CN108696161A - 一种适用于四级杆质谱仪的射频电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适用于四级杆质谱仪的射频电源电路，具有高信号传输效率和控制精度，以及低空间辐射磁场，同时电路结构简单，极大地节省了硬件成本。该电路包括：正弦波振荡电路，与调频电路相连，用于产生正弦波电压信号并将正弦波电压信号输入到调频电路；调频电路，与放大电路相连，用于对正弦波电压信号的频率进行调制；放大电路，与升压变压器的输入侧绕组相连，用于对经过调制的正弦波电压信号进行放大；升压变压器，用于对经过调制的正弦波电压信号进一步放大；反馈回路，用于从升压变压器采集取样信号，通过桥式整流电路将脉动交流电压转换为脉动直流电压与后级基准电压进行差值运算并将差值信号反馈至调频电路，从而实现输出电压的稳定控制。

Description

一种适用于四级杆质谱仪的射频电源电路

技术领域

本发明涉及射频电源的技术领域，特别涉及一种适用于四级杆质谱仪的射频电源电路。

背景技术

质谱仪可用于物质定量定性的检测并且具备高效精确的测量特性，在生物、医疗、食品等领域具有广泛应用。四级杆作为质谱仪的核心部件之一，其通过交变电场的作用，实现不同质荷比离子分离。在交变电场环境中离子会根据电场强度进行振荡，只有特定质荷比的离子可以稳定的通过电场。当四极杆上的电场强度一定时，质量偏小的离子会受到很强的电场作用，导致其与四级杆内壁发生激烈碰撞，最终失去电荷而被真空系统抽走。质量过大的离子由于不能得到足够的电场能，导致其不能受电场牵引移动，最终与四级杆内壁碰撞飞出电场。

四级杆上的交变电场通常由射频电源产生的交流正弦波电场Vcos(ωt)与直流电源产生的直流高压电场U叠加而成，通过调整U与V的比值调节离子通过率。常规四级杆质谱仪使用的射频电源升压变压器为保证具有足够高的Q值，通常采用空气骨架，导致射频电源体积较大，线圈绕组过多，给安装调试带来诸多不便。进一步地，射频电源取样反馈电路通常采用电阻取样或光耦隔离取样，导致电路复杂，稳定性不高。而且，四级杆质谱仪通常采用模拟芯片实现PFM控制，其控制精度难以保证，且规模化生产一致性较差。

发明内容

为解决上述存在的问题与不足，设计制作一种基于MCU实现PFM控制技术的射频交流稳压电源。

本发明用于为质谱仪四级杆电路提供可调交流电压。该电路通过MCU实现 PFM控制，从而实现交流电场调节。该项发明技术相较于常规质谱仪中使用的射频电源电路，交流电压可调，体积小，稳定性好。常规射频电源升压变压器采用空气骨架，本发明则采用高磁导率材料作为磁芯，在保证高电荷量和足够电感量的前提下，大大缩小升压变压器的体积，同时减少了变压器绕组圈数。为保证采样精度，提高电路可靠性，本发明通过在升压变压器次级增加一组绕组实现输出电压取样。

