CN214748621U - 一种热阴极电离规的量程连续线性切换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及热阴极电离真空计量程线性切换电路，尤其涉及一种热阴极电离规的量程连续线性切换电路，包括电源电路、热阴极电离规电路和切换电路，所述电源电路包括电源V+、电源V‑、电容C1、电容C2和地AG，电容C1的一端和电容C2的一端相连后接地AG，电容C1的另一端接电源V+，电容C2的另一端接电源V‑，切换电路由真空计控制系统I/O口输出TTL逻辑电平使能指令信号控制，控制输入端为IE，该切换电路包括：转换驱动模块、恒流充电模块和恒流放电模块；IE端输入使能指令信号至转换驱动模块，转换驱动模块根据使能指令信号控制连接恒流充电模块和恒流放电模块。本实用新型有效降低阴极电位波动和暂态不稳定的的迹象，明显提升了真空规管测量的稳定性。

Description

一种热阴极电离规的量程连续线性切换电路

技术领域

本实用新型涉及热阴极电离真空计量程线性切换电路，尤其涉及一种热阴极电离规的量程连续线性切换电路。

背景技术

在宽量程高真空测量技术运用领域，热阴极电离真空测控技术是现今的主流技术。热阴极电离真空计是特指采用热阴极电离规来实现气体压力这种非电量变化量间接转换为电量变化的相对测量装置。

热阴极电离规虽然有各种不同的结构、原理的技术分类，最基本物理效应的运用是相同的。如图1所示：一个热阴极电离规至少具有：灯丝：阴极F；加速极、阳极：栅极A；板极：收集极C；其工作方式为：

在阴极加入电压加热灯丝，形成热释电子发射；当栅极对地AG间接有正高压即加速电压的条件下，阴极热释电子在高压电场的作用下，高速穿越网状的栅极，而规管内腔是与所测量气压环境直接相通的，高速穿越栅网的电子会按一定的概率与其间的气体分子发生的碰撞产生电离。气体分子电离形成：电子-离子对，离子带正电荷由规管最外层的筒装收集极C捕获，形成收集极C流向AG地的离子流Ii；阴极发射的电子及电离形成二次电子均带有负电荷，无论处于何种动能态，最终都将由处于正电位的栅极捕获。形成由阴极发射，栅极收集的电子流Ie。电子流的存在，使失电子的阴极与得电子的栅极形成了与加速电压相关联的电位分配关系。从严格的物理意义说，电子流、离子流都是由规管内各种物理效应形成的，不便于直接由规管输出，需要通过规管外部电路的设置来获得等效、等量的量值转换。

如：在阴极与AG间接入电阻，形成的旁路电流来平衡规管内的电子流，使阴极的电位稳定不变。在这样的条件下，旁路电流与电子流这两个不同物理意义的电流值才具有：旁路电流=发射电流的关系；这也正是我们可以用旁路电流值来定量设置阴极射电子能力的意义所在。离子流是pA级别的微小电流量，收集极与AG间接入微电流放大器，取样回路可能达到最高输入阻抗，其压降也趋近与零。这也才有了收集极电位=AG电位关系。这不仅是离子流会被收集极获取的条件，也是离子流经高倍率放大后的：可读出电流值及变化分辨率也才具备成为间接定量换算所测气体压力的关键技术环节。

不同结构和型号的规管，各自规定了实现其功能、指标必须严格满足的运行条件。如：加速电压值、阴极电位分配值、灯丝发射电子值以及建议使用的规管测灵敏度等。

以下采用ZJ-27电离真空规的应用参数来表述。为使电离规在不同量程范围都保持较好的检测灵敏度和精度，需要在偏离线性检测段设置“量程”转换电路，在保持阴极相对AG的电位稳定不变的条件下，通过改变阴极对AG的旁路电流值来定量设置发射电子，也即：电子流Ie，来分级改变电离规系数，使全气压测量范围离子流所表征的相对真空度具有较好的线性转换关系。如图2所示，热阴极电离规的阴极电位由灯丝电压串联等值电阻RA和RB的中点电位确定；在栅极对AG间提供+225V稳定的加速电压；严格保持阴极对AG的电位为+25V。

当量程切换开关K处于断开状态，由R01和R02串联的旁路电阻建立最小阴极旁路电流值并构成采样分压点VB，由此最小旁路电流值设定了真空计对应测量气压下限段的发射电流值；

