壓電石英晶體具有純度高、分辨率高、方向性好等特點(diǎn)，用它制成的壓電驅(qū)動(dòng)器可以應(yīng)用于微位移輸出裝置、微型機(jī)器人、力發(fā)生裝置、光譜測(cè)量等領(lǐng)域。利用壓電石英晶體和硒化鋅(ZnSe)晶體設(shè)計(jì)出的具有彈光效應(yīng)的靜態(tài)傅里葉變換干涉具[1-3]，與傳統(tǒng)干涉具相比，具有調(diào)制速度快、光譜范圍寬、光通量大、抗振性好并且結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，這是眾多光譜儀所不能比擬的。壓電晶體的使用離不開相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制器，驅(qū)動(dòng)控制器對(duì)壓電晶體的振動(dòng)性能影響很大，因此，壓電晶體驅(qū)動(dòng)控制器技術(shù)已成為目前壓電晶體振動(dòng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)[4-8]。

    從提高壓電晶體驅(qū)動(dòng)控制器的電壓、功耗等角度出發(fā)，對(duì)傳統(tǒng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行改進(jìn)，提出了適合靜態(tài)傅里葉變換干涉具壓電石英晶體驅(qū)動(dòng)控制器的方法[9]，結(jié)合ZnSe晶體的本征振動(dòng)頻率和LC諧振網(wǎng)絡(luò)的配置[10]，該方法能有效降低電路本身的功率損耗，提供較穩(wěn)定的高壓信號(hào)，為彈光調(diào)制器穩(wěn)定工作提供了保障。
1 基于彈光調(diào)制器壓電晶體驅(qū)動(dòng)控制器
    彈光調(diào)制器是一種基于高性能紅外透明光學(xué)材料(如熔融石英、氟化鋰、氟化鈣晶體等)光彈效應(yīng)的偏振調(diào)制器件，利用壓電材料(如壓電石英晶體、壓電陶瓷)在紅外透明光學(xué)材料上加以周期性變化的機(jī)械力，從而對(duì)晶體施加相應(yīng)的應(yīng)力，使光學(xué)材料共振。
    利用壓電石英晶體的逆壓電效應(yīng)，在壓電晶體的兩個(gè)電極上施加一個(gè)交變電壓，將產(chǎn)生一定的機(jī)械形變，施加的電壓峰值越高，形變量就越大。文中壓電石英晶體（0.64 cm×1.91 cm×5.08 cm）為長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)模式的單轉(zhuǎn)角切型(xyt)φ1，其中φ1=-18.5°，經(jīng)計(jì)算壓電石英晶體本征頻率為50.02 kHz。(xyt)φ1切型壓電石英晶體的壓電方程為：

    壓電石英晶體在諧振時(shí)等效于一個(gè)很小的電容，充放電速度快、壓電石英晶體純度高、發(fā)熱小、損耗小，所以需要的驅(qū)動(dòng)控制器的功率較小。因此，在彈光調(diào)制器壓電晶體的振動(dòng)研究中，對(duì)壓電晶體驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求如下：(1)輸出電阻小，具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。只有降低驅(qū)動(dòng)控制器的輸出電阻R，才能使R與壓電晶體等效的電容C所構(gòu)成的RC回路的時(shí)間常數(shù)降低，從而提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。(2)為了達(dá)到最佳的振動(dòng)效果，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制器的頻率須為50.02 kHz。(3)要求驅(qū)動(dòng)控制器的輸出幅度連續(xù)可調(diào)，波動(dòng)幅度小、穩(wěn)定性好。
2 驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)
    驅(qū)動(dòng)控制器由方波產(chǎn)生電路、功率放大電路、充放電回路和LC諧振網(wǎng)絡(luò)四部分組成。方波產(chǎn)生電路由F40型數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器提供幅度為0~2 V、頻率為50.02 kHz的信號(hào)；功率放大電路為后續(xù)電路提供具有一定驅(qū)動(dòng)能力的電壓信號(hào)；LC諧振網(wǎng)絡(luò)將電壓放大到所需要的高壓，驅(qū)動(dòng)壓電石英晶體的振動(dòng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)最大特點(diǎn)是輸出驅(qū)動(dòng)電壓的大小由可調(diào)直流電源VCC和LC諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)決定。

