摘要:壓電陶瓷變壓器是諧振體，只有在驅(qū)動電壓的頻率等于壓電陶瓷的固有頻率時，變壓器才能處于諧振狀態(tài)，進(jìn)行有效的電壓輸出。而實(shí)際上壓電陶瓷變壓器的諧振頻率常常受到負(fù)載阻抗、環(huán)境因數(shù)的影響而發(fā)生變化。為了得到最佳輸出，需要跟蹤諧振頻率的變化對驅(qū)動頻率進(jìn)行自動調(diào)整，另外又由于壓電陶瓷變壓器的輸出阻抗很大，當(dāng)負(fù)載變化時，輸出電壓隨之變化，難以滿足高壓電源輸出電壓穩(wěn)定性的技術(shù)要求，因此也需要一種調(diào)整電路對輸出高壓進(jìn)行自動調(diào)整。本儀器用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對壓電陶瓷的諧振頻率的自動跟蹤，保證壓電陶瓷的最佳工作狀態(tài)，滿足壓電陶瓷動態(tài)應(yīng)用時期驅(qū)動電源的要求。

　　關(guān)健詞：壓電陶瓷;自動控制;穩(wěn)定電源

　　Abstract: piezoelectric ceramic transformer is a resonant body, only the driving voltage frequency equal to the natural frequency of piezoelectric ceramic transformer, in order to resonant state, effective voltage output. But in fact the piezoelectric ceramic transformer resonant frequency is often affected by the load impedance, environment change. In order to obtain the best output, need to track changes in the resonant frequency of the driving frequency is automatically adjusted, and the piezoelectric ceramic transformer output impedance, when the load changes, the output voltage changes, can not meet the high voltage power supply output voltage stability and technical requirements, so it needs an adjustment circuit on the output voltage automatically adjustment. The instruments used to achieve single-chip for piezoelectric ceramic resonator frequency automatic tracking, guarantee the best working state of piezoelectric ceramics, piezoelectric ceramic dynamic application period to meet the drive power demand.

　　Key words: piezoelectric ceramic; automatic control; power supply stability

　　中途分類號：TF762+.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編碼：

　　本儀器硬件電路包括CPU部分、D/A轉(zhuǎn)換、運(yùn)放電路、信號發(fā)生電路、驅(qū)動電路、反饋、隔離電路等, 原理框圖見圖1

　　由原理框圖可見，從CPU發(fā)出的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行運(yùn)算放大，放大后的電壓量驅(qū)動信號發(fā)生電路，產(chǎn)生的信號經(jīng)放大后驅(qū)動負(fù)載，最后由反饋隔離電路反饋回CPU，進(jìn)行輸出調(diào)整，使輸出滿足負(fù)載的電壓要求。具體電路如圖2所示。

　　一、CPU外圍電路

　　如圖3所示，

　　CPU外圍電路主要包括晶振和復(fù)位電路，如上圖所示。

　　二、 D/A轉(zhuǎn)換

　　D/A轉(zhuǎn)換電路說明：

　　如圖4所示，R-A、R-B、R-C、R-D接5V基準(zhǔn)電壓輸入，時鐘接CPU的P1.1口，LOAD接P1.0口，LDAC接P1.3口，從CPU送出的信號經(jīng)串行數(shù)據(jù)接口6腳輸入，TLC5620的串行輸入選擇位A1、A0分別為0、0，即選擇DAA為模擬輸出通道。然后經(jīng)放大電路放大。

　　具體過程如下：

　　當(dāng)LOAD為高電平時,數(shù)據(jù)在CLK每一下降沿由時鐘同步送入DATA端口,一旦所有的數(shù)據(jù)位送入,LOAD變?yōu)槊}沖低電平以便把數(shù)據(jù)從串行輸入寄存器傳送到所選擇的DAC.如果LDAC為低電平,所選擇的DAC輸出電壓更新且LOAD變?yōu)榈碗娖?而在串行編程期間內(nèi)LDAC為高電平,新數(shù)值被LOAD的脈沖低電平打入第一級鎖存器后,再由LDAC脈沖低電平傳送到DAC輸出.數(shù)據(jù)輸入時最高有效位(MSB)在前. 表1列出A1和A0位以及被更新DAC的選擇.RNG位控制DAC輸出范圍.當(dāng)RNG為低電平時,輸出范圍在所加的基準(zhǔn)電壓與GND之間,當(dāng)RNG為高電平時,輸出范圍在所加基準(zhǔn)電壓的兩倍與GND之間。

