一種應用于質譜儀的可調高壓脈沖發生器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種應用于質譜儀的可調高壓脈沖發生器，包括觸發脈沖電路、兩路MOSFET高壓控制電路，觸發脈沖電路包括外部觸發電路、隔離電路、CPLD控制電路，每路MOSFET高壓控制電路包括兩組MOSFET驅動電路及其驅動電源、兩路MOSFET組合電路、一路正高壓輸入電路、一路負高壓輸入電路、兩路MOSFET高壓輸出電路、衰減輸出電路，每塊電路均由直流電源供電。本發明的高壓脈沖發生器造價便宜，性能可靠，可用于質譜儀中脈沖式地引出離子和電子，例如飛行時間質譜儀系統。
【專利說明】
一種應用于質譜儀的可調高壓脈沖發生器
技術領域
[0001] 本發明屬于電子儀器技術領域，具體設計一種應用于質譜儀的可調高壓脈沖發生 器。 技術背景
[0002] 質譜儀是一種化學分析儀器，用于分子質量精確測定與化合物分析。在各種質譜 儀器中，例如飛行時間質譜儀中，經常需要脈沖式地引出離子和電子。在這些場合中，脈沖 發生器對金屬板等部件施加脈沖電壓，引出電子、離子對。脈沖發生器可由時序系統或各種 脈沖光源同步輸出的電平觸發。
[0003] 由于質譜儀所要求的高質量分辨能力和高穩定性，對質譜儀的高壓脈沖電源要求 較高。為實現質譜野外和現場測試，對小型化和便攜式質譜儀的需求不斷提高，而傳統的高 壓脈沖電源一般都比較復雜，其體積一般也較大。此外，傳統高壓脈沖電源往往缺乏簡單有 效的手段，來進行高壓脈沖的多功能調節。
[0004] 隨著CPLD復雜可編程邏輯器件迅速發展，其具有容易使用、時序可預測和速度高 等優點。根據需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路，實現觸發脈沖相位、寬度、延遲可 調。CPLD電路可以大大縮短設計時間，減少PCB面積，提高了系統的可靠性。利用CPLD的在線 修改能力，隨時修改設計而不必改動硬件電路，降低研發成本。
[0005] 近年來，脈沖功率技術快速發展，對其技術參數的要求也越來越高，如：高重復頻 率、ns量級上升沿、長壽命等等。傳統的脈沖開關無法實現高頻化，盡管半導體器件可以彌 補此缺陷，但它的耐壓以及通流能力有限。在脈沖功率技術中，上升沿是一個很重要的指 標。半導體的導通速度影響著波形的上升沿，而導通速度與驅動設計緊密相連，故半導體器 件的驅動設計至關重要。
[0006] 傳統的高壓脈沖發生器利用觸發器、電感電容、變壓器等元器件，輸出模式固定的 高壓脈沖。這種高壓脈沖發生器往往結構繁瑣，造價相對昂貴，難于維護。在特殊的需求環 境中，傳統的高壓脈沖發生器通常不能滿足我們的實驗要求，用戶無法根據實驗情況改變 脈沖延遲，寬度等參數。因此，設計一套應用于質譜儀的幅值、相位、延遲和寬度可調高壓脈 沖發生器，將具有非常重要的現實意義。和以前的高壓脈沖器相比較，我們可以較為方便通 過調節按鍵開關，滑動變阻器實現高壓脈沖調節，實現模式轉換。電路相應快，耐壓值較高。 其結構也更為簡單，造價也將變得更為便宜。在質譜分析實驗中，可以通過該高壓脈沖發生 器靈活性地進行實驗測試，得到更加精準有效的實驗數據，為后期的理論分析提供便利。
【發明內容】
[0007] 本發明是為了克服現有技術中存在的不足之處，提供了一種應用于質譜儀的幅 值、相位、延遲和寬度可調高壓脈沖發生器，并且所述高壓脈沖發生器結構簡單、穩定性好。
