CN106169881B - 一种基于dds的碰撞反应池射频电源 - Google Patents

一种基于dds的碰撞反应池射频电源 Download PDF

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Abstract

一种基于DDS的碰撞反应池射频电源，属于测试分析仪器射频电源领域。包括控制电路、直流电源、DDS信号发生电路、驱动电路、放大电路、LC谐振电路。所述基于DDS的碰撞反应池射频电源，由控制电路控制DDS信号发生电路产生特定频率的信号，该信号经驱动电路和放大电路后，通过线圈耦合至LC谐振电路，LC谐振电路的电路参数由DDS信号的频率和最终输出信号的幅值确定。最终输出两路幅值相等、相位相差180度的射频信号，其频率可从几百kHz到几MHz，频率分辨率可达1Hz，幅值可从零到上千伏特。该射频电源适用于质谱仪的多极杆碰撞反应池或者其它基于多极杆的离子整形装置。

Description

一种基于DDS的碰撞反应池射频电源
技术领域
本发明属于测试分析仪器射频电源领域，特别涉及一种基于DDS的碰撞反应池射频电源。该射频电源适用于质谱仪的多极杆碰撞反应池或者其它基于多极杆的离子整形装置。
背景技术
目前，质谱仪在快速检测领域得到了广泛应用，几乎可以检测元素周期表中所有的元素。而六极杆碰撞反应池、八极杆碰撞反应池以及其它多极杆碰撞反应池技术的应用，又使得其在同位素测试领域中占有独一无二的地位。
在质谱仪的多极杆碰撞反应池中，等离子体和碰撞气发生剧烈碰撞，碰撞之后，离子的动能分布从几eV降低到0.1eV左右，这将使得碰撞后的离子传输效率大大增加，同质异位素干扰被明显降低，同位素比值测试精度和检出限能被显著改善。而提供这种碰撞所需的动力源来自于碰撞反应池射频电源，实验表明，碰撞反应池射频电源质量的好坏直接影响质谱仪的检测结果，其中频率和幅值是衡量碰撞反应池射频电源的重要指标，而传统的碰撞反应池射频电源通常利用自谐振电路产生射频信号。有实验结果表明碰撞反应池射频电源的频率对离子通过率具有很大的影响。但是，由于碰撞反应池中多极杆负载的不断变化，单纯地依靠自谐振产生射频信号，很难保证振荡频率的一致性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DDS的碰撞反应池射频电源，解决了上述现有技术中的由于碰撞反应池中多极杆负载的不断变化，单纯地依靠自谐振产生射频信号，很难保证振荡频率的一致性等问题；可以很好地保证碰撞反应池射频电源信号频率的一致性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明包括控制电路1，直流电源2，DDS信号发生电路3，驱动电路4，放大电路5以及LC谐振电路6。控制电路1连接直流电源2和DDS信号发生电路3，DDS信号发生电路3连接驱动电路4，驱动电路4连接放大电路5，放大电路5连接LC谐振电路6。LC谐振电路6是磁环变压器先并联电容器、再串联电感器的结构。DDS信号发生电路3产生300KHz～3MHz的正弦信号，该信号经驱动电路4和放大电路5后通过线圈耦合至LC谐振电路6，LC谐振电路6的电路参数由DDS信号的频率和最终输出信号的幅值确定。最终输出两路幅值相等、相位相差180度的射频信号，其频率可从几百kHz到几MHz，频率分辨率可达1Hz，幅值范围为0～1KV。
本发明所述的控制电路1控制各个模块的电压输出以及DDS信号的产生。
本发明所述的直流电源2为DDS信号发生电路3、驱动电路4、放大电路5、LC谐振电路6提供直流工作电压。
本发明所述的DDS信号的频率决定了多极杆射频电源的工作频率。
本发明所述的驱动电路4放大DDS产生的信号以驱动后级的功率放大电路。
本发明所述放大电路5采用MOSFET，以电压控制输出电流，产生一定功率的输出信号，进而控制LC谐振电路输出信号的幅值。
本发明所述的LC谐振电路6谐振于DDS信号频率附近。最终输出两路幅值相等、相位相差180度的射频信号，其频率可从几百kHz到几MHz，频率分辨率可达1Hz，幅值可从零到上千伏特。
有益效果
本发明对已有技术具有以下创新点：
1、将DDS技术与现有的碰撞反应池射频电源技术相结合；
2、频率控制更加精准，其频率特性明显优于传统的自谐振方式的碰撞反应池射频电源；
3、采用大功率驱动电路，可以使输出信号的幅值达上千伏特。
本发明对已有技术具有以下显著优点：
1、DDS技术的运用解决了传统自谐振碰撞反应池射频电源频率不一致的问题；