　　三、 運(yùn)放電路

　　由于陶瓷變壓器的起振頻率寬度很窄，ICL8038在8腳(調(diào)頻電壓輸入端)電壓變化幅度很小時(毫伏級)才能夠達(dá)到要求，因此這里選用精度很高的運(yùn)放TLC2252來達(dá)到控制ICL8038的調(diào)頻電壓。通過對D/A轉(zhuǎn)換后的電壓進(jìn)行放大，使得加在調(diào)頻電壓輸入端的電壓隨數(shù)字量的增加作毫伏級變化。使得ICL8038的輸出頻率能更好地穩(wěn)定在壓電陶瓷的諧振頻率附近。具體電路如下圖(圖5)。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換的模擬信號由2252的3腳輸入，1腳輸出，然后進(jìn)行下一級放大，共經(jīng)過三級放大后，由7腳(網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號C38)輸入到信號發(fā)生器8038。

　　四、信號發(fā)生電路

　　信號發(fā)生電路如圖6所示：

　　此圖6中，8腳(網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號C38)接收放大后的電壓作為調(diào)頻電壓，9腳輸出矩形波。

　　五 驅(qū)動電路

　　ICL8038的帶負(fù)載能力較差，需要另加驅(qū)動，這里用很簡單的三極管放大電路作驅(qū)動，使NPN工作在放大區(qū)，PNP工作在截至區(qū)，這樣可以使輸出電阻很小，帶負(fù)載能力增強(qiáng)，另外加入新的驅(qū)動電壓，使陶瓷變壓器的起振電壓達(dá)到0~12V(可以使用電位器進(jìn)行調(diào)解)。具體電路如下圖(圖7)。

　　六 反饋隔離電路

　　由于壓電陶瓷變壓器的輸出阻抗很大，當(dāng)負(fù)載變化時，輸出電壓隨之變化，難以滿足高壓電源輸出電壓穩(wěn)定性的技術(shù)要求，因此也需要隔離電路對輸出高壓進(jìn)行隔離。光電耦合器件的輸入和輸出之間通過光信號的傳輸，對電信號是隔離的，沒有電信號的反饋和干擾，因而性能穩(wěn)定。由于發(fā)光管和接收管之間的耦合電容很小(小于2pF)，所以共模輸入電壓通過極間耦合電容對輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高，抗干擾能力強(qiáng)。

　　從壓電陶瓷變壓器的輸出端口輸出的高壓經(jīng)電阻分壓后，采用變壓器來隔離，經(jīng)過整流濾波后送運(yùn)算放大器放大，在用光藕隔離器件TTL117對放大后的電壓進(jìn)行隔離，再反饋到CPU。經(jīng)過CPU的軟件處理控制ICL8038的調(diào)頻電壓來時壓電陶瓷變壓器工作在最佳的諧振頻率。

　　七 自適應(yīng)性的實(shí)現(xiàn)

　　先給定2051一定頻率電壓，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后放大，作為信號發(fā)生器8038的調(diào)頻電壓，8038的9腳輸出頻率與調(diào)頻電壓成正比的矩形波，矩形波經(jīng)無失真放大后驅(qū)動壓電陶瓷變壓器。若此矩形波的頻率與壓電陶瓷變壓器的諧振頻率相同，則壓電陶瓷處于最佳諧振狀態(tài)，輸出電壓最大。由于壓電陶瓷變壓器有其獨(dú)特性質(zhì)，當(dāng)電源電壓，環(huán)境溫度，負(fù)載阻抗和振蕩頻率發(fā)生變化時，輸出特性將有較大的變化，變化的結(jié)果將集中反映在輸出電壓或輸出電流的變化量上，這個變化量經(jīng)過變壓器，LF353放大，以及光電藕合后，反饋到CPU的P1.4腳，CPU將根據(jù)反饋電壓自動調(diào)整D/A輸出電壓，再由8038調(diào)節(jié)輸出頻率，使得輸出頻率在壓電陶瓷的諧振頻率上，實(shí)現(xiàn)對壓電陶瓷變壓器的自適應(yīng)控制。

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