[0008] 本發明采用的技術方案是： 一種應用于質譜儀的可調高壓脈沖發生器，其特征在于：包括觸發脈沖電路、兩路 MOSFET高壓控制電路，觸發脈沖電路包括外部觸發電路、隔離電路、CPLD控制電路，每路 M0SFET高壓控制電路包括兩組M0SFET驅動電路及其驅動電源、兩路M0SFET組合電路、一路 正高壓輸入電路、一路負高壓輸入電路、兩路MOSFET高壓輸出電路、衰減輸出電路;所述外 部觸發電路的輸出端與隔離電路的輸入端相連接，隔離電路的輸出端與CPLD控制電路的輸 入端相連接，3組按鍵開關和2組滑動變阻器與CPLD控制電路的輸入端相連接，CPLD控制電 路的輸出端與各MOSFET驅動電路的輸入端相連接，各MOSFET驅動電路由其驅動電源供電， 各MOSFET驅動電路輸出端分別與一路MOSFET組合電路輸入端相連接，各MOSFET組合電路輸 出端分別與一組高壓輸出電路輸入端相連，高壓輸出電路與衰減輸出電路相連，每塊電路 均由直流電源供電。
[0009] 所述的一種應用于質譜儀的可調高壓脈沖發生器，其特征在于:所述外部觸發電 路的觸發信號輸出端串聯一個電阻R1再與二極管D1并聯后接入隔離電路的光耦隔離芯片， 光耦隔離芯片輸出端和CPLD控制電路的CPLD芯片輸入端相連接。
[0010] 所述的一種應用于質譜儀的可調高壓脈沖發生器，其特征在于:所述CPLD控制電 路的CPLD芯片輸入端外接滑動變阻器R2和R3，以及按鍵開關SI、S2和S3。滑動變阻器R2和R3 分別作為調寬電阻和調延遲電阻，滑動變阻器R2和R3的阻值范圍都是0 - 10萬歐姆；在 CPLD控制電路中，通過控制按鍵開關的狀態，實現6種觸發模式的轉換，即：當按鍵開關S3 關、S2開、S1開時，輸出觸發脈沖信號A與外部觸發同步、等寬度、同相；當S3關、S2關、S1開 時，通過調寬電阻R2調節信號A的寬度；當S3關、S2開、S1關時，可以通過滑動變阻器R2和R3 同時調節信號A的延遲和寬度；后三種模式跟前三種類似，不同之處是輸出觸發脈沖信號A 與外部觸發相位相反;此外，輸出觸發脈沖信號B始終和信號A反相;兩路同步但相位相反的 觸發脈沖信號A、B分別控制后續正、負高壓輸入電路的正、負高壓脈沖模塊的輸出。
[0011] 所述的一種應用于質譜儀的可調高壓脈沖發生器，其特征在于:所述MOSFET高壓 控制電路中4路MOSFET通道控制正負電路輸入輸出，包括MOSFET管U5、U8、U11、U14和驅動芯 片1]3、1]6、1]9、1]12;其中，]?03?￡1'管1]5和1]8組成的正高壓脈沖模塊控制正高壓，]\103?￡1'管 U11和U14組成的負高壓脈沖模塊控制負高壓；在兩路M 0 S F E T高壓控制電路中，上一級 M0SFET的源極和下一級M0SFET的漏極串聯，即M0SFET管U5的源極和U8的漏極相連接， MOSFET管U11的源極和U14的漏極相連接;相應地，上一級驅動電路的驅動芯片的陰極和下 一級驅動芯片的陽極串聯，即驅動芯片U3的陰極和U6的陽極相連接，U9的陰極和U12的陽極 相連接，上一級驅動芯片的陽極接正5伏，下一級驅動芯片的陰極接觸發脈沖信號A或者信 號B。
[0012] 本發明在觸發脈沖電路部分中，為了實現電信號傳輸單向性，具有良好的電絕緣 能力和抗干擾能力，利用光耦合器進行輸入輸出間互相隔離。外部觸發信號經用光耦合芯 片后，接入CPLD芯片輸入端，最終輸出兩路反相的方波信號。
[0013] 復雜可編程邏輯器件(CPLD)是一種用戶根據各自需要而自行構造邏輯功能的數 字集成電路。該器件借助集成開發軟件平臺quartus，用硬件描述語言Verilog HDL的方法， 生成相應的目標文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標芯片中，實現設計的數字系統。在本 設計中，通過Verilog程序設計，CPLD主要實現雙單穩態觸發器，延時發生器以及強大運算 處理等功能。利用CPLD來開發數字電路，可以大大縮短設計時間，減少PCB面積，提高了系統 的可靠性。利用CPLD的在線修改能力，隨時修改設計而不必改動硬件電路，降低研發成本。 兩路同步但相位相反的信號A，B分別控制后續正負高壓脈沖模塊輸出。
