Цифроаналоговый пьезоэлектронный преобразователь

 

Изобретение относится к цифроаналоговым пьезоэлектронным преобразователям и может быть использовано в различных областях вычислительной техники и автоматики, а также при построении функциональных устройств управления исполнительных элементов систем растровой микроскопии. Цель - повышение надежности, быстродействия и расширение области применения за счет возможности перестройки параметров выходных сигналов. Для этого в устройство, содержащее биморфный пьезокерамический элемент, выполненный на входной и выходной пластинах, разделенных общим электродом, подключенным к шине нулевого потенциала, и сплошном электроде, размещенном с обратной стороны выходной пластины, усилитель выходных сигналов, выход которого является выходной шиной, дешифратор, вход которого соединен с выходом буферного регистра, соединенного информационными входами с шиной задания кода, а входом записи с шиной записи кода, формирователь сигнала возбуждения, первый вход которого соединен с шиной управления, введены амплитудные детекторы, аналоговые ключи, а на обратной стороне выходной пластины размещена многоэлектродная структура с k выходными электродами. 2 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и может быть применено при построении преобразовательных устройств систем растровой микроскопии.

Известен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с биморфным сегнетопьезотрансформатором (СПТ), содержащий группу СПТ, первую и вторую группы аналоговых ключей, генератор переменного тока, операционный усилитель, регистр [1].

Недостатками известного ЦАП являются сложность функциональной настройки и частотного согласования нескольких СПТ, низкое быстродействие, ограниченный диапазон рабочих параметров и функциональных возможностей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является функциональный ЦАП на основе биморфного СПТ, содержащий несколько СПТ, логическую схему управления, генератор импульсов возбуждения, буферный регистр, усилители выходного сигнала [2].

Недостатками известного ЦАП являются ограниченные функциональные возможности из-за сложности и низкой точности настройки, сложность частотного согласования СПТ, низкая достоверность воспроизведения функций, относительно низкая стабильность и низкое быстродействие.

Цель изобретения - повышение надежности, быстродействия и расширение функциональных возможностей.

Цель достигается тем, что ЦАП, содержащий биморфный пьезокерамический элемент, состоящий из входной и выходной пластин, разделенных общим электродом, подключенным к шине нулевого потенциала, и сплошного электрода, размещенного с обратной стороны входной пластины, усилитель выходных сигналов, выход которого является выходной шиной, дешифратор, вход которого соединен с выходом буферного регистра, информационные входы которого являются шиной задания кода, а вход записи - шиной записи кода, формирователь сигнала возбуждения, первый вход которого соединен с шиной управления, снабжен амплитудными детекторами, аналоговыми ключами и многоэлектродной структурой на обратной стороне выходной пластины с k выходными электродами, которые, кроме k-го, соединены с входами амплитудных детекторов, выходы которых соединены с информационными входами соответствующих аналоговых ключей, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами дешифратора, а выходы объединены и соединены с входом усилителя выходных сигналов, при этом k-й выходной электрод соединен с вторым входом формирователя сигнала возбуждения, выход которого соединен со сплошным электродом входной пластины.

На фиг. 1 показана функциональная схема ЦАП; на фиг. 2 представлены временные диаграммы его работы.

ЦАП содержит биморфный пьезокерамический элемент 1, состоящий из пьезокерамических пластин 2 и 3, общего электрода 4, подключенного к шине нулевого потенциала, входного электрода 5 и выходных электродов 6, зависимый генератор возбуждения, состоящий из усилителя 7, цепью положительной обратной связи подключенного к электроду 5 входной пластины, шину 8 управления включением ЦАП, соединенную с управляющим входом усилителя 7, амплитудные детекторы (АД) 9, соединенные входами с соответствующими электродами 6 выходной пластины, блок 10 логической схемы управления, состоящий из аналогичных ключей (АК) 11 и дешифратора (Дш) 12 на m выходов, которые соединены с соответствующими управляющими входами АК 11, причем информационные входы последних соединены с выходами соответствующих АД 9, буферный регистр РБ 13, соединенный информационными входами с шинами 14 задания кода преобразования, информационными выходами с соответствующими входами Дш 12, а управляющим входом с шиной 15 записи кода, выходной усилитель-повторитель 16 (Ус), вход которого соединен с выходами АК 11 блока 10, а выход подключен к выходной шине 17 ЦАП.

Работает ЦАП следующим образом.

Направления и величины остаточных поляризаций подэлектродных областей электрода 5 входной и электрода 6^I выходной пластин, используемых в цепи положительной обратной связи зависимого генератора возбуждения пьезоструктуры, имеют противоположные и с целью получения максимальных значений выходных сигналов предельные значения Р₀ = + Рr, Р₆1 =-Рr и не изменяются (на фиг. 1 условно принято направление стрелки относительно шины нулевого потенциала). Направления и величины остаточной поляризации подэлектродных областей электродов 6 за счет частично переключенных состояний поляризации имеют различные значения из диапазона P_j(N_i)∈-Pr _ +Pr, причем j= - число электродов выходной пластины; i= - число частично переключенных состояний. Число выходных электродов и число частично переключенных состояний зависят от формата входного кода ЦАП, т.е. от числа двоичных комбинаций входного кода N_i = 2ⁿ, где n - разрядность преобразователя, иначе в общем случае, k = m = 2ⁿ.