    R3、Q2和CR1又組成了共集電極放大電路，該電路的特點(diǎn)是輸入信號(hào)源提供的電流小，可減小信號(hào)源的功率容量，電壓放大倍數(shù)小于 1 而接近 1 ，輸出電壓和輸入電壓同相，輸入阻抗高輸出阻抗低、失真小、頻帶寬、工作穩(wěn)定。它用作放大器的中間級(jí)，起到緩沖和阻抗匹配的作用，減輕前級(jí)的負(fù)載 ，提高了整個(gè)電路的電壓增益和功率傳輸能力。
2.2 充放電回路
    圖1中構(gòu)成的功率放大/充放電電流控制部分的功率放大單元電路為準(zhǔn)互補(bǔ)甲乙類對(duì)稱功率放大電路，給壓電晶體振蕩器提供充放電電流回路。由圖1可知，當(dāng)輸入信號(hào)Vi為低電平時(shí)，三極管Q2導(dǎo)通，從而開關(guān)管Q3導(dǎo)通，給LC諧振網(wǎng)絡(luò)和壓電晶體充電，CR2二極管此時(shí)也導(dǎo)通，給三極管Q2又提供了一定的驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)由于三極管Q1的輸入為低電平，Q1管截止，從而使三極管Q4關(guān)斷，防止放電回路導(dǎo)通。當(dāng)輸入方波信號(hào)為高電平時(shí)，Q1管工作，此時(shí)Q3管的基極電壓為低電平，所以此刻Q3管不工作，同時(shí)Q4管的基極電壓為高電平，該管導(dǎo)通，為壓電晶體振蕩器提供了放電回路。

    電路中元件參數(shù)設(shè)置：電感為5 mH，固定電容為1 800 pF，可調(diào)電容為1~90 pF。具體的工作原理為：電感和電容串聯(lián)，電容器放電，電感開始有一個(gè)逆向的反沖電流，電感充電，二極管CR3的作用就是防止反向電壓過高時(shí)擊穿三極管Q3，給逆向反沖電壓提供一個(gè)放電回路。當(dāng)電感電壓達(dá)到最大時(shí)，電容放電完畢，之后電感又開始放電，電容開始充電，往復(fù)循環(huán)。電路中的CR4是必不可少的，當(dāng)LC諧振電路給電容充電時(shí)，電容C1、C2的B極板的電子將通過二極管CR4給電感L1提供能量，然后電感存儲(chǔ)的能量給電容充電，充分利用電感中的能量給電容充電，從而Q3的發(fā)射極就可以只需要提供很小的電壓和電流補(bǔ)充LC諧振電路中振動(dòng)的能量的損耗就能維持整個(gè)電路的良好振動(dòng)性能，這樣就大大降低了電源的功率，也降低了電路的功率損耗。為了達(dá)到高壓高精度50.02 kHz的要求，這里選擇的固定電容為美國(guó)銀云母高壓高精度電容，具有高頻特性好、溫漂小、容量精確、損耗低等優(yōu)點(diǎn)；可調(diào)電容精確調(diào)節(jié)LC網(wǎng)絡(luò)的諧振點(diǎn)；繞制電感線圈的磁環(huán)要求磁損耗小、磁導(dǎo)率低。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    為了測(cè)試驅(qū)動(dòng)控制器的動(dòng)態(tài)性能，測(cè)試不同直流電源電壓下的輸出電壓。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為I/FS50型的壓電晶體容性負(fù)載，調(diào)制頻率為50.02 kHz。在不同的直流控制電壓UDC下的壓電晶體兩端輸出電壓的測(cè)試結(jié)果如表1所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，驅(qū)動(dòng)控制器的輸出電壓Uout峰峰值可以達(dá)到1 500 V。

