цифроаналоговый пьезоэлектронный преобразователь

Формула изобретения

ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий биморфный пьезокерамический элемент, выполненный на входной и выходной пластинах, разделенных общим электродом, подключенным к шине нулевого потенциала, и сплошном электроде, размещенном 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 амплитудно-фазных признаков выходных сигналов, в него введены 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 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и может быть применено в качестве функционального преобразователя (модуля) пьезополупроводниковых систем и систем растровой микроскопии.

Известен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с биморфным сегнетопьезотрансформатором (СПТ), содержащий группу СПТ, первую и вторую группу 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 расширения 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 сплошном электроде, размещенном 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 аналоговыми ключами и многоэлектродной структурой на обратной стороне выходной пластины с k выходными электродами, которые, кроме k-го, 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 и электроду 6^I выходной пластины, шину 8 управления включением ЦАП, соединенную с управляющим входом усилителя 7, блок 9 логической схемы управления, состоящий из аналоговых ключей (АК) 10 и дешифратора (Дш) 11 на m выходов, подключенный к соответствующим управляющим входам АК 10, причем информационные входы последних соединены с электродами 6 выходной пластины, буферный регистр (РБ) 12, соединенный информационными входами с шинами 13 задания кода преобразования, информационными выходами с соответствующими входами Дш 11, а управляющим входом с шиной 14 записи кода, выходной усилитель (Ус) 15, вход которого соединен с выходами АК 10 блока 9, а выход - с выходной шиной 16.

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 = + Pr, P₆1 =-Pr и не изменяются (на фиг. 1 условно принято направление стрелки относительно шины нулевого потенциала). Направления и величины остаточных поляризаций подэлектродных областей электродов 6 выходной пластины также не изменяются и имеют за счет частично переключенных состояний поляризаций различные фиксированные значения из диапазона P_j(N_i)-Pr _ +Pr, причем j= - число выходных электродов выходной пластины; i= - число частично переключенных состояний. Число электродов и число частично переключенных состояний зависят от 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 P_j(N_i) подэлектродной области из j-х электродов выходной пластины пьезоструктуры, однозначно определяющего амплитуду U_j(t) и фазу _j (t) сигнала выходного электрода.

При поступлении управляющего уровня на шину 8 подключения зависимого генератора в пьезоструктуре возбуждаются колебания с частотой, равной или близкой к резонансной частоте пьезокерамического элемента (f_в f_р, фиг. 2а). Вследствие прямого и обратного пьезоэффектов, а также свойств пьезоструктуры изменять параметры сигналов электродов выходной пластины в зависимости от направления 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, амплитуде и фазе которого ставится в однозначное соответствие N-й входной код ЦАП; u_в(t) - напряжение возбуждения пьезостуктуры с амплитудой U_в << U_n(i), где U_n(1) - амплитуда напряжения шага квантования частичного переключения подэлектродной области (фиг. 2а, б). При этом изменение сдвига фаз U_j(t) относительно сигнала возбуждения _j(N_i) = _j(N_i) - _в, где _j(N_i) - фаза выходного сигнала j -го электрода с частично переключенным состоянием Р_j(N_i) из диапазона P_j(N_i)-Pr - +Pr при фиксированном значении Р₀ = +Рr; _в - фаза сигнала возбуждения, происходит в пределах _j(N_i)=-/2 - +/2 (фиг. 2б).

Пьезопреобразованные сигналы u_j(t) с выходных электродов поступают на информационные входы АК 10 одноименных выходных каналов блока 9 логической схемы управления ЦАП.

Код N_i преобразуемого двоичного кода устанавливается на информационных шинах 13, и по тактовому импульсу записи, поступающему на шину 14, производится запись кода N_i в РБ 12. На соответствующем i-м выходе Дш 11 формируется управляющий сигнал, который подается на управляющий вход АК 10 i-го выходного канала. При этом выходной сигнал u_j(t) идентифицированного выходного канала поступает на вход Ус 15 и на выходной шине 16 устанавливается аналоговый сигнал u_вых(t) = k_j(u_i)u_j(t) = k_j(u_i)k_j(N_i)u_в(t), где k_j(u_i) = R₀/R_i - коэффициент передачи i-го выходного канала; R₀ - сопротивление цепи обратной связи Ус; R_i - сопротивление открытого аналогового ключа i-го канала входной цепи Ус (фиг. 2а,б,г,д) с фиксированной амплитудой и фазой. При этом для всех каналов устанавливаются равные значения коэффициентов усиления, т. е. R_iвсех каналов равны. При преобразовании двоичного кода N_i в аналоговый сигнал только по фазовому признаку (фиг. 2б,е) из-за необходимости выравнивания амплитуд выходных сигналов коэффициенты усиления k_j(N_i) по i-м выходным каналам ЦАП не равны друг другу и устанавливаются из соотношения k_j(u_i) = [k_j(N_i)]^-1.

Таким образом, в ЦАП преобразование двоичного кода N_i в аналоговый сигнал осуществляется по амплитудно-фазовому или фазовому признаку путем возбуждения пьезоструктуры на квазирезонансной частоте, формирования пьезопреобразованных сигналов U_j(t) выходных электродов пьезоструктуры, их идентификации с N_i-м двоичным кодом и выделения из пьезопреобразованных аналоговых сигналов в u_j(t) по коду N_i выходного сигнала преобразователя посредством фазовой селекции.

Предлагаемый ЦАП обладает функциональной гибкостью, перестройкой его рабочих параметров достигается изменением шага квантования и диапазона частично переключенных состояний подэлектродных областей многоэлектродной пьезоструктуры при неизменных конструктивных параметрах. Возможность как амплитудных, фазовых, так и амплитудно-фазовых манипуляций позволяет создать широкий класс ЦАП периодической функции различных пьезополупроводниковых систем стабилизации и систем растровой микроскопии с одновременным и дуальным способами управления.