CN107515640B - 一种适用于流式细胞分析仪的稳压控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于流式细胞分析仪的稳压控制电路，包括：高压模块、控制模块以及调整模块，其中，高压模块，用于提供预设数值的直流电压；控制模块，用于输出调整电压；调整模块，分别与高压模块和控制模块连接，用于根据控制模块输出的调整电压对高压模块输出的直流电压进行线性调整，得到需求数值的直流电压，供给雪崩发光二极管。其通过调整模块中的线性调整单元对高压模块输入的直流电压进行线性调整，实现对APD的供给电压的线性控制，为APD提供稳定的直流电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制电路，尤其是一种适用于流式细胞分析仪的稳压控制电路，属于电路控制技术领域。
背景技术
在生物和医疗领域，往往采用流式细胞分析仪来定量统计和分析生物细胞种类和数量，在该过程中：首先采用荧光试剂对样本染色；之后将被染色的样本粒子在经过检测区时利用激光光束对其进行照射，由于不同种类的被染色的样本粒子在激光光束的激发下会发出不同波长与不同能量的荧光信号，因此之后采用多个光电接收器接收不同的荧光信号，这些荧光信号照射在如雪崩二级管等光电传感器上之后，产生能够反映样本粒子表征的电脉冲信号。电脉冲信号经过信号调理，基线恢复，模拟信号到数字信号的转换，最后通过参数提取获得荧光信号的表征，完成对样本的分析。
在常规的流式细胞分析仪中，光电传感器一般都会采用光电倍增管(PMT)这种成熟的技术。由雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，以下简称APD)组成的光电传感器具有更好的光学灵敏度，因此该类光电传感器逐步应用起来。APD在工作时需要施加一个反向结压，当接收到射线时产生电子空穴对，该电子空穴对被外加电场收集并转换为电流，具体电流强度正比于射线强度。
一般来说，APD的电源必须具有大约+0.2％/℃的温度系数，大约相当于100mV/℃。由于一般光模块的工作电压为3.3V或5V，为了满足APD工作电压的需求(0～300V)，目前市面上一般采用升压电路、倍压电路，同时在APD后添加一个温度补偿来实现，如图1所示。电路图如图2所示，具体，通过转换器U1(可选用型号为LT1930转换器)和电感L1组成升压电路，通过二极管D1、D2、D3及电感C2作为倍压电路，通过负温度系数热敏电阻R3(NTC电阻)作为温度补偿实现对APD电压的供给(OUT端口输出)和控制。
但是，该电路很容易由于供给APD的PN结电压随着转换器U1及二极管(D1、D2、D3)的温度漂移引起输出的不稳定性，难以达到APD的需求。此外，每一路APD都需要一个高压模块，造成了不必要的浪费。
发明内容
本发明的目的旨在：提供一种稳压控制电路，有效解决了现有控制电路中出现的输出不稳定的技术问题。
本发明提供的技术方案如下：
一种适用于流式细胞分析仪的稳压控制电路，应用于APD，所述稳压控制电路中包括：高压模块、控制模块以及调整模块，其中，
所述高压模块，用于提供预设数值的直流电压；
所述控制模块，用于输出调整电压；
所述调整模块，分别与所述高压模块和控制模块连接，用于根据所述控制模块输出的调整电压对高压模块输出的直流电压进行线性调整，得到需求数值的直流电压，供给所述雪崩发光二极管。
进一步优选地，所述调整模块中包括：放大单元、线性调整单元以及分压单元，其中，
所述放大单元，与所述控制模块连接，用于对所述控制模块输出的调整电压进行放大；
所述线性调整单元，分别与所述放大单元和高压模块连接，用于根据所述放大后的调整电压对高压模块输出的直流电压进行线性调整；
所述分压单元，与所述线性调整单元连接，用于对线性调整单元调整后的电压进行分压，得到需求数值的直流电压，供给所述雪崩发光二极管。
进一步优选地，所述放大单元中包括一运算放大器，所述线性调整单元中包括：第一调整管、第二调整管以及第一电阻，分压单元中包括第一分压电阻和第二分压电阻，其中，
运算放大器的正输入端与所述控制模块的输出端连接、负输入端与输出端连接；
第一分压电阻的第一端与第二分压电阻的第一端连接、第二端接地；第二分压电阻的第二端与第二调整管的发射极连接；