相比，該驅(qū)動(dòng)控制器可以輸出較高的電壓和較小的功率損耗。
    為了測(cè)試彈光調(diào)制器的振動(dòng)效果，在驅(qū)動(dòng)控制器輸出電壓為1 500 V，驅(qū)動(dòng)兩塊壓電石英晶體帶動(dòng)本征頻率為50.02 kHz的ZnSe晶體振動(dòng)，用LV-S01激光多普勒測(cè)振儀測(cè)試ZnSe晶體的振動(dòng)結(jié)果如圖4、圖5所示，LV-S01激光多普勒測(cè)振儀分辨率為1 ?滋m/s，激光光源波長(zhǎng)為632.8 nm。

    由圖4、圖5可知，晶體的振動(dòng)頻率為50.018 kHz，振動(dòng)位移可以達(dá)到4.5 μm，振動(dòng)位移是單塊的兩倍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論一致，具有良好的動(dòng)態(tài)性能和線性度以及輸出電壓紋波小等優(yōu)點(diǎn)，滿足了高精度高頻響的要求。
    本文研制的驅(qū)動(dòng)控制器輸出電阻小、負(fù)載能力強(qiáng)、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，響應(yīng)速度可達(dá)到微秒級(jí)。輸出電壓峰值高達(dá)1 500 V且連續(xù)可調(diào)。最后對(duì)電源的整體性能進(jìn)行測(cè)試，通過改變直流電壓的大小，可以改變加在壓電晶體兩端的電壓和ZnSe晶體產(chǎn)生的振動(dòng)位移，從而實(shí)現(xiàn)4.5 μm的振動(dòng)位移。根據(jù)分析測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出，本文研制的動(dòng)態(tài)壓電晶體驅(qū)動(dòng)控制器具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)出的驅(qū)動(dòng)控制器滿足了彈光調(diào)制器壓電晶體的實(shí)際需要，為彈光調(diào)制器干涉具動(dòng)態(tài)控制的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
    本文的創(chuàng)新點(diǎn)是不需要高壓直流電源，只需要一個(gè)27 V的直流電源就可以產(chǎn)生1 500 V的高壓,很好地驅(qū)動(dòng)了壓電晶體的周期性振動(dòng)，為設(shè)計(jì)出高品質(zhì)的彈光干涉具提供了保障。 采用LC諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生高壓，脫離了常規(guī)的用高壓運(yùn)放或者大功率耐高壓MOS管產(chǎn)生高壓，節(jié)省了成本，具有較好的實(shí)用性。
參考文獻(xiàn)
[1] BUICAN T N.Real-time Fourier transform spectrometry for  fluorescence imaging and flow cytometry[C].Proc.SPIE Symposium on Bioimaging and Two-Dimensional Spectroscopy，Los Angeles，CA，2006：126-133.
[2] DAVID J D，DAVIS Ab，HANCOCK B，et al.Dual-photoelastic-modulator-based polarrimetric imaging concept for aerosol remote sensing[J].Applied Optics，2007，46(35)：8428-8445.
[3] 劉智超，張記龍，王志斌，等.靜態(tài)傅里葉變換干涉具在大視場(chǎng)探測(cè)中的應(yīng)用[J].光子學(xué)報(bào)，2009，38（11）：2839-2843.
[4] 余凌，李威，楊雪鋒，等.基于FPGA和DDS的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36（12）：65-68.
[5] HAYASH S.A versatile photoelastic-modulator driver/controller[J].1989，28(4)：720-722.
[6] 王元生，蘆志強(qiáng)，王雨.高速壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制器[J].電源設(shè)計(jì)，2009，301（14）：180-184.
[7] TUDOR N B.Birefringence interferometers for ultra-high-speed FT spectrometry and hyperspectral imaging I[J].Dynamic model of the resonant photoelastic modulator.2006：51-58.
[8] 曹青松，李小輝.一種高精度動(dòng)態(tài)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制器的研究[J].電源技術(shù)，2009，25(04-1)：183-185.
[9] MAEDA S，NAKAE K，SHINDO Y.Evaluation of the performance of photoelastic modulatorby admittance parameter measurements[J].Institute of Pure and Applied Physics，2003，42(7A)：4546-4551.
[10] 郭建中，林書玉，郭永亮.壓電換能器電端匹配電路的優(yōu)化[J].測(cè)控技術(shù)，2004，23(8)：73-75.