CN202282326U - 一种应用于射频多极杆的数字频率计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种应用于射频多极杆的数字频率计，包括一微处理器，所述微处理器的输入端分别连接有将待检测的射频多极杆的电压信号转换为二进制信号的整形电路和保持待检测电压信号的峰值保持电路，所述微处理器的输出端连接有显示电路。本实用新型数字频率计通过整形电路，将待测的电压信号转换为二进制信号，并通过单片机的计数器对数字脉冲计数实现了频率的实时检测，通过峰值保持电路，增强了对幅值较低的射频电压信号的幅值检测能力，本实用新型数字频率计结构简单，成本低，精度高，适于质谱仪中的射频多极杆的电压幅值和频率的检测。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种分析仪器检测技术，尤其是一种应用于射频多极杆的数字频率计。
背景技术
射频多极杆包括四极杆、六极杆、八极杆、射频-直流多极杆，其中最常用的是射频四极杆，射频四极杆是四极杆质谱的核心，它是由四根精密加工的四极杆以及分别施加于x、y方向两组高压高频射频组成的电场分析器。四根电极可以是双曲面也可以是圆柱型的电极；高压高频信号提供了离子在分析器中运动的辅助能量，这一能量是选择性的——只有符合一定数学条件的离子才能够不被无限制的加速，从而安全的通过四极杆分析器。所以射频信号的频率及幅值的精度和稳定度都要求非常高。同类多极杆质谱还未发现有专门针对多极杆实时测量射频信号频率和幅值的数字频率计。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：提供一种适用于多极杆质谱仪的数字频率计，能实现实时检测射频电压频率和幅值的变化。
为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
一种应用于射频多极杆的数字频率计，包括一微处理器，所述微处理器的输入端分别连接有将待检测的射频多极杆的电压信号转换为二进制信号的整形电路和保持待检测电压信号的峰值保持电路，所述微处理器的输出端连接有显示电路。
进一步作为优选的实施方式，所述微处理器为单片机，所述整形电路的输出端与单片机的计数器端口连接，所述峰值保持电路的输出端通过单片机的I/O端口与单片机内部的A/D转换模块连接。所述整形电路为比较器TL3016。所述峰值保持电路包括一检波二极管1N60，所述检波二极管1N60的阴极端经一由电阻和电容并联组成的延时电路接地并与单片机的I/O端口连接。所述显示电路为带背光的液晶显示模块。
进一步作为改进，所述单片机通过RS485通信端口连接有上位机。
本实用新型的有益效果是：本实用新型数字频率计通过整形电路，将待测的电压信号转换为二进制信号，并通过单片机的计数器对数字脉冲计数实现了频率的实时检测，通过峰值保持电路，增强了对幅值较低的射频电压信号的幅值检测能力，本实用新型数字频率计结构简单，成本低，精度高，适于质谱仪中的射频多极杆的电压幅值和频率的检测。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：
图1是本实用新型数字频率计的原理框图；
图2是实施例中本实用新型频率计比较器和峰值保持电路的电路原理图；
图3是实施例中本实用新型频率计单片机及显示电路的电路原理图。
具体实施方式
常用的测频方法主要有直接测频法、直接测周法以及多周期测量法。多周期测量法是将被测信号和标准信号分别输入到两个计数器，其实际闸门时间不是固定值，而是被测信号周期的整数倍，因此消除了对被测信号计数时产生的±1Hz的计数误差，其精度仅与闸门时间和标准频率有关；直接测频法在高频段的精度较高，但在低频段的精度较低；直接测周法则恰恰相反。因为加在四极杆上射频频率比较高，因此用直接测频法精度比较高，能满足要求。
参照图1,一种应用于射频多极杆的数字频率计，包括一微处理器，所述微处理器的输入端分别连接有将待检测的射频多极杆的电压信号转换为二进制信号的整形电路和保持待检测电压信号的峰值保持电路，所述微处理器的输出端连接有显示电路。
在本实施例中，所述微处理器为STC12C5A60S2单片机，单片机外部时钟信号采用22.1184MHz晶振，以保证检测的精度。其内部有4个16位定时器/计数器，60k程序存储器，内部256字节RAM，高128字节SFR与普通RAM共用同一物理地址，另外还集成了片上1024字节的外部RAM。单片机的稳压直流电源采用双18V变压器经全波整流滤波产生±26V直流电压，正5V电源用LM2596-ADJ稳压产生稳定的5V电压，输出电流能达到1A；由于对负电压要求精度不高，所以负5V电源直接用5.1V稳压管实现。
