压电陶瓷微位移器的驱动电源要求输出电压在 0～100 V 范围内连续可调、电压分辨率达到毫伏级，并具有良好的精度与稳定性。本文给出一种基于 ARM 的压电驱动电源设计方案，介绍其中的数字电路部分与模拟电路部分，对驱动电源的精度与稳定性进行分析与改进，并给出实验验证结果：电源输出电压噪声低于 0.43 mV，输出最大非线性误差低于 0.024%，分辨率可达 1.44 mV，能够满足高分辨率微位移定位系统中静态定位控制的需求。
一、压电陶瓷驱动电源的技术要求
压电陶瓷驱动器（PZT）是微位移平台的核心，其主要原理是利用压电陶瓷的逆压电效应产生形变，从而驱动执行元件发生微位移。压电陶瓷驱动器具有分辨率高、响应频率快、推力大和体积小等优点，在航空航天、机器人、微机电系统、精密加工以及生物工程等领域得到广泛应用。然而压电陶瓷驱动器的应用离不开性能良好的驱动电源：要实现纳米级定位，驱动电源的输出电压需要在一定范围内连续可调，同时电压分辨率需要达到毫伏级。因此，压电陶瓷驱动电源技术已成为压电微位移平台中的关键技术。
二、D/A 电路设计
由于压电驱动电源要求输出电压范围为 0～100 V、分辨率达到毫伏级，因此 D/A 转换器的分辨率需达到亚毫伏级。本设计采用 AD5781 作为 D/A 器件。AD5781 是一款 SPI 接口的 18 位高精度转换器，输出电压范围为 −10～+10 V，提供 ±0.5 LSB 的 INL、±0.5 LSB 的 DNL 和 7.5 nV/√Hz 的噪声频谱密度，并具有极低的温漂（0.05 ppm/℃）特性，特别适合于精密模拟数据的获取与控制。D/A 电路如图 1 所示。
图 1 D/A 电路
在硬件电路设计中，由于 AD5781 采用精密架构，要求强制检测并缓冲其电压基准输入，以确保达到规定的线性度，因此用于缓冲基准输入的放大器应具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性。这里选用 AD8676：它是一款超精密、36 V、2.8 nV/√Hz 的双通道运算放大器，具有 0.6 μV/℃ 的低失调漂移和 2 nA 的输入偏置电流，能够为 AD5781 提供精密电压基准。通过下拉电阻将 AD5781 的 CLR 和 LDAC 引脚电平拉低，可将其设置为 DAC 二进制寄存器编码格式，并配置为输出在 SYNC 的上升沿更新。在 ARM 端的软件设计中，除正确配置 AD5781 的相关寄存器外，还应正确配置 SPI 的时钟相位、时钟极性和通信模式。
三、线性放大电路设计
从工程角度考虑，干扰源的存在会使系统的稳定性发生变化，甚至导致系统振荡，因此需要使控制系统具有一定的稳定裕度，即相角裕度。实际电路中存在杂散电容，其中放大器反相输入端的对地电容对系统稳定性影响较大。如图 2 所示，采用 C5 和 C6 补偿反相端的杂散电容，从系统函数的角度看即构成超前校正，可增加开环系统的截止频率，从而增加系统带宽、提高响应速度。
图 2 线性放大电路
高压运放 PA78 有两对相位补偿引脚，可通过外部的 RC 网络对放大器内部的零极点进行补偿。由 PA78 的数据手册可知，其内部零极点位于高频段；根据控制系统抗噪声能力的需求，配置 RC 网络使高频段的幅值特性曲线迅速衰减，从而提高系统的抗干扰能力。图中 R4、C1 与 R5、C2 构成 RC 补偿网络。此外，电容 C3 用于防止输出信号下降沿的振荡引起干扰；R10 起偏置作用，将电源电流注入放大器的输出级，以提高 PA78 的驱动能力。
将 PI 控制器的参数分别设置为 KP = 10、KI = 0.02，超前校正的补偿电容分别取 12 pF 和 220 pF，RC 补偿网络取 R = 10 kΩ、C = 22 pF。利用线性放大电路的 Spice 模型进行仿真，可得到幅频特性和相频特性曲线：放大系统的带宽可达 100 kHz，从而保证了系统良好的动态特性，同时系统具有足够的相角裕度，稳定性较高。