0 引言

    數(shù)字共焦顯微技術(shù)是20世紀末興起的一種新技術(shù)^[1]。該技術(shù)利用傳統(tǒng)光學顯微鏡采集生物樣本序列切片圖像，用計算機進行去卷積圖像復原處理, 獲取高清晰的細胞序列顯微圖像, 最后通過三維重構(gòu), 實現(xiàn)高分辨率的細胞層析和三維顯示^[2]。為了獲得生物樣本的等間距序列切片圖像，廣西大學課題組采用細分步進電機控制精密載物臺的方法，實現(xiàn)了焦平面最小0.156 μm的間距移動^[2]。但由于步進電機的機械震動性以及機械吻合度等原因，容易產(chǎn)生誤差。目前，采用壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制物鏡與載物臺之間進行亞微米級等間距步進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^[4]。

    目前，國內(nèi)外針對壓電陶瓷控制電源技術(shù)已有一定的研究，文獻[5]設(shè)計的電源采用了數(shù)控電位器與高壓功率運放相結(jié)合的方案，但該電源不適合動態(tài)應(yīng)用，且電路過于復雜。文獻[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動態(tài)應(yīng)用時反應(yīng)慢，難以滿足本設(shè)計要求。文獻[7]提出的電壓反饋式開關(guān)型壓電陶瓷驅(qū)動電源方案，動態(tài)帶寬完，但開關(guān)管噪聲紋波輸出較大，難以滿足本文的實際應(yīng)用。因此，本文針對本壓電陶瓷的性能，提出了采用橋式運放與小功率三極管相結(jié)合的電源設(shè)計方案。本文開展壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制電源的研究，在傳統(tǒng)光學顯微鏡上發(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)動器件選用XP-721.SL的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器。該壓電陶瓷主要參數(shù)為輸入電壓范圍0～+150 V，對應(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；在動態(tài)應(yīng)用驅(qū)動時最大開環(huán)額定功率為P=5 W。

    針對在動態(tài)應(yīng)用中驅(qū)動容性負載時的輸出額定功率計算如式(1)，負載峰值電流計算公如式(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)動器在實際應(yīng)用時功率不能超過額定功率，因此本文驅(qū)動電源輸出(吸收)峰值電流達100 mA即可滿足要求^[3]。

    本課題設(shè)計的數(shù)字共焦顯微系統(tǒng)要求采集光學切片圖像的最小間隔為50 nm，對應(yīng)壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的驅(qū)動電壓為75 mV；而壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器最小響應(yīng)時間T_min如式(3)^[8]。

    根據(jù)響應(yīng)頻率F₀=200 Hz，故T_min≈1.7 ms。當壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的充電時間小于T_min時，壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的位置輸出會在第三個振蕩周期后穩(wěn)定^[8]。根據(jù)以上分析，本文驅(qū)動電源應(yīng)能夠輸出幅度最小75 mV時的方波響應(yīng)頻率為300 Hz以上。同時該電源還應(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

    基于以上分析，本文驅(qū)動電源應(yīng)實現(xiàn)0～150 V電壓輸出，步進分辨率達到75 mV，輸出峰值電流達±100 mA；在動態(tài)應(yīng)用時，步進頻率達300 Hz以上。因此本文電源設(shè)計方案主要考慮小功率高壓運放對DAC輸出電壓放大；同時為增強輸出電源，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放與小功率三極管相結(jié)合的電源設(shè)計方案，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)以及過流過壓保護電路組成。

2.2 全橋式高壓放大電路設(shè)計

    本文設(shè)計的H橋式高壓放大電路模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，由兩個高壓運放組成，A₁為主放大器，放大倍數(shù)為AV₁的計算公式如式（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)動器負載。

    根據(jù)本文電源的設(shè)計要求，圖2的橋式放大器輸出電壓為0～150 V，因此單個運放的輸出至少為±75 V才能滿足控制電源的輸出要求。本文采用運放芯片型號為LTC6090-5作為主從運放，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，為提高容性負載的驅(qū)動能力，在主從運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為0～150 V。

