CN110098103B - 一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统及控制方法，单片机模块通过地址总线和数据总线向DDS模块发送频率控制字和相位控制字；DDS模块输出相应频率、相位及幅度的信号进入低通滤波模块；低通滤波模块对输入信号进行低通滤波处理后输出信号到射频放大电路模块。本发明是一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统及控制方法，使用单片机模块、DDS模块、低通滤波模块、射频放大电路模块及隔直电容，配合频率控制方法，可以实现改变射频激励源频率，扩大了扫描离子的质量范围；有效减少系统噪声，加强离子检测精度；并且可以自动调谐振状态，提高工作效率。

Description

一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统及控制方法
技术领域
本发明属于质谱仪领域，尤其是涉及一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统及控制方法。
背景技术
四极杆质谱仪由于具有高灵敏度、分析速度快及样品用量少等特点，因此作为常规的定量分析仪器，被广泛的应用在医药、生物、化工及环境科学等领域。
四极杆质谱仪由四个杆构成，从四极杆的截面上观察，四个杆分别位于正方形的四个角，对角线的两根杆连成一组。一组施加直流电压U(正极杆)，另一组施加直流电压-U(负极杆)，两组电压值相同，极性相反；所有四极杆上都同时加射频电压V，两组杆的射频电压相位相差180度。四极杆质谱仪对离子的筛选采用电压扫描的方式来实现，借助产生固定频率的射频电压，可以使不同质量数的离子依次到达检测器，从而实现对离子的筛选。在现有技术条件下，传统的四极杆质谱仪射频发生系统一般采用的是固定频率的晶振和运算放大器组成的振荡电路，以此来产生射频激励信号，存在着如下问题：第一，射频激励源为固定频率，扫描离子质量范围单一；第二，射频激励源产生的偏置电压经过放大后形成噪声，从而影响对离子的检测精度；第三，一般采用手动调谐方式达到谐振状态，调节精度差且操作繁琐。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统及控制方法，使用单片机模块、DDS模块、低通滤波模块、射频放大电路模块及隔直电容，配合频率控制方法，可以实现改变射频激励源频率，扩大了扫描离子的质量范围；有效减少系统噪声，加强离子检测精度；并且可以自动调谐振状态，提高工作效率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统，包括依次连接的单片机模块、DDS模块、低通滤波模块及射频放大电路模块；
单片机模块通过地址总线和数据总线向DDS模块发送频率控制字和相位控制字；DDS模块输出相应频率、相位及幅度的信号进入低通滤波模块；低通滤波模块对输入信号进行低通滤波处理后输出信号到射频放大电路模块；射频放大电路模块对输入信号进行放大后输出信号到四极杆；
低通滤波模块与射频放大电路模块之间设有用于消除偏置噪声的隔直电容；单片机模块采集射频放大电路模块的电源电流值。
隔直电容可以有效减少低通滤波后存在的噪声进入到射频放大电路模块，最终影响对离子的检测质量。
单片机模块通过IO接口采集射频放大电路模块的电源电流值。
传统的四极杆质谱仪是采用固定频率晶振，一旦选定了晶振，频率将为固定，而不同质量范围的离子所需要的振荡频率不同，固定频率晶振大大的局限了扫描的质量数。
本实施例中公开的单片机模块配合DDS模块，可以实现改变射频激励源频率，扩大了扫描离子的质量范围。
进一步的，单片机模块是STM32F103RCT6型单片机。
进一步的，DDS模块是AD9854型DDS合成器。
AD9854型DDS合成器内整合了两路高速、高性能正交D/A转换器，通过数字化编程可以输出I、Q两路合成信号，输出频率范围为0-150MHZ，满幅输出为500mv。
传统的四极杆质谱仪是通过手动调谐可调电容，使射频回路达到谐振状态，这种方式较为繁琐而且精度低，一旦四极杆电容值偏差太大，仅靠可调电容不容易达到最佳谐振状态，只能通过调整线圈来改变电感值，这种方式费时费力。
本实施例中公开的的四极杆质谱仪的射频发生控制方法，无需调节可调电容值和谐振线圈电感值，采用了递归理论设计，逐级比较每个频率对应的电源电流值，直到发现极小值，此极小值对应的频率即为最佳谐振频率。具有效率高、精度高及操作便捷等优点。
一种用于四极杆质谱仪的射频发生控制方法，使用上述的一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统；包括：
步骤1：DDS模块设定初始频率fi,射频发生系统开始工作；
步骤2：单片机模块读取射频放大电路模块的电源电流值Ii，以1HZ为步长调节DDS模块频率(△f>0，fi+1>fi)，读取电源电流值Ii+1；
步骤3：当Ii+1>Ii时，使fi+2＝fi+1-1，继续读取电源电流值Ii+2，若Ii+2>Ii+1，则最佳谐振状态时DDS模块频率为fi+3＝fi+2+1；若Ii+2≤Ii+1，则返回再次执行DDS模块频率减少1HZ,直到得到Ii+2>Ii+1；
当Ii+1<Ii时，使fi+2＝fi+1+1，继续读取电源电流值Ii+2，若Ii+2>Ii+1，则最佳谐振状态时DDS模块频率为fi+3＝fi+2-1；若Ii+2≤Ii+1，则返回再次执行DDS模块频率增加1HZ,直到得到Ii+2>Ii+1。
相对于现有技术，本发明一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统及控制方法，具有以下优势：
本发明一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统及控制方法，使用单片机模块、DDS模块、低通滤波模块、射频放大电路模块及隔直电容，配合频率控制方法，可以实现改变射频激励源频率，扩大了扫描离子的质量范围；有效减少系统噪声，加强离子检测精度；并且可以自动调谐谐振状态，提高工作效率。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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。
在附图中：
图1为本发明实施例一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统原理示意图；
图2为本发明实施例一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统电路示意图；
图3为本发明实施例一种用于四极杆质谱仪的射频发生控制方法原理示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-2所示，一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统，包括依次连接的单片机模块、DDS模块、低通滤波模块及射频放大电路模块；
单片机模块通过地址总线和数据总线向DDS模块发送频率控制字和相位控制字；DDS模块输出相应频率、相位及幅度的信号进入低通滤波模块；低通滤波模块对输入信号进行低通滤波处理后输出信号到射频放大电路模块；射频放大电路模块对输入信号进行放大后输出信号到四极杆；
低通滤波模块与射频放大电路模块之间设有用于消除偏置噪声的隔直电容；单片机模块采集射频放大电路模块的电源电流值。
隔直电容可以有效减少低通滤波后存在的噪声进入到射频放大电路模块，最终影响对离子的检测质量。
单片机模块通过IO接口采集射频放大电路模块的电源电流值。
传统的四极杆质谱仪是采用固定频率晶振，一旦选定了晶振，频率将为固定，而不同质量范围的离子所需要的振荡频率不同，固定频率晶振大大的局限了扫描的质量数。
本实施例中公开的单片机模块配合DDS模块，可以实现改变射频激励源频率，扩大了扫描离子的质量范围。
如图1-2所示，单片机模块是STM32F103RCT6型单片机。
如图1-2所示，DDS模块是AD9854型DDS合成器。
AD9854型DDS合成器内整合了两路高速、高性能正交D/A转换器，通过数字化编程可以输出I、Q两路合成信号，输出频率范围为0-150MHZ，满幅输出为500mv。
传统的四极杆质谱仪是通过手动调谐可调电容，使射频回路达到谐振状态，这种方式较为繁琐而且精度低，一旦四极杆电容值偏差太大，仅靠可调电容不容易达到最佳谐振状态，只能通过调整线圈来改变电感值，这种方式费时费力。
本实施例中公开的的四极杆质谱仪的射频发生控制方法，无需调节可调电容值和谐振线圈电感值，采用了递归理论设计，逐级比较每个频率对应的电源电流值，直到发现极小值，此极小值对应的频率即为最佳谐振频率。具有效率高、精度高及操作便捷等优点。
如图1-3所示，一种用于四极杆质谱仪的射频发生控制方法，使用上述的一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统；包括：
步骤1：DDS模块设定初始频率fi,射频发生系统开始工作；
步骤2：单片机模块读取射频放大电路模块的电源电流值Ii，以1HZ为步长调节DDS模块频率(△f>0，fi+1>fi)，读取电源电流值Ii+1；
步骤3：当Ii+1>Ii时，使fi+2＝fi+1-1，继续读取电源电流值Ii+2，若Ii+2>Ii+1，则最佳谐振状态时DDS模块频率为fi+3＝fi+2+1；若Ii+2≤Ii+1，则返回再次执行DDS模块频率减少1HZ,直到得到Ii+2>Ii+1；
当Ii+1<Ii时，使fi+2＝fi+1+1，继续读取电源电流值Ii+2，若Ii+2>Ii+1，则最佳谐振状态时DDS模块频率为fi+3＝fi+2-1；若Ii+2≤Ii+1，则返回再次执行DDS模块频率增加1HZ,直到得到Ii+2>Ii+1。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (3)