第一调整管的发射极与运算放大器的输出端连接、基极与第一分压电阻的第一端连接、集电极与第二调整管的基极连接；
第一电阻的两端分别与第二调整管的基极和集电极连接；
第二调整管的集电极与高压模块的输出端连接，发射极作为调整模块的输出端，接入APD。
进一步优选地，所述高压模块提供300V的直流电压；
所述控制模块输出0～3.3V的调整电压；
所述调整模块根据所述控制模块输出的调整电压对高压模块输出的直流电压进行线性调整，得到0～300V的直流电压，供给所述雪崩发光二极管。
进一步优选地，所述调整模块中还包括分别与放大单元和分压单元连接的反馈单元；
所述调整模块输出的直流电压通过所述分压单元进行分压之后，通过所述反馈单元反馈至所述放大单元。
进一步优选地，所述放大单元中包括一比较放大器，所述线性调整单元中包括：第一调整管、第二调整管、第一电阻以及第二电阻，分压单元中包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述反馈单元中包括第一滤波电容和第一保护二极管，其中，
比较放大器的负输入端与所述控制模块的输出端连接，且负输入端通过第一滤波电容与输出端连接；
第一分压电阻的第一端与第二分压电阻的第一端连接、第二端接地，且所述第一分压电阻的第一端与比较放大器的正输入端连接；第二分压电阻的第二端与第二调整管的发射极连接；第一保护二极管的正端接地、负端与比较放大器的正输入端连接；
第一调整管的发射极通过第二电阻接地、基极与比较放大器的输出端连接、集电极与第二调整管的基极连接；
第一电阻的两端分别与第二调整管的基极和集电极连接；
第二调整管的集电极与高压模块的输出端连接，发射极作为调整模块的输出端，接入APD。
进一步优选地，所述线性调整单元中还包括一保护电阻和第二保护二极管，其中，
所述保护电阻的一端与第一调整管的集电极连接、另一端与第二保护二极管的负端连接；第二保护二极管的正端与第一调整管的发射极连接。
进一步优选地，所述线性调整单元中还包括一限流电阻，所述限流电阻的第一端与第一调整管的发射极连接、第二端与第二分压电阻的第二端连接。
根据以上技术方案提出的适用于流式细胞分析仪的稳压控制电路，与现在普遍使用的稳压控制电路相比较，具有以下特点：
1、在本发明提供的稳压控制电路中，通过调整模块中的线性调整单元对高压模块输入的直流电压进行线性调整，实现对APD的供给电压的线性控制，为APD提供稳定的直流电压；
2、可以使用该控制电路并联实现供给多个APD的电压输出要求，且只需要一个高压模块，相比于现有的每一路APD都需要一个高压模块来说，大大节约了资源；
3、线性调整单元中的两个调整管的温漂误差电压将通过比较放大器(放大单元)的输入端形成闭环控制，从而消除这种温漂引起的误差电压。在实际应用中，采用低噪音低温飘的比较放大器实现闭环抑制温飘稳定输出电压给APD的目的。
附图说明
图1为现有技术中APD供压电路结构示意图；
图2为现有技术中APD供压电路示意图；
图3为本发明中稳压控制电路结构示意图；
图4为本发明中调整模块一种实施方式结构示意图；
图5为本发明中稳压控制电路一实例电路图；
图6为本发明中调整模块另一种实施方式结构示意图；
图7为本发明中稳压控制电路另一实例电路图；
图8为本发明中稳压控制电路另一实例电路图；
图9为未使用稳压控制电路时的波形状态示意图；
图10为使用稳压电路后的波形状态示意图。
附图标号说明：
100-稳压控制电路，110-高压模块，120-控制模块，130-调整模块，131-放大单元，132-线性调整单元，133-分压单元，134-反馈单元。
具体实施方式
以下结合说明书附图进一步阐述本发明并给出本发明的实施例。
下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。
如图3所示为本发明提供的稳压控制电路结构示意图，具体该稳压控制电路应用于APD，以为APD提供稳定的工作电压。从图中可以看出，在该稳压控制电路100中包括：高压模块110、控制模块120以及调整模块130，其中，调整模块130分别与高压模块110和控制模块120连接高压模块110。在工作过程中，高压模块110输出作为调整模块130的输入源，提供预设数值的直流电压；控制模块120通过内部的MCU(Micro-controller Unit，微控制单元)控制输出一定的调整电压；调整模块130根据控制模块120输出的调整电压对高压模块110输出的直流电压进行线性调整，得到应用中APD实际需求的直流电压，供给APD。
