CN103546060B - 一种纳米操纵器高压控制电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米操纵器高压控制电源系统，包括：电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源、纳米操纵器、上位机，其中所述电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源接受上位机发出的运动控制信号，经过处理、放大并发出高压稳定的脉冲电压信号驱动所述纳米操纵器在纳米尺度下的精确运动，同时把纳米操纵器的运动轨迹反馈回上位机，从而实现了对纳米操纵器的智能化精确控制。所述电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源包括线性可调高压放大电路及其附属电路和以DSP芯片为核心控制的嵌入式控制器DSP信号控制器。所述的上位机，包括PC机和PS手柄，通过电路切换能同时控制，也能够单独的控制，可很方便的实现两种控制之间的转换，操作过程人性化，直观化。

Description

一种纳米操纵器高压控制电源系统

技术领域

本发明属于高压驱动电源控制领域，主要涉及一种用于驱动在扫描电子显微镜和透射电子显微镜下的微/纳米微位移器运动的高压线性控制电源系统。

背景技术

随着电子显微技术的发展，微米/纳米尺度下纳米单体操纵、拼接、剪裁，和纳米单体电镜原位物性测量成为研究的热点。因此，纳米操纵器的研发和应用受到广泛的关注。将用于探测纳米单体材料各种力学性质、摩擦系数、电学性质、磁学性质、生物小信号等的传感器及与其相连的精确测量系统集成在纳米操纵器机械臂上就可以实现纳米尺度的操作及测量。原位纳米操纵器主要有扫描电子显微镜原位纳米操纵器和透射电子显微镜原位纳米操纵器两种。将纳米操纵器移植到扫描电子显微镜和透射电子显微镜中，利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜的成像系统，在纳米尺度下实时观测及控制纳米操纵器的运动及信号采集，从而完成对材料原位材料结构、成分和电子态分析及其他纳米尺度的原位操作，结合计算机强大的数据运算和处理能力，可以实现对纳米操纵器的智能化控制和整个实验过程的实时动态记录。

电子显微镜原位纳米操纵器的运动控制基本原理是利用压电陶瓷的逆压电效应，施加电场的瞬间，材料产生可控的应变反应来实现。性能良好的用于压电陶瓷驱动的控制电源系统是高精度微位移技术得以广泛发展的前提，目前压电陶瓷驱动电源技术已成为当前的研究热点。压电陶瓷驱动电源技术从其原理上讲，有电压驱动型和电荷驱动型两种。电压驱动型电源有两种驱动形式，第一种是直流放大式驱动电源，具有输出纹波小、频响范围宽的特点，随着高压运放技术的成熟，这种放大电源成为该领域的主流；另外一种是，根据直流变换原理的开关式电源，特点是功率损耗小、高频干扰强、电源输出纹波较大、频响范围窄。电荷驱动型压电陶瓷驱动电源可以较好的解决压电陶瓷的迟滞和蠕变问题，因此在理想情况下，一般采用电荷驱动的控制方式。但是由于电荷驱动法电路极其复杂，实施较为困难，并且频率的响应时间较长，电源输出的动态特性较差，所以实际中应用这种方法的驱动电源并不多。

电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源系统就是采取压电陶瓷直流放大式驱动电源技术，根据压电陶瓷在电场作用下产生的形变的特点，产生高压的脉冲信号来驱动纳米操纵器运动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现对纳米操纵器的运动提供精确控制的高压线性控制电源系统，该高压线性控制电源输出电压具有纹波小，频率响应快、电压范围广等特点。

本发明是通过以下技术方案来实现的：本发明提供了一种纳米操纵器高压控制电源系统。该系统包括：

电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源，把接受到的上位机发出的控制信号处理成稳定的脉冲电压信号驱动所述纳米操纵器在纳米尺度下的精确运动，同时把纳米操纵器的实时运动轨迹反馈回上位机；

与所述电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源连接、用于接收脉冲高压信号并进行精确运动的纳米操纵器；