Каждому N_i-у входному коду ЦАП ставится в однозначное соответствие величина вектора остаточной поляризации Р_j(N_i) подэлектродных областей одного из j-х электродов выходной пластины пьезоструктуры, однозначно определяющего амплитуду U_j(t) и фазу ϕ_j(t) сигнала выходного электрода.

В зависимости от полярности выходного сигнала ЦАП U(N_i) в нем приняты три диапазона изменений поляризаций подэлектродных областей j-х электродов. Так, положительным U(N_i) соответствуют частично переключенные состояния подэлектродных областей из диапазона P_j(N_i)∈+Pr-0, отрицательным значения U(N_i) соответствуют P_j(N_i)∈-Pr-0 , биполярным выходным U(N_i) - P_j(N_i)∈-Pr - +Pr.

При поступлении управляющего уровня на шину 8 включения зависимого генератора в пьезоструктуре возбуждаются колебания с частотой, равной или близкой к резонансной частоте пьезокерамического элемента f_в ≈ f_p, фиг. 2а). Вследствие прямого и обратного пьезоэффектов, а также свойств пьезоструктуры изменять параметры сигналов электродов выходной пластины в зависимости от направлений векторов и степени остаточной поляризации подэлектродных областей пластин 2 и 3 на выходных электродах, спустя промежуток времени t₀ (время задержки t₀ зависит от динамических свойств пьезоструктуры), устанавливаются пьезопреобразованные сигналы u_j(t) = =k_j(N_i)˙u_в(t), где k_j(N_i) - коэффициент передачи по каналу амплитуда - амплитуда j-го электрода с состоянием Р_j(N_i) подэлектродной области, выходному сигналу u_j(t) которого ставится в однозначное соответствие N_i-й входной код ЦАП; u_в(t) - напряжение возбуждения пьезоструктуры с амплитудой U_в << ΔU_n(i), где ΔU_n(1) - амплитуда напряжения шага квантования частичного переключения подъэлектродной области (фиг. 2а,б).

Путем амплитудной селекции посредством АД 9 формируются уровни U_m(i) пьезопреобразованных сигналов U_j(t) с j-х выходных электродов пьезоструктуры (фиг. 2б,д), которые поступают на входы соответствующих АК 11 блока 10 логической схемы управления.

Код N_i ЦАП устанавливается на информационных шинах 14, и по тактовому импульсу записи, поступающему на шину 15, производится запись кода N_i в РБ 13. На соответствующем i-м выходе Дш 12 по коду N_iформируется управляющий сигнал i-го канала. При этом на выходе Ус 16 и выходной шине 17 устанавливается аналоговый сигнал U(N_i) = k(u_i)˙U_m(i), где k(u_i) - коэффициент передачи Ус 16 (фиг. 2г,д).

Таким образом, преобразования двоичного кода N_i в аналоговый выходной сигнал осуществляется по амплитудному признаку путем возбуждения пьезоструктуры на квазирезонансной частоте, формирования U_m(i) по пьезопреобразованным сигналам U_j(t) с выходных электродов пьезоструктуры, их идентификации с N_i-м двоичным кодом и выделения из U_m(i) уровней по коду N посредством амплитудной селекции выходного аналогового сигнала U(N_i) ЦАП.

ЦАП позволяет формировать входной сигнал как в области положительных (фиг. 2д, кривая 1) или отрицательных (фиг. 2д, кривая 2), так и биполярных значений (фиг. 2д, кривая 3) в зависимости от настройки рабочего диапазона Р_j(N_i). При этом отрицательные значения выходных сигналов устанавливаются, например, по признаку единичного состояния старшего разряда кода N_i.

Применение многоэлектродной пьезоструктуры позволяет обеспечить функциональную гибкость ЦАП. При идентичных конструктивных и схемотехнических параметрах за счет изменения диапазона частично переключенных состояний и величины шага квантования легко перестраивается рабочий диапазон. Использование зависимого источника возбуждения позволяет повысить стабильность, точность (не хуже 0,1%) и надежность ЦАП, а также делает его повышенной серийноспособности. При этом используются сигналы низкого уровня и ЦАП реализуется полностью в гибридно-интегральном исполнении.

Формула изобретения

ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий биморфный пьезокерамический элемент, состоящий из входной и выходной пластин, разделенных общим электродом, подключенным к шине нулевого потенциала, и сплошного электрода, размещенного с обратной стороны входной пластины, усилитель выходных сигналов, выход которого является выходной шиной, дешифратор, вход которого соединен с выходом буферного регистра, информационные входы которого являются шиной задания кода, а вход записи - шиной записи кода, формирователь сигнала возбуждения, первый вход которого соединен с шиной управления, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, быстродействия и расширения области применения за счет возможности перестройки параметров выходных сигналов, в него введены амплитудные детекторы, аналоговые ключи, а на обратной стороне выходной пластины пьезокерамического элемента размещена многоэлектродная структура с K-выходными электродами, при этом K-1 выходных электродов соединены с входами амплитудных детекторов, выходы которых соединены с информационными входами соответствующих аналоговых ключей, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами дешифратора, а выходы объединены и соединены с входом усилителя выходных сигналов, а K-й выходной электрод соединен с вторым входом формирователя сигнала возбуждения, выход которого соединен со сплошным электродом входной пластины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2