    根據(jù)電源指標要求最大能輸出±100 mA電流，在主從運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。在動態(tài)應(yīng)用時三極管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，基極電流由運放提供，主從運放電路都引入了深度負反饋，因此在輸出端不會產(chǎn)生交越失真，也保證了負載所需要的電流均由三極管提供，提高了小信號輸出時的電流驅(qū)動能力^[9]。

2.3 過流過壓保護電路

    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態(tài)應(yīng)用時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。同時圖3中R9為電流采樣電阻，可通過差分運放對采樣電阻上的電壓進行放大，本文中采用LT1990專用H橋電流采樣芯片對輸出電流進行監(jiān)控，該芯片將采樣電阻兩端形成的電壓進行10倍放大后輸出，可由微控制器控制ADC對電流進行實時的監(jiān)控，若輸出電流過大，則由微控制器輸出控制信號到LTC6090-5的停機保護引腳OD，立刻停止輸出，實現(xiàn)過流保護。圖3中由電阻R6、R16對單端輸出電壓進行分壓，由微控制器控制ADC實時監(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控制信號給OD，實現(xiàn)過壓保護。LTC6090-5芯片的TF腳為芯片過熱保護輸出信號，主放大器電路中TF由微控制器進行檢測，若芯片溫度過高，則由微控制器輸出停機信號，實現(xiàn)過熱保護；從放大器電路中TF與OD相連，當芯片溫度超過140°時，芯片將進入過熱保護停機狀態(tài)^[10]。

2.4 直流供電系統(tǒng)

    本文壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器電源需要供電電壓為±80 V，±5 V。采用4組獨立可調(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)壓芯片型號為LM317HV，輸出電壓1.27～50 V可調(diào)，輸出電源最高可達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。±5 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，型號為STC12C5A60S2，兼容51單片機指令，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)計要求最小輸出分辨率為75 mV，DAC基準電壓為4.096 V；當DAC輸出4.096 V電壓時，對應(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50 MHz，輸出電壓設(shè)置時間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行：壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的等效負載為3.6 μF的電容，因此測試時采用標稱容量為4 μF電容作為測試負載；測試儀器有帶寬100 MHz的示波器型號DS1102E和安捷倫6位萬用表型號為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)導入計算機，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5.02 W，輸出電流達105 mA，證明本文驅(qū)動電源在動態(tài)應(yīng)用時能滿足本文壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的額定功率及最大電流要求。圖5為輸出150 V值時的階躍上升以及下降波形圖，上升和下降時間約為5 ms。

    根據(jù)階躍電壓驅(qū)動容性負載時峰值電流計算如式（5）^[11]，其中Uvpp=150 V，t=5 ms，計算得峰值電流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0.5 V，將該電壓輸入到圖3電路的輸入，用萬用表測量負載電壓，記錄數(shù)據(jù)，圖6為輸入輸出電壓測試數(shù)據(jù)坐標圖，最大輸出誤差出現(xiàn)在輸入為0 V，此時的輸出誤差為0.016 V，因此求得線性度為0.01%，實驗表明該電源線性度高。

3.3 紋波測試

    壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的定位準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)動器有著10 mV紋波對應(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，測量負載端輸出電壓0～150 V，步進值為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要求。

3.4 小幅度方波信號響應(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，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響應(yīng)速度快，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

    采用高壓運放及小功率三極管H橋式電路的方式，設(shè)計了一種專門應(yīng)用于數(shù)字共焦顯微儀壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的控制電源。其利用了壓電陶瓷的單極性驅(qū)動特點，設(shè)計了不對稱電源供電方式，提高了控制電源系統(tǒng)的效率。同時該電源具有體積小、成本低及方波信號響應(yīng)速度快等特點。設(shè)計了對輸出電流電壓采樣監(jiān)控的保護電路，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)動器的控制電源要求。 

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作者信息：

黃世玲1，2，陳  華1，林廣升1

（1.廣西大學 計算機與電子信息學院，廣西 南寧530004；2.南寧學院 機電與質(zhì)量技術(shù)工程學院，廣西 南寧530200）