[0014] 本發明在高壓控制電路部分中，主要包括M0SFET驅動電路，M0SFET驅動電路的驅 動電源，正負高壓輸入電路，M0SFET組合電路，高壓輸出及其衰減輸出電路。
[0015] 在脈沖功率技術中，上升沿是一個很重要的指標。M0SFET的導通速度影響著波形 的上升沿，這與驅動電路的設計密切相關。在高壓控制電路部分，為了實現較強驅動能力， 快速開關以及光耦隔離的目的，設計了基于光電耦合器的M0SFET驅動電路。半導體中以 M0SFET的導通速度最快，極間電容（特別是輸入電容）影響M0SFET導通的上升沿與下降 沿，為此要盡可能選取輸入電容小的器件。結合本文的要求，沒有必要選擇輸入電容很小， 而功率卻很小的M0SFET(-般來說，功率越小，輸入電容就越小），否則會需要很多器件串 聯，反而會使驅動設計更具有挑戰性。本發明采用一種折中的方法，選用功率大而輸入電容 盡可能小的M0SFET，是因為它的開關特性優良，且耐壓高，其上升時間為13ns，漏極源極間 耐壓值可以達到1000V的高壓。通過與其他大功率器件進行比較，發現此型號的輸入電容相 對較小，開通速度也相對較快些。
[0016] 同時，為了提高半導體器件的耐壓、通流能力，采用了串聯M0SFET的方式。在4組 M0SFET高壓輸出電路中，M0SFET驅動電路輸出端與M0SFET組合電路輸入端相連接，M0SFET 管驅動電路由其驅動電源供電，M0SFET組合電路輸出端與高壓輸出電路輸入端相連。最終， 高壓輸出電路與衰減輸出電路相連，每塊電路均由相應的直流電源供電。本文研制的一種 基于M0SFET串聯的可調高壓脈沖發生器，該脈沖發生器電壓0 - ± 2000V幅值可調。
[0017] 與現有技術相比，本發明有益效果體現在： 本發明利用復雜可編程邏輯器件開發數字電路，降低成本，提高電路穩定性;通過簡單 的硬件調節，可以控制高壓脈沖的相位、延遲和寬度，實現電路的多功能性;設計基于光電 耦合器的M0SFET驅動電路，提高電路驅動能力和可靠性;采用高速M0SFET串聯方式，提高高 壓脈沖輸出幅值。
【附圖說明】
[0018] 圖1:可調高壓脈沖發生器結構示意圖。
[0019] 圖2:可調高壓脈沖發生器中觸發脈沖電路部分的原理圖。
[0020]圖3:可調高壓脈沖發生器中高壓控制電路部分的原理圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發明進一步說明： 如圖1，一種應用于質譜儀的可調高壓脈沖發生器，其特征在于:包括觸發脈沖電路、兩 路M0SFET高壓控制電路，觸發脈沖電路包括外部觸發電路1、隔離電路2、CPLD控制電路3，每 路M0SFET高壓控制電路包括兩組M0SFET驅動電路4及其驅動電源5、兩路M0SFET組合電路6、 一路正高壓輸入電路7、一路負高壓輸入電路8、兩路M0SFET高壓輸出電路9、衰減輸出電路 10;所述外部觸發電路的輸出端與隔離電路的輸入端相連接，隔離電路的輸出端與CPLD控 制電路的輸入端相連接，3組按鍵開關和2組滑動變阻器與CPLD控制電路的輸入端相連接， CPLD控制電路的輸出端與各M0SFET驅動電路的輸入端相連接，各M0SFET驅動電路由其驅動 電源供電，各M0SFET驅動電路輸出端分別與一路M0SFET組合電路輸入端相連接，各M0SFET 組合電路輸出端分別與一組高壓輸出電路輸入端相連，高壓輸出電路與衰減輸出電路相 連，每塊電路均由直流電源供電。