本发明的目的在于提供一种适用于四级杆质谱仪的射频电源电路，其包括：

正弦波振荡电路，与调频电路相连，用于产生正弦波电压信号并将正弦波电压信号输入到调频电路；

调频电路，与放大电路相连，用于接收正弦波电压信号并对正弦波电压信号的频率进行调制；

放大电路，与升压变压器的输入侧绕组相连，用于对经过调制的正弦波电压信号进放大；

反馈回路，包括取样电路和MCU控制电路；

取样电路，连接在升压变压器的输出侧绕组与MCU控制电路之间，用于从升压变压器采集取样信号并输出至MCU控制电路；

MCU控制电路，连接在调频电路和取样电路之间，用于根据设定算法对取样信号进行取样处理，以产生频率可变的脉冲信号并反馈至调频电路；

直流电压电源模块，与升压变压器的输出侧绕组相连，用于向升压变压器提供直流电场；

升压变压器，与四级杆负载相连，用于对经放大电路放大的正弦波电压信号进一步放大以向四级杆负载提供交直流电场。

优选地，取样信号是电流信号。

优选地，设定算法是PID算法。

优选地，该电路还包括：直流电源，以及分别与直流电源相连的正降压电路和负降压电路；其中，

直流电源是正降压电路和负降压电路的工作电源，正降压电路用于向正弦波振荡电路提供正电压输入，负降压电路用于向正弦波振荡电路提供负电压输入。

优选地，正降压电路的输出端与调频电路的VCC接口和MCU控制电路的 VCC接口相连。

优选地，取样电路包括电桥、RC滤波器和取样放大器；其中，电桥是桥式整流电路；RC滤波器连接在电桥和取样放大器之间，用于对取样信号进行滤波；取样放大器与MCU控制电路相连，包括同相输入端和反相输入端，反相输入端与RC滤波器相连以接收经过滤波的取样信号，同相输入端接地。

进一步地，同相输入端与地之间接有稳压二极管。

优选地，放大电路还包括推挽式射极跟随器，用于对经过放大的正弦波电压信号进行阻抗变化。

优选地，直流电源与放大电路和推挽式射极跟随器相连，用于向放大电路和推挽式跟随器提供偏置电压。

优选地，升压变压器与四级杆负载相连，用于向四级杆负载提供交直流电场。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中的适用于四级杆质谱仪的射频电源电路的结构示意图

图2是如图1所示实施例的电路结构图，示出了射频电源电路向负载112提供交直流工作电压的电路原理。

图3是本发明的适用于四级杆质谱仪的射频电源电路的正弦波振荡电路的进一步实施例。

图4是本发明的适用于四级杆质谱仪的射频电源电路的放大电路的进一步实施例。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种适用于质谱仪的四级杆的射频电源电路，通过设置DC-DC转换电路实现了直流电压降压的功能，替代现有 技术中的采用变压器的方法，得到的降压后的直流电压更加稳定，而且简化了电路结构；另外，设计了一种取样电路，能够直接将从最终输出端采集到的电压信号直接反馈到调频电路，以供调频电路据此进行调频动作，进一步简化了电路结构；还有，通过采用MCU控制电路，能够对模拟信号形式的取样信号进行数字处理，控制精度更高并且环路相应更快。

术语

如本文所用，术语“PFM”指脉冲调频控制方法，能够调节调制信号的频率随输入信号幅值变化，而脉冲占空比不变。

本发明涉及一种适用于四级杆质谱仪的射频电源电路，包括：正弦波振荡电路，与调频电路相连，用于产生正弦波电压信号并将正弦波电压信号输入到调频电路；调频电路，与放大电路相连，用于对正弦波电压信号的频率进行调制；放大电路，与升压变压器的输入侧绕组相连，用于对经过调制的正弦波电压信号进行放大；述升压变压器，用于对经过调制的正弦波电压信号进一步放大；反馈回路，包括取样电路、以及与取样电路相连的MCU控制电路；取样电路，与升压变压器的输出侧绕组相连，用于从升压变压器采集取样信号并将取样信号反馈至MCU控制电路；MCU控制电路，与调频电路相连，用于根据设定PID算法指令对取样信号进行处理并产生频率可变的脉冲信号，而且将频率可变的脉冲信号经过取样处理后反馈至调频电路。

本发明相较于市面上常见射频电源，由于采用铁硅铝材质作为功率变压器磁芯，所以其体积减小很多，性能更加稳定，传输效率更高，空间辐射磁场降低了很多，有利于集成化安装调试。该方案通过MCU实现PFM调节控制，相较于传统的射频电源，其控制精度更高，环路响应速度更快。该电路取样反馈部分直接通过升压变压器输出侧绕组取样，相较于常规光耦隔离取样，性能更可靠，稳定性更高，电路结构简单。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法， 通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数是重量百分比和重量份数。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

