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(tái)的方法，實(shí)現(xiàn)了焦平面最小0.156 μm的間距移動(dòng)^[2],。但由于步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械震動(dòng)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(dòng)器控制物鏡與載物臺(tái)之間進(jìn)行亞微米級(jí)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)電源方案,，動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)器件選用XP-721.SL的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動(dòng)器,。該壓電陶瓷主要參數(shù)為輸入電壓范圍0～+150 V，對(duì)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(dòng)態(tài)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)時(shí)最大開環(huán)額定功率為P=5 W,。

    針對(duì)在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)應(yīng)壓電陶瓷物鏡驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓為75 mV；而壓電陶瓷物鏡驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的充電時(shí)間小于T_min時(shí),，壓電陶瓷物鏡驅(qū)動(dòng)器的位置輸出會(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(hào)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(dòng)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(hào)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(hào)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(dòng)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(huì)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(hào)輸出時(shí)的電流驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(hào)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(duì)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(hào)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(hào),，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(hào),，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(dòng)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(hào)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(hào)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(duì)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(hào)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(dòng)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(hào)DS1102E和安捷倫6位萬用表型號(hào)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(dòng)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(dòng)電源在動(dòng)態(tài)應(yīng)用時(shí)能滿足本文壓電陶瓷物鏡驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)器有著10 mV紋波對(duì)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(hào)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(hào)，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(dòng)器的控制電源,。其利用了壓電陶瓷的單極性驅(qū)動(dòng)特點(diǎn),，設(shè)計(jì)了不對(duì)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(hào)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)了對(duì)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(dòng)器的控制電源要求。 

參考文獻(xiàn)

[1] 林廣升.數(shù)字共焦顯微技術(shù)壓電物鏡控制器設(shè)計(jì)[D].桂林：廣西大學(xué),，2015.

[2] 聶雄,，陳華．?dāng)?shù)字共焦顯微儀序列光學(xué)切片自動(dòng)采集方法研究[J]．儀器儀表學(xué)報(bào)，2010,，31(9)：2148-2152．

[3] 林廣升,，陳華．基于LTC6090的格式壓電物鏡驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J]．廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,，40(3)：744-749．

[4] 楊雪鋒,，李威，王禹橋．壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]．儀表技術(shù)及傳感器,，2008(11)：109-112．

[5] 賀斌,，陳華，謝紅霞.一種數(shù)控電位器調(diào)節(jié)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源[J].壓電與聲光,，2012(2)：253-256,，261.

[6] 趙雅彬，彭澤，張根.一種壓電陶瓷致動(dòng)器直流可調(diào)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J].北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),，2015(1)：51-55.

[7] 周濤,，王澄，姜?jiǎng)?，?一種新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013(23)：16-19.

[8] Noliac.Tutorials/Dynamic Actuators/Important Calculations: Step Response[EL/OL].[2015-04-15].http://www.noliac.com/tutorials/actuators-for-dynamic-applications/importantcalculations-step-response/.

[9] 鈴木雅臣．晶體管電路設(shè)計(jì)[M]．周南生,，譯．北京：科學(xué)出版社,，2015．

[10] Linear.LTC6090:http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/6090fe.pdf.

[11] FLEMING A J.A megahertz bandwidth dual amplifier for driving piezoelectric actuators and other highly capacitive loads[J].Review of Scientific Instruments，2009,，80(10)：104701.

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）