与所述电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源连接、用于发出控制信号和接受、显示纳米操纵器实时运动轨迹的上位机。

作为优选，电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源包括：

DSP信号控制器，接受上位机发出的控制信号，输出低压脉冲信号给线性可调高压放大电路，接受附属电路输出的纳米操纵器实时运动轨迹模拟信号并把其转换为数字信号反馈给上位机；

线性可调高压放大电路其附属电路，接受DSP信号控制器产生的低压模拟脉冲信号，经线性可调高压放大电路放大后可输出-350V~+350Ｖ电压范围的模拟脉冲信号驱动纳米操纵器运动，采集纳米操纵器实时运动轨迹模拟信号，并反馈给DSP信号控制器。

作为优选，线性可调高压放大电路及其附属电路包括:

线性可调高压放大电路，DSP信号控制器产生的低压模拟脉冲信号经线性可调高压放大电路放大后可输出-350V~+350Ｖ的电压范围模拟脉冲信号，驱动所述纳米操纵器在纳米尺度下的精确运动；

接口保护电路，与DSP控制器相连，用于防止所述纳米操作器反馈回来的信号电压或电流过大而破坏DSP控制器中的电路；

信号采集电路用于将所述纳米操纵器的位置信号传递给DSP控制器。

作为优选，线性可调高压放大电路包括：

电压跟随电路，大幅提高DSP信号控制器产生的低压模拟脉冲信号的保真度；

电压串联负反馈电路，把所述的电压跟随电路输出的低压模拟脉冲信号放大为可调、稳定的高压模拟脉冲信号。

作为优选，所述电压跟随电路由第一运算放大器构建，所述的第一运算放大器的同相输入端的输入电压信号为所述DSP信号控制器输出的低压脉冲信号，第一运算放大器的反向输入端与输出端短接。

作为优选，电压串联负反馈电路包括：第二运算放大器、第十电阻、第十二电阻、第十三电阻、第一电位器、第二电位器、第一高频快速开关二极管到第四高频快速开关二极管、第一N沟道场效应管、第二N沟道场效应管；

所述第一运算放大器输出电压作为所述第二运算放大器的同相输入端的输入电压；

所述第二运算放大器的同相输入端串接第一高频快速开关二极管负极，第一高频快速开关二极管正极接到第二高频快速开关二极管负极，第二高频快速开关二极管的正极接到第二运算放大器的反相输入端；

所述第二运算放大器的同相输入端串接第三高频快速开关二极管正极，第三高频快速开关二极管负极接到第四高频快速开关二极管正极，第四高频快速开关二极管的负极接到第二运算放大器的反相输入端；

所述第二运算放大器的反相输入端通过第十电阻接地；

所述第二运算放大器的反相输入端连接第一电位器一端，第一电位器另一端连接第一N沟道场效应管的漏极，第一N沟道场效应管的栅极通过第十二电阻接地，第一N沟道场效应管的源极直接接地；

所述第二运算放大器的反相输入端连接第二电位器一端，第二电位器另一端连接第二N沟道场效应管的漏极，第二N沟道场效应管的栅极通过第十三电阻接地，第二N沟道场效应管的源极直接接地。

作为优选，电压串联负反馈电路还包括：第一到第九电阻、第十一电阻、第一电容到第四电容、第一稳压管、第二稳压管、高压大功率PNP三极管、高压大功率NPN三极管、PNP三极管、NPN三极管、正高压电压源、负高压电压源；