当量程切换开关K闭合，旁路电流突变增加为R11新增旁路电流支路与原有R01、R02串联旁路支路电流并联，形成了阴极十倍发射电子的设置转换。依此不同发射电流值对应改变的规管系数来换算对应测量段的气压值，此做法能有效改善真空计全量程气压检测的非线性失真。

旁路电流的突变增减必然导致阴极对AG相对电位的突变，即便灯丝闭环调节电源具有很快的响应速度，阴极对AG的+25V必然会发生由强扰动引起非稳定暂态过程，暂态过程完全结束才重新进入稳态，阴极电位也才重新恢复到+25V稳定不变。这种因量程位式切换所造成的非稳定暂态过程使测量数据较长时间不能稳定，因数据不衔接而被迫丢失。采用总切换量为多级步进切换，虽然可以改善扰动强度，缩短暂态时间。无疑，它比采用单级位式切换可以实现更精准、平稳的量程转换，但会使切换电路变得过分复杂。

在热阴极电离真空计的运用领域一般都具有“量程切换”电路，基本上都是属于分档改变发射电流值的位式控制方式。量程转换时都会存在测量不衔接、规管阴极电位因强扰动严重超调，导致发生不稳定暂态过程等问题。

从电离真空计的控制调节原理可知：在整个电离真空计的测量范围内，控制调节电源都必须通过对阴极热释电子能力的连续、稳定的调节控制来始终满足规管运行标准规定的电气参数。在这样的前提条件下，规管检测出的离子流才能相对定量地表征所测量的真空度；处于真空检测状态的电离规对施加在栅极的加速电压是唯一固定不变的电参数，规管内气体分子电离形成了栅极对阴极、阴极对收集极的相对分压值。如:栅极对阴极的电位+200V；阴极对AG的电位为+25V，栅极对AG的电位为+225V稳定的加速电压 。闭环调节电源采样和始终稳定控制的目标参数是阴极对收集极的电位稳定保持+25V。调节的过程和方式却是改变灯丝电压来改变阴极的发射电子能力等多个中间过程变量来实现目标参数的稳定。可见，该调节系统也是一个典型的惯性滞后系统。

在电路0.1mA/1mA量程切换运用实例中，转换暂态阴极对AG的+25V调节控制点因加减旁路分流的过程会形成严重的扰动过冲电压，导致进入非稳定状态，暂态过程可接近2秒钟才能恢复稳态，甚至使电源调节产生联带效应，形成灯丝电压与+25V阴极对AG电压产生交替作用的低频振荡。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种热阴极电离规的量程连续性切换电路，其具体技术方案如下。

一种热阴极电离规的量程连续性切换电路，包括电源电路、热阴极电离规电路和切换电路，所述电源电路包括电源V+、电源V-、电容C1、电容C2和地AG，所述电容C1的一端和电容C2的一端相连后接地AG，电容C1的另一端接电源V+，电容C2的另一端接电源V-，所述切换电路由真空计控制系统I/O口输出TTL逻辑电平使能指令信号控制，控制输入端为IE，该切换电路包括：转换驱动模块、恒流充电模块和恒流放电模块；所述IE端输入使能指令信号至转换驱动模块，所述转换驱动模块根据使能指令信号控制连接恒流充电模块和恒流放电模块。

进一步的，所述热阴极电离规电路包括:灯丝、电阻RA、电阻RB、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容Cj、电容C7、恒流放电管Q1和运算放大器U1，所述灯丝的正负极分别连接电阻RA的一端和电阻RB的一端，电阻RA的另一端与电阻RB的另一端相连接，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4串联连接后并联电容Cj, 电阻R1和电容Cj的公共端连接至电阻RB的另一端，电阻R4和电容Cj的公共端接地AG；电阻R13一端接电阻RA的另一端，电阻R13的另一端接恒流放电管Q1的集电极，恒流放电管Q1的发射极接电阻R11的一端，恒流放电管Q1的基极接运算放大器U1的输出端，电阻R11的另一端串联电阻R12后接地AG；电容C7的一端接电阻R14的一端后连接电阻R11的一端，电容C7的另一端和电阻R14的另一端均接地AG；运算放大器U1的负电源端接地AG，正电源端接电源V+，反相输入端接电容C7的一端，同相输入端接基准电压Vref。