图1是本发明的一个实施例中的适用于四级杆质谱仪的射频电源电路100的结构示意图。如图1所示，该电路100包括直流电源(24V)101，正电压降压电路102，负电压降压电路103，正弦波振荡电路104，调频电路105，共射级放大电路106，推挽式射极跟随器107，升压变压器108，直流高压电源模块109，取样电路110，MCU控制电路111以及四级杆负载112。

具体地说：24V直流电源101分别与正电压降压电路102和负电压降压电路103相连，作为电路102和103的输入电源；电源101还用于向共射极放大电路106和推挽式射极跟随器107提供偏置电压。

这两个降压电路102和103用于将直流电压转换成所需的较低的直流电压，，相对于采用传统变压器式线性电源实现DC-DC正负电源转换的方法，简化了电路结构，提升了电能传输利用率，并极大地降低了所需电气电路的体积。例如，正电压降压电路102对输入电源电压24V进行DC-DC降压后产生正电压12V；同理，负电压降压电路103对输入电源电压24V进行DC-DC降压后产生负电压-12V。降压电路102和103与振荡电路104相连，并输入正电压12V和负电压-12V到振荡电路104作为其工作电压，从而振荡电路104在该工作电压下产生正弦波电压 信号，因此±12V为该正弦波电压信号的电压幅值。该正弦波电压信号是射频电源电路100的初级电压信号，后续的电路结构主要用于对该初级电压信号进行放大、调制以及与直流电场叠加的处理。

另外，正电压降压电路102还与调频电路105和MCU控制电路111相连，用于向调频电路105和MCU控制电路111提供工作电压(例如“正电压12V”)。

正弦波振荡电路104、调频电路105、共射级放大电路106、推挽式射极跟随器107和升压变压器108依次进行电气连接。上述初级电压信号被输入至调频电路105，调频电路105对其进行调频处理后将经过调频的电压信号输入到共射级放大电路106，放大电路106对电压信号的幅值进行放大，放大倍数为10至20倍，随后推挽式射极跟随器107跟随保持经过放大的电压信号，并同时对信号的阻抗进行匹配处理，最大限度地降低前级信号损失。推挽式射极跟随器107与升压变压器108的输入侧绕组连接，因此经过放大处理和阻抗变换的正弦波电压信号驱动该升压变压器108，并经过升压功率变换后供给与升压变压器108相连的负载，在本实施例中，该负载为质谱仪的四级杆。同时，升压变压器108的输出侧绕组侧还接入了用于提供直流电场的直流高压电源模块109。模块109提供的直流电压与输出侧绕组上产生的交流电压相互叠加产生的叠加电压则为负载的工作电压。

在本实施例中，升压变压器108的磁芯采用具有较高磁导率的材料，例如铁硅铝磁环，相对于采用空气骨架作为磁芯的变压器可以极大地减小升压变压器108的绕组匝数，节省材料并且减小变压器体积；并且稳定性相比较于采用塑胶材料、其他低磁导率材料作为磁芯的变压器更好。

在本实施例中，取样电路110和MCU控制电路111构成负反馈回路，该反馈回路用于从升压变压器108取样，在对取样的交流电压信号进行数字处理后反馈至调频电路105，以供调频电路105根据反馈信号对初级电压信号的频率进行调制。具体地说，取样电路110与升压变压器108的输出侧绕组的一段相连，用于从升压变压器108的输出取样，即经过升压的正弦波电压信号，并将取样信号输入到MCU控制电路111，在接收到外部通讯指令后，MCU控制电路111根据外部通讯指令通过PFM调控技术对输出电压幅值实现调节控制。其中，外部通讯指令以设定平均电压值形式输出至MCU，例如5V等，技术人员可根据自身需求 进行设定。

图2是如图1所示实施例的电路结构图，示出了射频电源电路100向负载112提供交直流工作电压的电路原理。

如图2所示，U1和U2分别表示正电压降压电路102和负电压降压电路103的输出电压，输入电压VCC是24V直流电压，经过DC-DC变换，U1＝12V，U2＝-12V。正弦波振荡电路104包括运算放大器U4以及与运算放大器连接的多个电容器和电阻器，电容器与电阻器相互之间为电气连接。U1被输入到运算放大器U4的反相输入端，U2被输入到运算放大器A1的同相输入端，从而运算放大器U4输出正弦波电压信号(初级电压信号)。