所述第三电容与第十一电阻并联，并联的一端与所述第二运算放大器的反相输入端连接，另一端与输出电压端相连；

所述第二运算放大器的输出端通过第七电阻接地；

所述第二运算放大器的输出端通过第四电容与输出电压端相连；

所述正高压电压源通过第一电阻接到高压大功率PNP三极管集电极；

所述正高压电压源通过串接第四电阻和第五电阻接到高压大功率PNP三极管基极；

所述高压大功率PNP三极管发射极与输出电压端相连；

所述负高压电压源通过第二电阻接到高压大功率NPN三极管集电极；

所述负高压电压源通过串接第八电阻和第六电阻接到高压大功率NPN三极管基极；

所述高压大功率NPN三极管发射极与输出电压端相连。

所述正高压电压源通过第三电阻接到NPN三极管基极，公共点接到第一稳压管负极，第一稳压管正极接地，在第一稳压管并联第一电容；

所述第四电阻和第五电阻公共端接到NPN三极管集电极；

所述NPN三极管发射极分别接到第一运算放大器和第二运算放大器的正工作电源输入端上；

所述负高压电压源通过第九电阻接到PNP三极管基极，PNP三极管基极接到第二稳压管正极，第二稳压管负极接地，在第二稳压管并联第二电容；

所述第八电阻和第六电阻公共端接到PNP三极管发射极；

所述NPN三极管集电极分别接到第一运算放大器和第二运算放大器的负工作电源输入端上。

与现有技术相比，具有以下优点：

在满足电源性能要求的基础上，电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源系统的线性可调高压放大电路采取了简化设计，根据电源的具体使用条件，充分考虑电源供电的负载能力和持续工作时间，并采用低功耗器件，降低电路的电流损耗，提高电源的可靠性，有利于降低电源的功耗，而且延长了使用寿命。线性可调高压放大电路的电压放大范围较大，电路带负载能力较强，脉冲电压波形失真较小，电路的频率响应快，输出纹波极低，电源的稳定性≤10mV／8h，电源非线性失真≤0.2%。输出电压的分辨率高，而且良好的线性增益调节可以满足不同驱动电压的压电陶瓷微位移器，可以很好的用于压电陶瓷电子显微镜纳米操纵器的电源驱动。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源结构框图；

图2是本发明线性可调高压放大电路原理图；

图3是本发明线性可调高压放大电路的输入、输出电压波形图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源由DSP信号控制器和线性可调高压放大电路及其附属电路组成，如图1所示。

DSP信号控制器主要用于低压高稳定性脉冲信号的产生，可以编程不同频率的低压脉冲驱动信号，可通过并行串口实现上位机与线性可调高压放大电路及其附属电路的连接，从而通过上位机实现智能化控制原位纳米操纵器的运动、测量等操作。当串口通信打开时，可以通过设计的计算机软件控制界面或PS手柄来控制纳米操纵器的运动方向，计算机软件控制界面具有设置步长来改变纳米操纵器的位移精度的功能。在实际操作中，原位纳米操纵器将被移植在扫描电子显微镜或射电子显微镜中，通过CCD camera，就能清晰的观察并记录纳米操纵器在电子显微镜中的整个运动过程。通过该控制软件与CCD camera相结合就可以实时动态的高精度控制纳米操纵器，可以极大的提高操作效率，快速的高精度定位目标从而使纳米操纵器最大限度的完成预期的目的。整个系统对电子显微镜下的测量过程和结果实时、动态和图像化的记录和分析，效率高而且可控性好，最重要是其操作过程极其人性化，直观化。

线性可调高压放大电路及其附属电路包括线性可调高压放大电路、接口保护电路和信号采集电路。其中接口保护电路和信号采集电路用于相关信号的采集和保护，为线性可调高压放大电路的附属电路。线性可调高压放大电路主要作用就是放大由DSP信号控制器产生的低压模拟脉冲信号。线性可调高压放大电路的工作原理为低压脉冲信号输入到线性可调高压放大电路中，经运算放大器放大后输出到输出级三极管对，从而实现电压信号放大，电压串联负反馈电路的引入可以稳定增益提高电源的输出稳定性。线性可调高压放大电路包括电压跟随电路和电压串联负反馈电路，其电路原理如图2所示。

电压跟随器由快速转换运算放大器U₁构建而成，低压脉冲信号是经过电压跟随器进入快速转换运算放大器U₂的正相输入端，电压跟随器的作用为增大输入电阻，可以大幅减小输入电容大小，另外，将电压跟随器置于前级信号端和电压放大电路之间，可以切断放大电路的反电动势对前级输入信号的干扰作用，信号的保真度大幅提高。