进一步的，所述转换驱动模块包括：运算放大器U2，电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，所述电阻R4的一端接IE端，另一端连接电阻R3的一端后接入运算放大器U2的反相输入端，电阻R3的另一端接地AG，电阻R2的一端和电阻R1的一端相连后接入运算放大器U2的同相输入端，电阻R2的另一端接地AG，电阻R1的另一端接电源V+；所述运算放大器U2的正电源端连接电源V+，负电源端连接电源V-，输出端接恒流充电模块和恒流放电模块。

进一步的，所述恒流充电模块和恒流放电模块均使用电容C15，所述电容C15一端连接基准电压Vref，另一端接地AG。

进一步的，所述恒流充电模块还包括：稳压二极管U3、稳压二极管U5、恒流充电管Q2、电阻R5、电阻R7、电阻R9、高速开关二极管D2，所述恒流充电管Q2的集电极和稳压二极管U5的反馈端连接后接入基准电压Vref，稳压二极管U5的正极接地AG，负极接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接电源V+ ；高速开关二极管D2的负极接电阻R9的一端，正极接电阻R5的一端后连接至恒流充电管Q2的发射极，电阻R5的另一端连接电源V+；所述电阻R7的一端连接稳压二极管U3的正极，另一端连接运算放大器U2的输出端；所述稳压二极管U3的负极和反馈端均连接至电压V+；所述恒流充电管Q2的基极连接至电阻R7的一端。

进一步的，所述恒流放电模块还包括：稳压二极管U4、恒流放电管Q3、电阻R6、电阻R8、二极管D1，所述二极管D1的负极接入基准电压Vref，正极接地AG，稳压二极管U4的反馈端和负极均连接恒流放电管Q3的基极，稳压二极管U4的正极接电源V-，恒流放电管Q3的发射极接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接电源V-，恒流放电管Q3的集电极接入基准电压Vref；电阻R8的一端连接稳压二极管U4的负极，另一端连接运算放大器U2的输出端。

本实用新型有效降低减少阴极电位波动和暂态不稳定的的迹象，明显提升了真空规管测量的稳定性。

附图说明

图1是现有技术的热阴极电离规基本电路结构原理示意图；

图2是现有技术的传统两档量程切换电路结构原理图；

图3是本实用新型的电路结构原理图。

具体实施方式

为了使本是实用新型的目的、技术方案和技术效果更加清楚明白，以下结合说明书附图，对本实用新型作进一步详细说明。

如图2所示的一种热阴极电离规的量程连续性切换电路，包括电源电路、热阴极电离规电路和切换电路，所述切换电路由真空计控制系统I/O口输出TTL逻辑电平使能指令信号控制，控制输入端为IE，该切换电路包括：转换驱动模块、恒流充电模块和恒流放电模块；所述IE端输入使能指令信号至转换驱动模块，所述转换驱动模块根据使能指令信号控制连接恒流充电模块和恒流放电模块。

所述电源电路包括电源V+、电源V-、电容C1、电容C2和地AG，所述电容C1的一端和电容C2的一端相连后接地AG，电容C1的另一端接电源V+，电容C2的另一端接电源V-。

所述热阴极电离规电路包括:灯丝、电阻RA、电阻RB、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容Cj、电容C7、恒流放电管Q1和运算放大器U1，所述灯丝的正负极分别连接电阻RA的一端和电阻RB的一端，电阻RA的另一端与电阻RB的另一端相连接，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4串联连接后并联电容Cj, 电阻R1和电容Cj的公共端连接至电阻RB的另一端，电阻R4和电容Cj的公共端接地AG；电阻R13一端接电阻RA的另一端，电阻R13的另一端接恒流放电管Q1的集电极，恒流放电管Q1的发射极接电阻R11的一端，恒流放电管Q1的基极接运算放大器U1的输出端，电阻R11的另一端串联电阻R12后接地AG；电容C7的一端接电阻R14的一端后连接电阻R11的一端，电容C7的另一端和电阻R14的另一端均接地AG；运算放大器U1的负电源端接地AG，正电源端接电源V+，反相输入端接电容C7的一端，同相输入端接基准电压Vref。

所述转换驱动模块包括：运算放大器U2，电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，所述电阻R4的一端接IE端，另一端连接电阻R3的一端后接入运算放大器U2的反相输入端，电阻R3的另一端接地AG，电阻R2的一端和电阻R1的一端相连后接入运算放大器U2的同相输入端，电阻R2的另一端接地AG，电阻R1的另一端接电源V+；所述运算放大器U2的正电源端连接电源V+，负电源端连接电源V-，输出端接恒流充电模块和恒流放电模块。