[0022] 在圖2中，外部觸發信號輸出端通過二極管D1和電阻R1與光耦隔離芯片的輸入端 相連接。光耦隔離芯片的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能 力。其作為信號隔離的接口器件可以大大增強工作的可靠性，提高抗干擾能力和傳輸效率。
[0023] 光耦隔離芯片輸出端和CPLD芯片輸入端相連接。在CPLD控制電路中，芯片輸入端 外接滑動變阻器R2和R3,以及按鍵開關S1、S2和S3。調寬電阻R2和調延遲電阻R3的阻值范圍 都是0 - 10萬歐姆。在該電路中，通過控制按鍵開關的狀態，實現6種觸發模式的轉換。如表 1所示，當按鍵開關S3關、S2開、S1開時，輸出觸發脈沖信號A與外部觸發同步、等寬度、同相； 當S3關、S2關、S1開時，通過調寬電阻R2調節信號A的寬度；當S3關、S2開、S1關時，可以通過 滑動變阻器R2和R3同時調節信號A的延遲和寬度;后三種模式跟前三種類似，不同之處是輸 出觸發脈沖信號A與外部觸發相位相反。此外，輸出觸發脈沖信號B始終和信號A反相。兩路 同步但相位相反的觸發脈沖信號A，B分別控制后續正負高壓脈沖模塊的輸出。
[0024] 表1為可調高壓脈沖發生器可調節輸出模式的說明表格：
表1 圖3是基于M0SFET的高壓控制電路，4路M0SFET通道控制正負電路輸入輸出。其中，U5 和U8組成的M0SFET控制正高壓，U11和U14組成的M0SFET控制負高壓。在高壓控制模塊中， 為了提高半導體器件的耐壓、通流能力，采用一種基于M0SFET串聯的方式。在兩路M0SFET 高壓控制電路中，上一級M0SFET的源極和下一級M0SFET的漏極串聯，如圖3中U5的源極和U8 的漏極相連接，U11的源極和U14的漏極相連接。相應地，上一級驅動芯片的陰極和下一級驅 動芯片的陽極串聯，上一級驅動芯片的陽極接正5伏，下一級驅動芯片的陰極接觸發脈沖信 號A或者信號B，如圖3中U3的陰極和U6的陽極相連接，U9的陰極和U12的陽極相連接。
[0025]此外，我們設計了基于光耦隔離芯片的M0SFET驅動電路。光耦隔離芯片最大輸出 驅動電流為2A，驅動能力強;最大開關速度為2MKZ;電內帶光耦隔離。正常工作時，U6的陰 極輸入端與觸發脈沖信號A相連接。當觸發脈沖信號A為低電平時，通過內部光電耦合器在 U3的V0腳輸出最大幅值為Vcc的驅動脈沖信號；經過電阻R6穩壓，形成幅值為Vcc的穩定正 向驅動脈沖；當觸發脈沖信號A為高電平時，V0腳輸出為零，通過電阻R4、穩壓管D2、電容C2 產生-5V的負壓，以提高開關管的關斷速度，增強驅動電路的抗干擾能力，防止誤導通。如圖 3所示，觸發脈沖信號A經過光藕隔離后變為+15V開通、-5V截止的驅動信號。電阻R11串聯在 M0SFET的柵極和源極兩端，避免了柵源兩端電壓過高造成M0SFET的損壞。電阻R6用來抑制 M0SFET的柵極振蕩，其他3路M0SFET通道電路結構與此一致。該驅動電路具有光耦隔離、負 壓關斷等功能，驅動電路的可靠性比$父尚。
[0026]當觸發脈沖信號A為低電平時，光耦隔離芯片U3和U6的V0腳輸出最大幅值為Vcc的 驅動脈沖信號。光耦隔離芯片的輸入端與M0SFET的柵源極相連接。此時，M0SFET的柵極電壓 高于源極電壓，M0SFET導通。穩定以后，M0SFET處于線性工作區域，正高壓電源從漏極流入， 在P3端輸出正高壓。同樣地，觸發脈沖信號B使得光耦隔離芯片U9和U12輸出最大幅值為Vcc 的驅動脈沖信號，導通M0SFET，使得負高壓從漏極流入，在P3端輸出負高壓。P1，P2分別是正 負高壓輸入接口。為了便于對輸出高壓進行測試，P3端輸出的高壓經過濾波電容，與衰減電 阻相連，最終在P4端輸出100:1的衰減電壓。