电压串联负反馈电路用于电压信号的放大。稳压二极管D₁、D₂分别与C_１和C_２并联可以降低噪声引入的影响。U₂的输出通过电阻R_７接地，R_７对电路的稳定性和带宽具有十分重要作用。电流流入Ｕ₂供电端经过R_７到接地，该电流就是用来驱动输出级的三级管对Q₂和Q₄。流经R₅和R₆的电压同样被用来驱动输出级的三极管对Q₂和Q₄。放大电路的静态偏置电流的由电阻R₃、R₄和R₈、R₉决定，四个电阻采取并联分流的方法，增大电阻散热能力，有效的减小了温漂，保证放大电路的正常工作。为了避免寄生电荷导致的积分电路充电确保放大电路在安全工作区，以及为了消除静电和噪音的影响，必须加入输入保护电路，高频快速开关二极管D₃、D₄、D₅、D₆的引入可以有效的避免电路过电压。由场效应管Q₅、Q₆支路中RP₁、RP₂与R₁₀并联的等效电阻和R₁₁的阻值决定电压串联负反馈放大电路的放大增益。通过改变并联的场效应管Q₅、Q₆支路中RP₁、RP₂的阻值来调节线性可调高压放大电路的放大增益，从而实现的输出电压的线性调节。

作为一个实施例，线性可调高压放大电路进行了如下器件选型和参数选择：高压电压源采取直流±350V；快速转换运算放大器选择LF451CM，其最大工作电压为±18Ｖ，由于在现成的电路中没有其他独立供电低压供电电源，利用Q_１、Q₃、R₄、R₈以及两个稳压二极管，可以为U_１和U₂提供±11Ｖ左右的电压；输出级的三极管对Q₂和Q₄采取大功率三极管MJE340/350，该大功率管产热极高，需重点考虑其散热；场效应管Q₅、Q₆选择JEFT型。运算放大器LF451CM是一个低成本、JEFT输入型高速宽频带的运算放大芯片，其性能稳定、可靠性高的，LF451CM可以很好的匹配高压JEFT的信号输入，拥有极低的输入偏置电流和低噪声特点，结合高压三极管功率对MJE340/350可以输出电压范围大，稳定性好的高压脉冲信号，使得线性可调高压放大电路具有极高电压分辨率和电源抑制比。对电路相关性能测试结果表明：在前级加入电压跟随器，可以隔离负反馈引入的反馈信号与输入信号，避免信号叠加，从而断开负反馈回路消除大环路负反馈对放大电路的影响；放大电路中引入电压串联负反馈，能提高增益的恒定性，减少非线性失真，扩展频带，提高输入电阻，减小输出电阻；线性可调高压放大电路放大后可输出-350V～+350Ｖ的电压范围，频率响应范围可以在1～100kHz，具有低纹波输出特性。线性可调高压放大电路的输入、输出电压波形见图3。

Claims (4)

1.一种纳米操纵器高压控制电源系统，其特征在于，包括：

-电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源，把接受到的上位机的控制信号处理成稳定的脉冲电压信号驱动所述纳米操纵器在纳米尺度下的精确运动，同时把纳米操纵器的实时运动轨迹反馈回上位机；

-与所述电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源连接、用于接收脉冲高压信号并进行精确运动的纳米操纵器；

-与所述电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源连接、用于发出控制信号和接受、显示纳米操纵器实时运动轨迹的上位机；

所述电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源包括：

-DSP信号控制器，接受上位机发出的控制信号，输出低压脉冲信号给线性可调高压放大电路，接受附属电路输出的纳米操纵器实时运动轨迹模拟信号并把其转换为数字信号反馈给上位机；

-线性可调高压放大电路及其附属电路，接受DSP信号控制器产生的低压模拟脉冲信号，经线性可调高压放大电路放大后可输出-350V～+350V电压范围的模拟脉冲信号驱动纳米操纵器运动，采集纳米操纵器实时运动轨迹模拟信号，并反馈给DSP信号控制器；