参照图2,考虑到器件性能与价格等因素，选择高速低功耗比较器TL3016构成整形电路。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减少时，其输出保持恒定。比较器TL3016上升延迟时间是7.6ns,在DC±5V供电时，输入电压范围是-3.75V～5V。带输出锁存功能。没有最低上升率限制，输出无振铃现象。
继续参照图2,峰值保持电路由专用的检波二极管1N60来尽量实现幅值较低的信号能被检测出来，检波二极管1N60的导通压降在流过小于1mA电流时的导通压降是0.1～0.2V。当射频信号峰值小于0.7V左右时，一般的二极管就不能导通，而检波二极管1N60能继续检测很小的射频信号。检波二极管1N60后面接的R9和C14并联电路就是用来保持峰值用的，以维持待检测的信号幅值不变，保证单片机有足够的时间进行幅值A/D转换。
参照图3,来自峰值保持电路的输出信号与单片机P1.0口连接，并经单片机内部的A/D转化模块对待检测电压信号的幅值进行A/D转换；来自比较器TL3016的输出信号与单片机P3.4口连接，单片机通过计数器T0对比较器TL3016输出的方波脉冲个数进行计数，P0.1口接一个单片机运行指示灯，指示灯点亮表示系统运行成功。
计数器设置在1T模式，即一个振荡周期计数一次，比传统的8051单片机12个振荡周期计数一次快12倍，根据设计中出现的情况，选定闸门时间为135×65536/22118400（S），也即PCA溢出135次的时间。
信号频率计算：T0计数的个数为N，闸门时间为T，所测信号频率fx为：fx＝N/T(Hz)。
信号误差值的计算：
因为，fx=N/T，由误差合成公式有Δfx/fx=ΔN/N-ΔT/T。
上式中第一项为量化误差,是由于被测信号与门控闸门信号不相关引起的。最大量化误差的相对值为：ΔN/N=±1/N=±1/(T×fx)。由此得到,被测频率越高,闸门时间越长,则量化误差越小。但闸门时间太长,则降低测量速度,且受到显示位数的限制。上式中第二项为闸门时间相对误差:ΔT/T=-Δfc/fc。fc为石英晶体振荡器的频率。闸门时间误差大小主要取决于晶体振荡器的频率误差。由此得到计数法测频的最大相对误差为：Δfx/fx=±[1/(T×fx)+|Δfc/fc|]。
测量理论误差：
取两个典型点进行分析。
(1)fx=200kHz时，闸门时间相对误差为
ΔT/T＝1/2/(135×65536)=5.65×10^(-8)；
相对误差为：
Δfx/fx＝±(22118400/135/65536/200000+5.65×10^(-8))=±1.25565×10^(-5)。
(2)fx=3MHz时，相对误差为：
Δfx/fx＝±(22118400/135/65536/3000000+5.65×10^(-8))＝±8.865×10^(-7)。
本实用新型数字频率计所测频率的精度能达到10个ppm以内，所测频率范围能达到200kHz～9MHz。待测信号峰峰值范围在0.2V～5V之间。
所述显示电路为带背光的液晶显示模块，与单片机的I/O端口连接。
进一步作为改进，所述单片机通过RS485通信端口连接有上位机，用来和主机通信，一旦从主机接收到合法信号，单片机将所测数据传到主机中，将实时监测的射频电压信号的波动变化反馈到主机显示。
以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (6)
1.一种应用于射频多极杆的数字频率计，包括一微处理器，其特征在于：所述微处理器的输入端分别连接有将待检测的射频多极杆的电压信号转换为二进制信号的整形电路和保持待检测电压信号的峰值保持电路，所述微处理器的输出端连接有显示电路。
2.根据权利要求1所述的一种应用于射频多极杆的数字频率计，其特征在于：所述微处理器为单片机，所述整形电路的输出端与单片机的计数器端口连接，所述峰值保持电路的输出端通过单片机的I/O端口与单片机内部的A/D转换模块连接。
3.根据权利要求2所述的一种应用于射频多极杆的数字频率计，其特征在于：所述整形电路为比较器TL3016。
4.根据权利要求2所述的一种应用于射频多极杆的数字频率计，其特征在于：所述峰值保持电路包括一检波二极管1N60，所述检波二极管1N60的阴极端经一由电阻和电容并联组成的延时电路接地并与单片机的I/O端口连接。
5.根据权利要求1所述的一种应用于射频多极杆的数字频率计，其特征在于：所述显示电路为带背光的液晶显示模块。
6.根据权利要求2所述的一种应用于射频多极杆的数字频率计，其特征在于：所述单片机通过RS485通信端口连接有上位机。
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