随后，初级电压信号作为调频电路105的输入接入IN接口，同时调频电路的TUNE接口与MCU控制电路111的MCU芯片的CTRL接口相连，从而MCU控制电路111产生的反馈信号从CTRL接口输入到TUNE接口，与初级电压信号共同作为调频电路105的输入。在本实施例中，可以采用第三降压电路通过DC-DC转换将24V直流电压降为5V作为调频电路105的工作电压，U3作为第三降压电路的输出被接到调频电路该第三降压电路与上述降压电路102或103结构类似，在此不作详述。

接着，调频电路105输出经过调频的正弦波电压信号，该调频后的信号经由放大电路106放大，并通过推挽式射极跟随器107进行阻抗变换后输入到升压变压器108的输入侧绕组作为一次电压。在另一实施例中，推挽式射极跟随器107可以略去。

具体地说，如图2所示，24V直流电源向该放大电路106和推挽式射极跟随器107提供偏置电压。放大电路106包括三极管T1、T2和T3，调频电路105的OUT接口与三极管T1的源极相连，三极管T2和T3的栅极串联后与三极管T1的漏极相连，三极管T2的源极与三极管T3的漏极相连，并且MOS管Q1与三极管T2的源极与三极管T3的漏极相连，三极管T1的源极与三极管T3的源极相连并且接地。Q1是P型MOS管，构成推挽式射频跟随器107。三极管T2的漏极与Q1的输出接线接入到升压变压器108的输入侧绕组，从而将经过放大和阻抗变换的正弦波电压信号输入到升压变压器108。另外，在说明书中符号“GND”也表示接地。

升压变压器108采用高磁导率材料作为磁芯，因此体积大为缩小。上述一次电压为正弦波电压，通过升压功率变换后供给与升压变压器108的输出侧绕组相连的负载J1，同时，输出侧绕组与负载J1之间还接入了直流电压U+和U-，该直流电压U+和U-通过直流高压电源模块109提供，用于与输出侧绕组输出的交流电压叠加形成交直流电场。

其中，如图2所示，取样电路110包括电桥、RC滤波器和取样放大器U。电桥包括四个二极管D1、D2、D3和D4，这四个二极管两两串联后并联，并联的两个二极管D1和D3的正极接地，并联的两个二极管D2和D4的负极则与RC滤波器相连，串联的两个二极管D1和D2之间的串联导线则接入升压变压器108的输出侧绕组的一段，同理，串联的两个二极管D3和D4之间的串联导线也接入同一段输出侧绕组。基于电桥工作的物理原理，电桥可以采集到经过升压后的正弦波电流信号，并将该信号输入到RC滤波器进行滤波。

RC滤波器包括电阻R1和电容C3，电阻R1与电容C3串联连接并且电容C3接地。R2用于实现V/I转换，即将采样电流信号转换为电压信号，经过滤波的电压信号进一步被输入到取样放大器U的反相输入端进行放大，放大倍数为10倍左右。其中，取样放大器U的同相输入端接有稳压器D5，该稳压器D5采用二极管，该二极管的正极接地，负极则接入放大器U的同相输入端。

进一步地，运算放大器U的输出被接入MCU的电压反馈接口(即VFB)，MCU控制电路还包括三个电容器C4、C5和C6，均并联连接在U与MCU之间，用于滤除高频次谐波信号，防止次谐波信号干扰MCU，导致MCU出现误动作，并且这三个电容器的一侧均接地。

MCU还设有RXD接口，用于接收数据指令，因此外部通讯指令例如设定电压值可以被输入到该RXD接口。MCU根据外部通讯指令对接收到的经过放大的取样信号进行数字处理，产生反馈信号并输入到调频电路105的TUNE接口，该反馈信号为频率可变的脉冲信号，从而调频电路105根据该反馈信号对初级电压信号进行调制。