所述恒流充电模块和恒流放电模块均使用电容C15，所述电容C15一端连接基准电压Vref，另一端接地AG。

所述恒流充电模块还包括：稳压二极管U3、稳压二极管U5、恒流充电管Q2、电阻R5、电阻R7、电阻R9、高速开关二极管D2，所述恒流充电管Q2的集电极和稳压二极管U5的反馈端连接后接入基准电压Vref，稳压二极管U5的正极接地AG，负极接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接电源V+ ；高速开关二极管D2的负极接电阻R9的一端，正极接电阻R5的一端后连接至恒流充电管Q2的发射极，电阻R5的另一端连接电源V+；所述电阻R7的一端连接稳压二极管U3的正极，另一端连接运算放大器U2的输出端；所述稳压二极管U3的负极和反馈端均连接至电压V+；所述恒流充电管Q2的基极连接至电阻R7的一端。

所述恒流放电模块还包括：稳压二极管U4、恒流放电管Q3、电阻R6、电阻R8、二极管D1，所述二极管D1的负极接入基准电压Vref，正极接地AG，稳压二极管U4的反馈端和负极均连接恒流放电管Q3的基极，稳压二极管U4的正极接电源V-，恒流放电管Q3的发射极接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接电源V-，恒流放电管Q3的集电极接入基准电压Vref；电阻R8的一端连接稳压二极管U4的负极，另一端连接运算放大器U2的输出端。

具体的，当IE控制端为稳态“零”电平，设置的是0.1mA旁路电流。压控设置的切换支路处于关闭状态Vref点的稳态控制电压稳定保持 -0.2V；

当IE控制端为稳态“+5V”电平，设置的是1.0mA旁路电流。压控设置的切换新增旁路电流为0.9mA，Vref点的精密稳态电压为+2.50V。

实现由IE位式控制信号到Vref电压的线性、连续压控信号转换的电路单元，分别由以下几个部分构成：

当IE端使能信号由“0V”转换为“+5V”，基准电压Vref形成由-0.2V线性连续上升至+2.50V的暂态到稳态控制过程：在此暂态过程接于基准电压Vref与AG端的电容C15、稳压二极管U3、恒流充电管Q2、电阻R5、电阻R7组成的受控恒流充电电路，恒流充电管Q2的发射极电阻确定的恒流值对电容C15进行充电，电容C15两端的电压线性上升，为基准电压Vref提供线性上升的压控电压。当此压控电压上升至+2.5V，精密基准稳压二极管U5起控，下拉电阻R9，高速开关二极管D2因正向偏置也随之导通也下拉电阻R5，使恒流充电管Q2的发射极电压下拉至基极电平之下，使恒流充电管Q2截止中断对电容C15充电。持续保持精密稳压的控制状态，不会发生任何因漏电、有源器件偏置消耗引起的Vref=+2.50V电平的下降。稳压二极管U5的调节由高速开关二极管D2的反向偏置到正向偏置来建立滞回电压，采用高速开关二极管D2：1N4148，可确保在其反向偏置状态时不会因反向微小的漏电流引入恒流充电电流的误差。

当IE使能信号由“+5V”转换为“0V”,基准电压Vref将经由+2.50V线性、连续下降至-0.2V的暂态和稳态的电压转换过程：

在暂态过程，已充电至+2.50V的电容C15、稳压二极管U4、恒流放电管Q3、电阻R6、电阻R8组成的受控恒流放电电路。由恒流放电管Q3的发射极电阻R6所确定的恒流值对电容C15进行恒流放电，使基准电压Vref的控制电压线性下降、由于双电源供电的设置，恒流放电可以一直将基准电压Vref的电平放电至-3V左右，这对于处于单电源供电的相关连接是不能允许的，增设二极管D1，型号为1N5819，使基准电压Vref放电进入负电压能箝位于-0.2V并稳定维持这一状态。放电单元采用双电源供电是为保证在+2.50V至-0.2V全电压范围的精密恒流调节留有充分的供电电压裕度。

IE的控制电平已确定了是恒流充电还是恒流放电的工作状态，只可能是其中的一种状态，U2的输出端可输出亦可灌入电流的控制源，充电状态U2的输出端输出-5V电压，在2.5mA灌电流状态下输出电压不会升高至-4.5V。

