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Entwicklung und Aufbau einer busfähigen, hochpräzisen Ansteuerungselektronik für Piezoaktoren

Roland Koch

Für den Aufbau eines Rastertunnelmikroskops werden spezielle Verstärker für Piezoaktoren zur Realisierung von minimalen Verschiebungen benötigt. Die vorliegende Arbeit beschreibt dabei die Entwicklung und den Aufbau einer hochpräzisen busfähigen Ansteuerungselektronik für Piezoaktoren, bestehend aus einem Verstärker und einem zugehörigen Prozessorboard.

Zur Erzielung von Bewegungen im Nanometer-Bereich werden vorwiegend Aktoren verwendet, die auf dem inversen piezoelektrischen Effekt beruhen. Durch den physikalischen Aufbau dieser Aktoren erfolgt eine kapazitive Belastung der benötigten Ansteuerungselektronik. Diese Belastung kann je nach Bauart der Aktoren einige 100 nF betragen. Zur Stabilisierung eines kapazitiv belasteten Verstärkers müssen entsprechende schaltungstechnische Maßnahmen getroffen werden.

Durch den geplanten Einsatz der Aktoren im Bereich der Rastertunnelmikroskopie folgt eine weitere Forderung an den Verstärker: Bei einer sprungartigen Änderung des Eingangssignals darf der Ausgang des Verstärkers kein Überschwingen aufweisen.

Dieser Forderung und die notwendige Stabilität bei kapazitiver Belastung wird der in dieser Arbeit entwickelte Verstärker (siehe Abbildung 1) gerecht.

Für die Ansteuerung des Verstärkers wurde eine busfähige Ansteuerungselektronik mit zwei Digital-Analog-Umsetzern entwickelt (siehe Abbildung 2). Ein Ausgabekanal der vorliegenden Elektronik beinhaltet einen Funktionsgenerator, welcher über die Methode der direkten digitalen Synthese (DDS) periodische Kurvenformen erzeugt. Das gewünschte Ausgabesignal wird über eine GPIB- oder USB-Schnittstelle ausgewählt, mit einem Microcontroller ausgewertet und über den entsprechenden Digital-Analog-Umsetzer ausgegeben.

Die Entscheidung zur Implementierung einer GPIB-Schnittstelle wurde getroffen, um eine Integration in bestehende Messsysteme, die über eine solche verfügen, zu ermöglichen. Eine modulare Bauweise der Hardware ermöglicht deren Verwendung mit anderen Microcontrollern und kann als Basis für die Ausstattung weiterer Geräte mit einer GPIB-Schnittstelle verwendet werden.

Abbildung 1: Verstärker für Piezoaktoren

Abbildung 1: Verstärker für Piezoaktoren

Abbildung 2: Busfähige Ansteuerungselektronik

Abbildung 2: Busfähige Ansteuerungselektronik

Juli 2007