所述线性可调高压放大电路及其附属电路包括：线性可调高压放大电路、接口保护电路和信号采集电路；

所述线性可调高压放大电路包括电压跟随电路和电压串联负反馈电路。

2.根据权利要求1所述的纳米操纵器高压控制电源系统，其特征在于，所述电压跟随电路包括：第一运算放大器；

所述的第一运算放大器的同相输入端的输入电压信号为所述DSP信号控制器输出的低压脉冲信号，第一运算放大器的反向输入端与输出端短接，组成电压跟随器。

3.根据权利要求2所述的纳米操纵器高压控制电源系统，其特征在于，所述电压串联负反馈电路包括：第二运算放大器、第十电阻、第十二电阻、第十三电阻、第一电位器、第二电位器、第一高频快速开关二极管到第四高频快速开关二极管、第一N沟道场效应管、第二N沟道场效应管、第三电容、第四电容；

所述第一运算放大器输出电压作为所述第二运算放大器的同相输入端的输入电压；

所述第二运算放大器的同相输入端串接第一高频快速开关二极管负极，第一高频快速开关二极管正极接到第二高频快速开关二极管负极，第二高频快速开关二极管的正极接到第二运算放大器的反相输入端；

所述第二运算放大器的同相输入端串接第三高频快速开关二极管正极，第三高频快速开关二极管负极接到第四高频快速开关二极管正极，第四高频快速开关二极管的负极接到第二运算放大器的反相输入端；

所述第二运算放大器的反相输入端通过第十电阻接地；

所述第二运算放大器的反相输入端连接第一电位器一端，第一电位器另一端连接第一N沟道场效应管的漏极，第一N沟道场效应管的栅极通过第十二电阻接地，第一N沟道场效应管的源极直接接地；

所述第二运算放大器的反相输入端连接第二电位器一端，第二电位器另一端连接第二N沟道场效应管的漏极，第二N沟道场效应管的栅极通过第十三电阻接地，第二N沟道场效应管的源极直接接地。

4.根据权利要求3所述的纳米操纵器高压控制电源系统，其特征在于，所述电压串联负反馈电路还包括：第一到第九电阻、第十一电阻、第一电容到第四电容、第一稳压管、第二稳压管、高压大功率PNP三极管、高压大功率NPN三极管、PNP三极管、NPN三极管、正高压电压源、负高压电压源；

所述第三电容与第十一电阻并联，并联的一端与所述第二运算放大器的反相输入端连接，另一端与输出电压端相连；

所述第二运算放大器的输出端通过第七电阻接地；

所述第二运算放大器的输出端通过第四电容与输出电压端相连；

所述正高压电压源通过第一电阻接到高压大功率PNP三极管集电极；

所述正高压电压源通过串接第四电阻和第五电阻接到高压大功率PNP三极管基极；

所述高压大功率PNP三极管发射极与输出电压端相连；

所述负高压电压源通过第二电阻接到高压大功率NPN三极管集电极；

所述负高压电压源通过串接第八电阻和第六电阻接到高压大功率NPN三极管基极；

所述高压大功率NPN三极管发射极与输出电压端相连；

所述正高压电压源通过第三电阻接到NPN三极管基极，公共点接到第一稳压管负极，第一稳压管正极接地，在第一稳压管并联第一电容；

所述第四电阻和第五电阻公共端接到NPN三极管集电极；

所述NPN三极管发射极分别接到第一运算放大器和第二运算放大器的正工作电源输入端上；

所述负高压电压源通过第九电阻接到PNP三极管基极，PNP三极管基极接到第二稳压管正极，第二稳压管负极接地，在第二稳压管并联第二电容；

所述第八电阻和第六电阻公共端接到PNP三极管发射极；

所述NPN三极管集电极分别接到第一运算放大器和第二运算放大器的负工作电源输入端上。