【主權項】
1. 一種應用于質譜儀的可調高壓脈沖發生器，其特征在于：包括觸發脈沖電路、兩路 MOSFET高壓控制電路，觸發脈沖電路包括外部觸發電路、隔離電路、CPLD控制電路，每路 MOSFET高壓控制電路包括兩組MOSFET驅動電路及其驅動電源、兩路MOSFET組合電路、一路 正高壓輸入電路、一路負高壓輸入電路、兩路MOSFET高壓輸出電路、衰減輸出電路;所述外 部觸發電路的輸出端與隔離電路的輸入端相連接，隔離電路的輸出端與CPLD控制電路的輸 入端相連接，3組按鍵開關和2組滑動變阻器與CPLD控制電路的輸入端相連接，CPLD控制電 路的輸出端與各MOSFET驅動電路的輸入端相連接，各MOSFET驅動電路由其驅動電源供電， 各MOSFET驅動電路輸出端分別與一路MOSFET組合電路輸入端相連接，各MOSFET組合電路輸 出端分別與一組高壓輸出電路輸入端相連，高壓輸出電路與衰減輸出電路相連，每塊電路 均由直流電源供電。2. 根據權利要求1所述的一種應用于質譜儀的可調高壓脈沖發生器，其特征在于:所述 外部觸發電路的觸發信號輸出端串聯一個電阻Rl再與二極管Dl并聯后接入隔離電路的光 耦隔離芯片，光耦隔離芯片輸出端和CPLD控制電路的CPLD芯片輸入端相連接。3. 根據權利要求2所述的一種應用于質譜儀的可調高壓脈沖發生器，其特征在于:所述 CPLD控制電路的CPLD芯片輸入端外接滑動變阻器R2和R3,以及按鍵開關SI、S2和S3。滑動變 阻器R2和R3分別作為調寬電阻和調延遲電阻，滑動變阻器R2和R3的阻值范圍都是0 - 10萬 歐姆;在CPLD控制電路中，通過控制按鍵開關的狀態，實現6種觸發模式的轉換，即：當按鍵 開關S3關、S2開、Sl開時，輸出觸發脈沖信號A與外部觸發同步、等寬度、同相；當S3關、S2關、 Sl開時，通過調寬電阻R2調節信號A的寬度；當S3關、S2開、Sl關時，可以通過滑動變阻器R2 和R3同時調節信號A的延遲和寬度;后三種模式跟前三種類似，不同之處是輸出觸發脈沖信 號A與外部觸發相位相反;此外，輸出觸發脈沖信號B始終和信號A反相;兩路同步但相位相 反的觸發脈沖信號A、B分別控制后續正、負高壓輸入電路的正、負高壓脈沖模塊的輸出。4. 根據權利要求3所述的一種應用于質譜儀的可調高壓脈沖發生器，其特征在于:所述 MOSFET高壓控制電路中4路MOSFET通道控制正負電路輸入輸出，包括MOSFET管U5、U8、Ul 1、 U14和驅動芯片U3、U6、U9、U12;其中，M0SFET管U5和U8組成的正高壓脈沖模塊控制正高 壓，MOSFET管Ul 1和U14組成的負高壓脈沖模塊控制負高壓；在兩路MOSFET高壓控制電路 中，上一級MOSFET的源極和下一級MOSFET的漏極串聯，即MOSFET管U5的源極和U8的漏極相 連接，MOSFET管Ul 1的源極和U14的漏極相連接;相應地，上一級驅動電路的驅動芯片的陰極 和下一級驅動芯片的陽極串聯，即驅動芯片U3的陰極和U6的陽極相連接，U9的陰極和U12的 陽極相連接，上一級驅動芯片的陽極接正5伏，下一級驅動芯片的陰極接觸發脈沖信號A或 者信號B。
【文檔編號】H03K5/01GK105958976SQ201610415427
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】黃偉, 苗守葵, 黃騰, 彭秀球, 洪雨
【申請人】中國科學院合肥物質科學研究院