩(wěn)定的驅(qū)動電壓，而且可以控制充電電流，改善了壓電陶瓷驅(qū)動器的遲滯、蠕變特性。具有穩(wěn)定性好，溫漂小，調(diào)節(jié)方便，控制靈活的特點。
實施例2實施例2與實施例1的不同點是針對壓電陶瓷驅(qū)動器11，壓電陶瓷驅(qū)動器11的位移量由位移傳感器12測量，該位移傳感器12的輸出端接所述的單片機2。本壓電陶瓷驅(qū)動器的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，可以達到納米級精確定位。經(jīng)實驗證明，定位精度可達5nm。
權(quán)利要求1.一種壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于它由計算機接口電路(1)、單片機(2)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)、手動旋鈕(4)、轉(zhuǎn)換開關(guān)(5)、電壓誤差放大器(6)、高壓放大器(7)、電流調(diào)節(jié)器(8)、輸出級(9)和電流傳感器(10)組成，其連接關(guān)系如下所述的計算機接口電路(1)的輸出端接所述的單片機(2)的輸入端，該單片機(2)的輸出端接所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)的受控端，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)的輸出端與所述的手動旋鈕(4)的輸出端同時接所述的轉(zhuǎn)換開關(guān)(5)，該轉(zhuǎn)換開關(guān)(5)與輸出級(9)的輸出端分別接所述的電壓誤差放大器(6)的兩個輸入端，該電壓誤差放大器(6)的輸出端接所述的高壓放大器(7)的輸入端，該高壓放大器(7)的輸出端與所述的電流調(diào)節(jié)器(8)的輸出端同時接輸出級(9)的輸入端，該輸出級(9)的輸出端接所述的壓電陶瓷驅(qū)動器(11)的正極，該壓電陶瓷驅(qū)動器(11)的負極接所述的電流傳感器(10)和所述的電流調(diào)節(jié)器(8)的輸入端的節(jié)點，該電流傳感器(10)的另一端接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于所述的電壓誤差放大器(6)由第6電阻(R6)、第7電阻(R7)、第14電阻(R14)、第15電阻(R15)，集成運算放大器U1組成；第6電阻(R6)的一端接上一級的輸入信號Vin，該第6電阻(R6)的另一端接集成運算放大器(U1)的反相輸入端，第7電阻(R7)的一端接集成運算放大器(U1)的同相輸入端，第7電阻(R7)的另一端接第14電阻(R14)和第15電阻(R15)的節(jié)點，第14電阻(R14)的另一端接壓電陶瓷驅(qū)動器(11)的正極，第15電阻(R15)的另一端接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于所述的高壓放大器(7)由信號放大電路(7-1)和恒流源負載電路(7-2)組成所述的信號放大電路(7-1)由晶體三極管(T1)、第8電阻(R8)、第9電阻(R9)、第10電阻(R10)、第2穩(wěn)壓二極管(Z2)、第3穩(wěn)壓二極管(Z3)、第2MOS管(M2)和第2電容(C2)組成，所述的晶體三極管(T1)的基極接集成運算放大器(U1)的輸出端，該晶體三極管(T1)的集電極接地，而晶體三極管(T1)的發(fā)射極接第8電阻(R8)和第9電阻(R9)的節(jié)點，該第8電阻(R8)的另一端接低壓直流電源(Lv)，第9電阻(R9)的另一端接第2MOS管(M2)的柵極和第3穩(wěn)壓二極管(Z3)的陰極，第3穩(wěn)壓二極管(Z3)的陽極接低壓直流電源(Lv)，第2MOS管(M2)的源級與低壓直流電源(Lv)之間跨接第10電阻(R10)和第2電容(C2)，第2MOS管(M2)的漏極接第2穩(wěn)壓二極管(Z2)的陽極；所述的恒流源負載電路(7-2)由第1電阻(R1)、第2電阻(R2)、第3電阻(R3)、可變電阻(VR)、第1穩(wěn)壓二極管(Z1)、電解電容(C1)和第1MOS管(M1)組成第1MOS管(M1)的漏極接所述的第2穩(wěn)壓二極管(Z2)的陰極，第1MOS管(M1)的源級與高壓直流電源(