更具体，如图4所示，在调整模块130中包括：放大单元131、线性调整单元132以及分压单元133，其中，线性调整单元132分别与放大单元131和高压模块110连接，分压单元133与线性调整单元132连接。在对直流电压进行线性调整的过程中，高压模块110将预设大小的直流电压输入线性调整单元132，与此同时，控制模块120将调整电压输入放大单元131，放大单元131输入控制模块120输出的调整电压后对其进行放大，并将放大后的调整电压输入线性调整单元132。以此，线性调整单元132根据放大后的调整电压对高压模块110输出的直流电压进行线性调整，并通过分压单元133对线性调整单元132调整后的电压进行分压，得到需求大小的直流电压，供给雪崩发光二极管。
在实例中，由APD的工作电压范围为0～300V，因而高压模块110提供300VDC的电压，控制模块120输出0～3.3VDC的调整电压以输出0～300V的电压。
如图5所示，在放大单元131中包括运算放大器U2，线性调整单元132中包括第一调整管Q1、第二调整管Q2以及第一电阻R4，分压单元133中包括第一分压电阻R5和第二分压电阻R6，其中，运算放大器U2的正输入端(+)与控制模块120的输出端(图示中MCU 0～3.3VDC)连接、负输入端(-)与输出端(OUT)连接；第一分压电阻R5的第一端与第二分压电阻R6的第一端连接、第二端接地；第二分压电阻R6的第二端与第二调整管Q2的发射极连接；第一调整管Q1的发射极与运算放大器U2的输出端连接、基极与第一分压电阻R5的第一端连接、集电极与第二调整管Q2的基极连接；第一电阻R4的两端分别与第二调整管Q2的基极和集电极连接；第二调整管Q2的集电极与高压模块110的输出端(图示中300VDC)连接，发射极作为调整模块130的输出端(图示中APD_OUT)，接入APD。
此外，如图所示，在该调整模块130中还包括第三电阻R7、第二滤波电容C5、第三滤波电容C7以及第四滤波电容C6，其中，第三电阻R7的第一端与控制模块120的输出端连接、第二端与运算放大器U2的正输入端连接，第二滤波电容C5的第一端与第三电阻R7的第二端连接、第二端接地，第四滤波电容C6一端与调整模块输出端连接、另一端接地，第三滤波电容C7的第一端运算放大器U2的电源端(图示中5V)连接、第二端接地，且第三电阻R7、第二滤波电容C5为控制模块120控制输出电压的RC时间常数。
在工作过程中，控制模块120中的MCU输出的控制电压通过运算放大器U2将电压加给第一调整管Q1的发射极(E极)，调整模块130的输出电压通过第一分压电阻R5和第二分压电阻R6分压后加给第一调整管Q1的基极(B极)，通过第一调整管Q1和第二调整管Q2的线性调整，从而使调整模块130的输出电压在0～300VDC之间，满足对APD供给电压的线性控制，具体，调整模块130的输出电压HV_OUT与调整电压Control DC0～3.3V(同上述MCU 0～3.3VDC)之间的关系有：
HV_OUT*{R2/(R3+R2)}＝Control DC0～3.3V；
HV_OUT＝Control DC0～3.3V/{R2/(R3+R2)}。
在一实例中，运算放大器U2的型号为LM358(用作射随器)，第一调整管Q1的型号为FMMT458TA，第二调整管Q2的型号为FMMT458TA，第一电阻R4的阻值为10MΩ，第一分压电阻R5的阻值为121KΩ，第二分压电阻R6的阻值为10MΩ，第三电阻R7的阻值为10KΩ，第二滤波电容C5为NC，第三滤波电容C7的容量为0.1μF，第四滤波电容C6的容量为470nF/450V，在其他实例中，可以根据实际情况对各电子器件进行选型。
此外，若需要为多个APD供电，只需将多路调整模块130并联使用一个高压模块110300VDC即可满足需求。