图3是本发明的适用于四级杆质谱仪的射频电源电路的正弦波振荡电路的进一步实施例。如图3所示，正弦波振荡电路包括运算放大器U4、以及电阻器R1、R2、R8、R9和电容器C3、C6构成的稳压电路，稳压电路用于保证运放U4产生 的电压信号稳定。正电压降压电路输出的正电压输入到运放U4的反相输入端，负电压降压电路输出的负电压输入到运放U4的同相输入端，正电压和负电压为符号相反绝对值相等的电压。运放U4的输出端连接到调频电路。

图4是本发明的适用于四级杆质谱仪的射频电源电路的放大电路的进一步实施例。如图4所示，放大电路连接到升压变压器和取样电路，包括共射极放大电路和推挽式射极跟随器。共射级放大电路包括电阻器R3、R4、R5、R6、R7、R11、R13、R13、R14和电容器C4、C7，以及三极管Q1、Q2、Q4；每个三极管的漏极、源极和栅极均连接有电阻器和/或电容器，电阻器和电容器起到保护三极管的作用。推挽式射极跟随器则包括MOS管Q3，用于跟随共射级放大电路输出的放大后的正弦波电压信号，并对其进行阻抗变换。

应注意，图3或图4中涉及的正电压降压电路，负电压降压电路，调频电路，升压变压器和取样电路与图1中的正电压降压电路102，负电压降压电路103，调频电路105，升压变压器108和取样电路110的功能是一致的。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种适用于四级杆质谱仪的射频电源电路，其特征在于，包括：

正弦波振荡电路，与调频电路相连，用于产生正弦波电压信号并将所述正弦波电压信号输入到所述调频电路；

调频电路，与放大电路相连，用于接收所述正弦波电压信号并对所述正弦波电压信号的频率进行调制；

所述放大电路，与升压变压器的输入侧绕组相连，用于对经过调制的所述正弦波电压信号进放大；

反馈回路，包括取样电路和MCU控制电路；

所述取样电路，连接在所述升压变压器的输出侧绕组与所述MCU控制电路之间，用于从所述升压变压器采集取样信号并输出至所述MCU控制电路；

所述MCU控制电路，连接在所述调频电路和所述取样电路之间，用于根据设定算法对所述取样信号进行取样处理，以产生频率可变的脉冲信号并反馈至所述调频电路；

直流电压电源模块，与所述升压变压器的输出侧绕组相连，用于向所述升压变压器提供直流电场；

所述升压变压器，与四级杆负载相连，用于对经所述放大电路放大的所述正弦波电压信号进一步放大以向所述四级杆负载提供交直流电场。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述取样信号是电流信号。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述设定算法是PID算法。

4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：直流电源，以及分别与所述直流电源相连的正降压电路和负降压电路；其中，

所述直流电源是所述正降压电路和所述负降压电路的工作电源，所述正降压电路用于向所述正弦波振荡电路提供正电压输入，所述负降压电路用于向所述正弦波振荡电路提供负电压输入。

5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述正降压电路的输出端与所述调频电路的VCC接口和所述MCU控制电路的VCC接口相连。

6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述取样电路包括电桥、RC滤波器和取样放大器；其中，

所述电桥是桥式整流电路；

所述RC滤波器连接在所述电桥和所述取样放大器之间，用于对所述取样信号进行滤波；

所述取样放大器与所述MCU控制电路相连，包括同相输入端和反相输入端，所述反相输入端与RC滤波器相连以接收经过滤波的所述取样信号，所述同相输入端接地。

7.如权利要求6所述的电路，所述同相输入端与地之间接有稳压二极管。

8.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述放大电路还包括推挽式射极跟随器，用于对经过放大的所述正弦波电压信号进行阻抗变化。

9.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述直流电源与所述放大电路和所述推挽式射极跟随器相连，用于向所述放大电路和所述推挽式跟随器提供偏置电压。

10.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述升压变压器与四级杆负载相连，用于向所述四级杆负载提供交直流电场。