Hv)之間跨接第3電阻(R3)，第1MOS管(M1)的柵極接第2電阻(R2)，該第2電阻(R2)的另一端接可變電阻(VR)的滑動端和電解電容(C1)的負極，可變電阻(VR)的一端接電解電容(C1)的正極、第1穩(wěn)壓二極管(Z1)的陰極和高壓直流電源(Hv)的節(jié)點，可變電阻(VR)的另一端接第1穩(wěn)壓二極管(Z1)的陽極和第1電阻(R1)的節(jié)點，該第1電阻(R1)的另一端接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于所述的電流傳感器(10)是用電阻(Rs)來實現(xiàn)電流與電壓信號的轉(zhuǎn)換的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于所述的電流調(diào)節(jié)器(8)用光耦二極管(U2)構(gòu)成，來控制充電電流大?。浑娮?Rs)一端接壓電陶瓷驅(qū)動器(11)的負極端和光耦二極管U2的陽極，所述的電阻(Rs)的另一端接地和光耦二極管U2的陰極，光耦二極管(U2)的集電極接第2穩(wěn)壓二極管(Z2)的陰極，光耦二極管(U2)的發(fā)射極接壓電陶瓷驅(qū)動器(11)的正極，
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于所述的輸出級(9)由第4電阻(R4)、第5電阻(R5)、第11電阻(R11)、第12電阻(R12)、第13電阻(R13)、第1二極管(D1)、第3二極管(D3)、第2肖特基二極管(D2)、第4肖特基二極管(D4)，第3MOS管(M3)、第4MOS管(M4)組成第5電阻(R5)的一端接第2MOS管(M2)的漏極和第2穩(wěn)壓二極管(Z2)的節(jié)點，該第5電阻(R5)的另一端接第4MOS管(M4)的柵極，第4MOS管(M4)的漏極接第4肖特基二極管(D4)的陽極和低壓直流電源(Lv)，第4MOS管(M4)的源極接第3二極管(D3)的陰極，第3二極管(D3)的陽極接第4肖特基二極管(D4)的陰極和第12電阻(R12)的節(jié)點，第12電阻(R12)的另一端接第11電阻(R11)和第13電阻(R13)的節(jié)點，該第13電阻(R13)的另一端接所述的壓電陶瓷驅(qū)動器(11)的正極，第4電阻(R4)的一端接第2穩(wěn)壓二極管(Z2)的陰極，該第4電阻(R4)的另一端接第3MOS管(M3)的柵極，第3MOS管(M3)的源極接第2肖特基二極管(D2)的陽極和第11電阻(R11)，第3MOS管(M3)的漏極接第1二極管(D1)的陰極，第1二極管(D1)的陽極接第2肖特基二極管(D2)的陰極和高壓直流電源(Hv)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的的壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于所述的壓電陶瓷驅(qū)動器(11)的位移量由一位移傳感器(12)測量，該位移傳感器(12)的輸出端接單片機(2)，與壓電陶瓷驅(qū)動電源構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。
專利摘要一種壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于它由計算機接口電路、單片機、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、手動旋鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、電壓誤差放大器、高壓放大器、電流調(diào)節(jié)器、輸出級和電流傳感器組成。本實用新型電源調(diào)節(jié)方便，控制靈活，溫漂小，穩(wěn)定性好，并可以控制充電電流，改善了壓電陶瓷驅(qū)動器的遲滯、蠕變特性。
文檔編號H02N2/00GK2829104SQ200520045940
公開日2006年10月18日 申請日期2005年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者王斌, 趙智亮, 王勇, 薄鋒, 朱健強 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所