1.一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统，其特征在于：
包括依次连接的单片机模块、DDS模块、低通滤波模块及射频放大电路模块；
所述单片机模块通过地址总线和数据总线向所述DDS模块发送频率控制字和相位控制字；所述DDS模块输出相应频率、相位及幅度的信号进入所述低通滤波模块；所述低通滤波模块对输入信号进行低通滤波处理后输出信号到所述射频放大电路模块；所述射频放大电路模块对输入信号进行放大后输出信号到四极杆；
所述低通滤波模块与所述射频放大电路模块之间设有用于消除偏置噪声的隔直电容；所述单片机模块采集所述射频放大电路模块的电源电流值；
用于四极杆质谱仪的射频发生控制方法：
步骤1：DDS模块设定初始频率fi,射频发生系统开始工作；
步骤2：单片机模块读取射频放大电路模块的电源电流值Ii，以1HZ为步长调节DDS模块频率△f>0，fi+1>fi，读取电源电流值Ii+1；
步骤3：当Ii+1>Ii时，使fi+2＝fi+1-1，继续读取电源电流值Ii+2，若Ii+2>Ii+1，则最佳谐振状态时DDS模块频率为fi+3＝fi+2+1；若Ii+2≤Ii+1，则返回再次执行DDS模块频率减少1HZ,直到得到Ii+2>Ii+1；
当Ii+1<Ii时，使fi+2＝fi+1+1，继续读取电源电流值Ii+2，若Ii+2>Ii+1，则最佳谐振状态时DDS模块频率为fi+3＝fi+2-1；若Ii+2≤Ii+1，则返回再次执行DDS模块频率增加1HZ,直到得到Ii+2>Ii+1。
2.根据权利要求1所述的一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统，其特征在于：
所述单片机模块是STM32F103RCT6型单片机。
3.根据权利要求1所述的一种用于四极杆质谱仪的射频发生系统，其特征在于：
所述DDS模块是AD9854型DDS合成器。
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