放电状态U2的输出端输出+8V电压，在2.5mA供出电流的状态下输出电压也不会下降至+7.5V，不存在发生稳压二极管U3与U4和恒流充电管Q2与恒流放电管Q3共同导通的可能。

Claims (6)

1.一种热阴极电离规的量程连续线性切换电路，包括电源电路、热阴极电离规电路和切换电路，所述电源电路包括电源V+、电源V-、电容C1、电容C2和地AG，所述电容C1的一端和电容C2的一端相连后接地AG，电容C1的另一端接电源V+，电容C2的另一端接电源V-，所述切换电路由真空计控制系统I/O口输出TTL逻辑电平使能指令信号控制，控制输入端为IE，其特征在于，该切换电路包括：转换驱动模块、恒流充电模块和恒流放电模块；所述IE端输入使能指令信号至转换驱动模块，所述转换驱动模块根据使能指令信号控制连接恒流充电模块和恒流放电模块。

2.如权利要求1所述的一种热阴极电离规的量程连续线性切换电路，其特征在于，所述热阴极电离规电路包括：灯丝、电阻RA、电阻RB、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容Cj、电容C7、恒流放电管Q1和运算放大器U1，所述灯丝的正负极分别连接电阻RA的一端和电阻RB的一端，电阻RA的另一端与电阻RB的另一端相连接，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4串联连接后并联电容Cj, 电阻R1和电容Cj的公共端连接至电阻RB的另一端，电阻R4和电容Cj的公共端接地AG；电阻R13一端接电阻RA的另一端，电阻R13的另一端接恒流放电管Q1的集电极，恒流放电管Q1的发射极接电阻R11的一端，恒流放电管Q1的基极接运算放大器U1的输出端，电阻R11的另一端串联电阻R12后接地AG；电容C7的一端接电阻R14的一端后连接电阻R11的一端，电容C7的另一端和电阻R14的另一端均接地AG；运算放大器U1的负电源端接地AG，正电源端接电源V+，反相输入端接电容C7的一端，同相输入端接基准电压Vref。

3.如权利要求1所述的一种热阴极电离规的量程连续线性切换电路，其特征在于，所述转换驱动模块包括：运算放大器U2，电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，所述电阻R4的一端接IE端，另一端连接电阻R3的一端后接入运算放大器U2的反相输入端，电阻R3的另一端接地AG，电阻R2的一端和电阻R1的一端相连后接入运算放大器U2的同相输入端，电阻R2的另一端接地AG，电阻R1的另一端接电源V+；所述运算放大器U2的正电源端连接电源V+，负电源端连接电源V-，输出端接恒流充电模块和恒流放电模块。

4.如权利要求3所述的一种热阴极电离规的量程连续线性切换电路，其特征在于，所述恒流充电模块和恒流放电模块均使用电容C15，所述电容C15一端连接基准电压Vref，另一端接地AG。

5.如权利要求4所述的一种热阴极电离规的量程连续线性切换电路，其特征在于，所述恒流充电模块还包括：稳压二极管U3、稳压二极管U5、恒流充电管Q2、电阻R5、电阻R7、电阻R9、高速开关二极管D2，所述恒流充电管Q2的集电极和稳压二极管U5的反馈端连接后接入基准电压Vref，稳压二极管U5的正极接地AG，负极接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接电源V+ ；高速开关二极管D2的负极接电阻R9的一端，正极接电阻R5的一端后连接至恒流充电管Q2的发射极，电阻R5的另一端连接电源V+；所述电阻R7的一端连接稳压二极管U3的正极，另一端连接运算放大器U2的输出端；所述稳压二极管U3的负极和反馈端均连接至电压V+；所述恒流充电管Q2的基极连接至电阻R7的一端。

6.如权利要求4所述的一种热阴极电离规的量程连续线性切换电路，其特征在于，所述恒流放电模块还包括：稳压二极管U4、恒流放电管Q3、电阻R6、电阻R8、二极管D1，所述二极管D1的负极接入基准电压Vref，正极接地AG，稳压二极管U4的反馈端和负极均连接恒流放电管Q3的基极，稳压二极管U4的正极接电源V-，恒流放电管Q3的发射极接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接电源V-，恒流放电管Q3的集电极接入基准电压Vref；电阻R8的一端连接稳压二极管U4的负极，另一端连接运算放大器U2的输出端。

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