对上述实施方式进行改进得到本实施方式，如图6所示，在该调整模块130中除了包括放大单元131、线性调整单元132以及分压单元133之外，还包括分别与放大单元131和分压单元133连接的反馈单元134，实现对调整模块130输出电压的闭环控制。
如图7，所示放大单元131中包括比较放大器U3，线性调整单元132中包括：第一调整管Q1、第二调整管Q2、第一电阻R4以及第二电阻R8，分压单元133中包括第一分压电阻R5和第二分压电阻R6，反馈单元134中包括第一滤波电容C8和第一保护二极管D4，其中，比较放大器U3的负输入端与控制模块120的输出端(图示中MCU 0～3.3VDC)连接，且负输入端通过第一滤波电容C8与输出端连接；第一分压电阻R5的第一端与第二分压电阻R6的第一端连接、第二端接地，且第一分压电阻R5的第一端与比较放大器U3的正输入端连接；第二分压电阻R6的第二端与第二调整管Q2的发射极连接；第一保护二极管D4的正端接地、负端与比较放大器的正输入端连接；第一调整管Q1的发射极通过第二电阻R8接地、基极与比较放大器U3的输出端连接、集电极与第二调整管Q2的基极连接；第一电阻R4的两端分别与第二调整管Q2的基极和集电极连接；第二调整管Q2的集电极与高压模块110的输出端(图示中300VDC)连接，发射极作为调整模块130的输出端(图示中APD_OUT)，接入APD。此外，如图所示，在该调整模块130中还包括第三电阻R7、第二滤波电容C5以及第三滤波电容C7，其中，第三电阻R7的第一端与控制模块120的输出端连接、第二端与运算放大器U2的正输入端连接，第二滤波电容C5的第一端与第三电阻R7的第二端连接、第二端接地，第三滤波电容C7的第一端运算放大器U2的电源端(图示中5V)连接、第二端接地。
对上述例进行改进得到本实例，如图8所示，在该实例中，线性调整单元132中还包括一保护电阻R9、第二保护二极管D5以及限流电阻R10，具体，保护电阻R9的一端与第一调整管Q1的集电极连接、另一端与第二保护二极管D5的负端连接；第二保护二极管D5的正端与第一调整管Q1的发射极连接，限流电阻R10的第一端与第一调整管Q1的发射极连接、第二端与第二分压电阻R6的第二端连接。
在工作过程中，控制模块120中的MCU控制输出0～3.3VDC的调整电压，并将其输出至比较放大器的负输入端，调整模块130的输出电压(图示中APD_OUT)通过第一分压电阻R5和第二分压电阻R6反馈到比较放大器U3的正输入端，通过与负输入端的输入电压比较后输出至第二调整管Q2的基极(B极)，以此两个调整管(第一调整管Q1和第二调整管Q2)的温飘误差电压通过比较放大器U3的输入端形成闭环控制，从而消除这种误差电压，达到闭环抑制温飘稳定输出电压给APD的目的。更具体来说，第一保护二极管D4用于防止脉冲电平损坏比较放大器U3，第三电阻R7、第二滤波电容C5为控制模块120控制输出电压的RC时间常数，第三滤波电容C7为补偿电容，第四滤波电容C6为调整模块130输出电压的滤波电容，保护电阻R9、第二保护二极管D5用于保护电路抑制输出APD电压的尖脉冲，限流电阻R10用于保护APD。
在一实例中，比较放大器U3的型号为LTC2050CS5，第一调整管Q1的型号为FMMT458TA，第二调整管Q2的型号为FMMT458TA，第一电阻R4的阻值为10MΩ，第二电阻R8为10KΩ，第一分压电阻R5的阻值为121KΩ，第二分压电阻R6的阻值为10MΩ，第三电阻R7的阻值为10KΩ，第二滤波电容C5为NC，第三滤波电容C7的容量为0.1μF，第四滤波电容C6的容量为470nF/450V，第一滤波电容C8的容量为0.22μF，第一保护二极管D4的型号为ESD9R3.3ST5G，保护电阻R9的阻值为10KΩ，第二保护二极管D5的型号为BAS19W-7-F，限流电阻R10的阻值为680KΩ，可以根据实际情况对各电子器件进行选型。
在上述实例中，第一调整管Q1、第二调整管Q2以及第一电阻R4组成线性调整主电路，比较放大器U3、第三电阻R7、第二滤波电容C5、第一滤波电容C8、第一分压电阻R5以及第二分压电阻R6组成比较放大器U3闭环控制电路作为温度补偿电路，利用运算放大器U3(型号为LTC2050CS5)进行闭环控制，由于型号为LTC2050CS5的运算放大器U3的噪音是为1.5uVp-p(0.01Hz-10Hz Typ)，输入温度漂移为+/-0.03uV/℃，远高于实际APD的100mV/℃的要求，足以实现温度补偿，稳定输出。