2、基于DDS高精度，频率可调节的特点，可以在不改变电路结构的情况下，只改变DDS输出的信号频率来满足实际工程中的需要；
3、输出信号幅值范围大，可从零到上千伏特。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚地了解本发明的技术手段，并可依照说明书内容予以实施，以下配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的一个实施例的总体框架图。
图2为本发明的一个实施例图1的DDS信号发生电路的一个实施例的框图。
图3为本发明的一个实施例图1的驱动电路和放大电路的一个实施例的示意图。
图4为本发明的一个实施例图1的LC谐振电路的一个实施例的示意图。
图5为本发明的一个实施例的测试结果图1。
图6为本发明的一个实施例的测试结果图2。
图中：控制电路1、直流电源2、DDS信号发生电路3、驱动电路4、放大电路5、LC谐振电路6、MCU控制器7、DDS芯片8(DDS芯片AD9850)、椭圆低通滤波电路9、电源管理10、参考时钟11；电阻R1～R9，电容器C1～C7，电感L1～L7，NPN型三极管Q1～Q4，MOSFET功放管Q5，变压器T1，偏置电平RF-LEVEL，六极杆偏置电压HexDC，六极杆两路输出信号Hex1～Hex2，DDS输出信号DDS-OUT，MOSFET功放管输出信号RFOUT，接地端GND。相同的附图标记指的是遍及附图的对应部分。
具体实施方式
本发明涉及碰撞反应池射频电源技术的改进。提供具体实施例说明是为了使本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明，并且以下说明是在专利申请及其权利要求的范围内提出的。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据附图获得其他的设计。因此，本发明不限于所要具体说明的实施例，而是与在此所描述的原理和特征的最宽范围相一致。
本发明的碰撞反应池射频电源适用于六极杆碰撞反应池、八极杆碰撞反应池以及其它多极杆碰撞反应池。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的一个实施例--基于DDS的六极杆碰撞反应池射频电源对本发明实施方式作进一步地详细描述。
参照图1所示，一种基于DDS的六极杆碰撞反应池射频电源框图，包括控制电路1，直流电源2，DDS信号发生电路3，驱动电路4，放大电路5以及LC谐振电路6。所述基于DDS的六极杆碰撞反应池射频电源的各个模块的直流电压由直流电源2提供，控制电路1控制各个模块电压的输出以及DDS信号的产生，主要是控制DDS信号发生电路的信号频率。DDS信号发生电路3产生的信号经驱动电路4初步放大后进入放大电路5，驱动电路4的驱动信号是可调的。经放大电路5放大的信号经由LC谐振电路6输出两路幅值相等、相位相差180度的射频信号，其频率可从几百kHz到几MHz，频率分辨率可达1Hz，幅值可从零到上千伏特。
下面结合图2到图6对基于DDS的六极杆碰撞反应池射频电源作进一步说明。
如图2所示，为DDS信号发生电路的框图，包括MCU控制器7，DDS芯片AD98508，椭圆低通滤波器9，以及电源管理模块10和DDS参考时钟11。电源管理模块10为MCU控制器7和芯片AD9850 8提供工作电压，参考时钟11为AD9850提供工作的参考时钟，一般为温度补偿晶振，MCU控制器7控制AD9850产生特定频率的信号，该信号经椭圆低通滤波器9滤除谐波后进入驱动电路4。在替代实施例中，可以根据需要选择不同内核的控制器，DDS芯片以及这些组件和配置之外的组件和配置来实现。
如图3所示，为驱动电路4和放大电路5的示意图，本实施例中采用四只NPN型三极管Q1～Q4作为驱动电路，驱动大功率MOSFET Q5。DDS信号发生电路3产生信号DDS-OUT经由驱动电路4后进入放大电路5进行放大并输出信号RF-OUT，驱动电路输入到放大电路5的信号大小由偏置电平RF-LEVEL决定。在替代实施例中，可以根据需要选择不同数量不同类型的三极管，MOSFET芯片以及这些组件和配置之外的组件和配置来实现。
如图4所示，为LC谐振电路示意图，本实施例中采用一个变压器T1、六个电感L2～L7以及四个电容C4～C7组成LC谐振电路，它们的取值由DDS输出信号的频率决定，变压器的绕制方式决定了输出的两路信号的相位和大小。在本实施例中，变压器的两组次级绕组，绕制方向相反，匝数相同，输出的两路六极杆信号Hex1和Hex2幅值相同，相位相反。在替代实施例中，可以根据需要选择不同数量不同取值的电感和电容，采取不同的变压器绕制方式，以及这些组件和配置之外的组件和配置来实现。