经申请人在本企业开发的流式细胞分析仪上实际使用表明：测试加入反馈到放大器后的测试输出电压变化值为峰峰值为16.3mV,有效值为5.8mV,性能得到了非常大的改善，具体测试波形见图9和图10；表明该稳压控制电路具有良好的使用性能。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种适用于流式细胞分析仪的稳压控制电路，其特征在于：应用于雪崩光电二极管，所述稳压控制电路中包括：高压模块、控制模块以及调整模块，其中，
所述高压模块，用于提供预设数值的直流电压；
所述控制模块，用于输出调整电压；
所述调整模块，其包括放大单元、线性调整单元以及分压单元，所述放大单元，与所述控制模块连接，用于对所述控制模块输出的调整电压进行放大；所述线性调整单元，分别与所述放大单元和高压模块连接，用于根据所述放大后的调整电压对高压模块输出的直流电压进行线性调整；所述分压单元，与所述线性调整单元连接，用于对线性调整单元调整后的电压进行分压，得到需求数值的直流电压，供给所述雪崩发光二极管；其中，
所述放大单元中包括一运算放大器，所述线性调整单元中包括：第一调整管、第二调整管以及第一电阻，分压单元中包括第一分压电阻和第二分压电阻，
运算放大器的正输入端与所述控制模块的输出端连接、负输入端与输出端连接；
第一分压电阻的第一端与第二分压电阻的第一端连接、第二端接地；第二分压电阻的第二端与第二调整管的发射极连接；
第一调整管的发射极与运算放大器的输出端连接、基极与第一分压电阻的第一端连接、集电极与第二调整管的基极连接；
第一电阻的两端分别与第二调整管的基极和集电极连接；
第二调整管的集电极与高压模块的输出端连接，发射极作为调整模块的输出端，接入雪崩光电二极管。
2.如权利要求1所述的一种适用于流式细胞分析仪的稳压控制电路，其特征在于：
所述高压模块提供300V的直流电压；
所述控制模块输出0～3.3V的调整电压；
所述调整模块根据所述控制模块输出的调整电压对高压模块输出的直流电压进行线性调整，得到0～300V的直流电压，供给所述雪崩发光二极管。
3.如权利要求1所述的一种适用于流式细胞分析仪的稳压控制电路，其特征在于：所述调整模块中还包括分别与放大单元和分压单元连接的反馈单元；
所述调整模块输出的直流电压通过所述分压单元进行分压之后，通过所述反馈单元反馈至所述放大单元。
4.如权利要求3所述的一种适用于流式细胞分析仪的稳压控制电路，其特征在于：所述放大单元中包括一比较放大器，所述线性调整单元中包括：第一调整管、第二调整管、第一电阻以及第二电阻，分压单元中包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述反馈单元中包括第一滤波电容和第一保护二极管，其中，
比较放大器的负输入端与所述控制模块的输出端连接，且负输入端通过第一滤波电容与输出端连接；
第一分压电阻的第一端与第二分压电阻的第一端连接、第二端接地，且所述第一分压电阻的第一端与比较放大器的正输入端连接；
第二分压电阻的第二端与第二调整管的发射极连接；第一保护二极管的正端接地、负端与比较放大器的正输入端连接；
第一调整管的发射极通过第二电阻接地、基极与比较放大器的输出端连接、集电极与第二调整管的基极连接；
第一电阻的两端分别与第二调整管的基极和集电极连接；
第二调整管的集电极与高压模块的输出端连接，发射极作为调整模块的输出端，接入雪崩光电二极管。
5.如权利要求4所述的一种适用于流式细胞分析仪的稳压控制电路，其特征在于：所述线性调整单元中还包括一保护电阻和第二保护二极管，其中，所述保护电阻的一端与第一调整管的集电极连接、另一端与第二保护二极管的负端连接；第二保护二极管的正端与第一调整管的发射极连接。
6.如权利要求4或5所述的一种适用于流式细胞分析仪的稳压控制电路，其特征在于：所述线性调整单元中还包括一限流电阻，所述限流电阻的第一端与第一调整管的发射极连接、第二端与第二分压电阻的第二端连接。
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