如图5和图6所示，为两组不同条件下基于DDS的六极杆碰撞反应池射频电源的输出信号测试结果图。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域内的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于DDS的碰撞反应池射频电源，其包括控制电路(1)、直流电源(2)、DDS信号发生电路(3)、驱动电路(4)、放大电路(5)以及LC谐振电路(6)，其中，所述控制电路(1)连接所述直流电源(2)和所述DDS信号发生电路(3)，所述DDS信号发生电路(3)连接所述驱动电路(4)，所述驱动电路(4)连接所述放大电路(5)，所述放大电路(5)连接所述LC谐振电路(6)；其特征在于，所述驱动电路(4)包括三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3和三极管Q4，一电阻R3的一端连接所述三极管Q1的基极，该电阻R3的另一端连接有一偏置电平RF-LEVEL，所述三极管Q2的集电极、所述三极管Q4的集电极、一电阻R1的一端和一电阻R2的一端连接于所述三极管Q1的集电极，所述三极管Q3的基极和一电阻R4的一端连接于所述三极管Q1的发射极，该电阻R4的另一端接地，所述三极管Q3的发射极连接一电阻R7的一端，所述DDS信号发生电路(3)连接该电阻R7的另一端以将所述DDS信号发生电路(3)的输出信号DDS-OUT输入所述驱动电路(4)，所述电阻R1的另一端和所述三极管Q2的基极连接于所述三极管Q3的集电极，一电阻R5的一端连接所述三极管Q2的发射极，该电阻R5的另一端接地，一电阻R6的一端和所述三极管Q4的基极连接于所述电阻R2的另一端，该电阻R6的另一端接地，一电容C2跨接于所述电阻R5的所述一端和所述电阻R6的所述一端之间，一电阻R8的一端连接所述三极管Q4的发射极，该电阻R8的另一端接地；所述放大电路(5)包括一电感L1、一MOSFET功放管Q5、一电容C3和一电阻R9，所述电感L1的一端和所述电容C3的一端连接于所述MOSFET功放管Q5的漏极，所述MOSFET功放管Q5的栅极连接一电容C1的一端，所述电感L1的另一端和所述电容C1的另一端连接于所述驱动电路(4)的所述三极管Q4的集电极，所述电阻R9的一端连接所述MOSFET功放管Q5的源极，所述电阻R9的另一端接地，所述电容C3的另一端连接所述LC谐振电路(6)以将所述放大电路(5)的输出信号RF-OUT输入所述LC谐振电路(6)，所述LC谐振电路(6)是磁环变压器先并联电容器、再串联电感器的结构；所述DDS信号发生电路(3)产生的所述输出信号DDS-OUT为300KHz～3MHz的正弦信号，该输出信号DDS-OUT经所述驱动电路(4)和所述放大电路(5)后通过线圈耦合至所述LC谐振电路(6)，所述LC谐振电路(6)的电路参数由所述输出信号DDS-OUT的频率和最终输出信号的幅值确定，所述LC谐振电路(6)谐振于所述输出信号DDS-OUT的频率附近并最终输出两路幅值相等、相位相差180度的射频信号，该射频信号的频率从几百kHz到几MHz，频率分辨率达1Hz，幅值范围为0～1KV。
2.根据权利要求1所述的一种基于DDS的碰撞反应池射频电源，其特征在于，所述控制电路(1)控制各个模块的电压输出以及所述输出信号DDS-OUT的产生。
3.根据权利要求1所述的一种基于DDS的碰撞反应池射频电源，其特征在于，所述直流电源(2)为所述DDS信号发生电路(3)、驱动电路(4)、放大电路(5)以及LC谐振电路(6)提供直流工作电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于DDS的碰撞反应池射频电源，其特征在于，所述输出信号DDS-OUT的频率决定了多极杆射频电源的工作频率。
5.根据权利要求1所述的一种基于DDS的碰撞反应池射频电源，其特征在于，所述驱动电路(4)放大所述输出信号DDS-OUT以驱动后级的所述放大电路(5)。
6.根据权利要求1所述的一种基于DDS的碰撞反应池射频电源，其特征在于，所述放大电路(5)以电压控制输出电流，产生一定功率的所述输出信号RF-OUT，进而控制所述LC谐振电路(6)的输出信号的幅值。
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