CN105958976A

CN105958976A - 一种应用于质谱仪的可调高压脉冲发生器

Info

Publication number: CN105958976A
Application number: CN201610415427.7A
Authority: CN
Inventors: 黄伟; 苗守葵; 黄腾; 彭秀球; 洪雨
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2016-09-21

Abstract

本发明公开了一种应用于质谱仪的可调高压脉冲发生器，包括触发脉冲电路、两路MOSFET高压控制电路，触发脉冲电路包括外部触发电路、隔离电路、CPLD控制电路，每路MOSFET高压控制电路包括两组MOSFET驱动电路及其驱动电源、两路MOSFET组合电路、一路正高压输入电路、一路负高压输入电路、两路MOSFET高压输出电路、衰减输出电路，每块电路均由直流电源供电。本发明的高压脉冲发生器造价便宜，性能可靠，可用于质谱仪中脉冲式地引出离子和电子，例如飞行时间质谱仪***。

Description

一种应用于质谱仪的可调高压脉冲发生器

技术领域

本发明属于电子仪器技术领域，具体设计一种应用于质谱仪的可调高压脉冲发生器。

技术背景

质谱仪是一种化学分析仪器，用于分子质量精确测定与化合物分析。在各种质谱仪器中，例如飞行时间质谱仪中，经常需要脉冲式地引出离子和电子。在这些场合中，脉冲发生器对金属板等部件施加脉冲电压，引出电子、离子对。脉冲发生器可由时序***或各种脉冲光源同步输出的电平触发。

由于质谱仪所要求的高质量分辨能力和高稳定性，对质谱仪的高压脉冲电源要求较高。为实现质谱野外和现场测试，对小型化和便携式质谱仪的需求不断提高，而传统的高压脉冲电源一般都比较复杂，其体积一般也较大。此外，传统高压脉冲电源往往缺乏简单有效的手段，来进行高压脉冲的多功能调节。

随着CPLD复杂可编程逻辑器件迅速发展，其具有容易使用、时序可预测和速度高等优点。根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路，实现触发脉冲相位、宽度、延迟可调。CPLD电路可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高了***的可靠性。利用CPLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路，降低研发成本。

近年来，脉冲功率技术快速发展，对其技术参数的要求也越来越高，如：高重复频率、ns 量级上升沿、长寿命等等。传统的脉冲开关无法实现高频化，尽管半导体器件可以弥补此缺陷，但它的耐压以及通流能力有限。在脉冲功率技术中，上升沿是一个很重要的指标。半导体的导通速度影响着波形的上升沿，而导通速度与驱动设计紧密相连，故半导体器件的驱动设计至关重要。

传统的高压脉冲发生器利用触发器、电感电容、变压器等元器件，输出模式固定的高压脉冲。这种高压脉冲发生器往往结构繁琐，造价相对昂贵，难于维护。在特殊的需求环境中，传统的高压脉冲发生器通常不能满足我们的实验要求，用户无法根据实验情况改变脉冲延迟，宽度等参数。因此，设计一套应用于质谱仪的幅值、相位、延迟和宽度可调高压脉冲发生器，将具有非常重要的现实意义。和以前的高压脉冲器相比较，我们可以较为方便通过调节按键开关，滑动变阻器实现高压脉冲调节，实现模式转换。电路相应快，耐压值较高。其结构也更为简单，造价也将变得更为便宜。在质谱分析实验中，可以通过该高压脉冲发生器灵活性地进行实验测试，得到更加精准有效的实验数据，为后期的理论分析提供便利。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在的不足之处，提供了一种应用于质谱仪的幅值、相位、延迟和宽度可调高压脉冲发生器，并且所述高压脉冲发生器结构简单、稳定性好。

本发明采用的技术方案是：

一种应用于质谱仪的可调高压脉冲发生器，其特征在于：包括触发脉冲电路、两路MOSFET高压控制电路，触发脉冲电路包括外部触发电路、隔离电路、CPLD控制电路，每路MOSFET高压控制电路包括两组MOSFET驱动电路及其驱动电源、两路MOSFET组合电路、一路正高压输入电路、一路负高压输入电路、两路MOSFET高压输出电路、衰减输出电路；所述外部触发电路的输出端与隔离电路的输入端相连接，隔离电路的输出端与CPLD控制电路的输入端相连接，3组按键开关和2组滑动变阻器与CPLD控制电路的输入端相连接，CPLD控制电路的输出端与各MOSFET驱动电路的输入端相连接，各MOSFET驱动电路由其驱动电源供电，各MOSFET驱动电路输出端分别与一路MOSFET组合电路输入端相连接，各MOSFET组合电路输出端分别与一组高压输出电路输入端相连，高压输出电路与衰减输出电路相连，每块电路均由直流电源供电。

所述的一种应用于质谱仪的可调高压脉冲发生器，其特征在于：所述外部触发电路的触发信号输出端串联一个电阻R1再与二极管D1并联后接入隔离电路的光耦隔离芯片，光耦隔离芯片输出端和CPLD控制电路的CPLD芯片输入端相连接。

所述的一种应用于质谱仪的可调高压脉冲发生器，其特征在于：所述CPLD控制电路的CPLD芯片输入端外接滑动变阻器R2和R3，以及按键开关S1、S2和S3。滑动变阻器R2和R3分别作为调宽电阻和调延迟电阻，滑动变阻器R2和R3的阻值范围都是0 – 10万欧姆；在CPLD控制电路中，通过控制按键开关的状态，实现6种触发模式的转换，即：当按键开关S3关、S2开、S1开时，输出触发脉冲信号A与外部触发同步、等宽度、同相；当S3关、S2关、S1开时，通过调宽电阻R2调节信号A的宽度；当S3关、S2开、S1关时，可以通过滑动变阻器R2和R3同时调节信号A的延迟和宽度；后三种模式跟前三种类似，不同之处是输出触发脉冲信号A与外部触发相位相反；此外，输出触发脉冲信号B始终和信号A反相；两路同步但相位相反的触发脉冲信号A、B分别控制后续正、负高压输入电路的正、负高压脉冲模块的输出。

所述的一种应用于质谱仪的可调高压脉冲发生器，其特征在于：所述MOSFET高压控制电路中4路MOSFET通道控制正负电路输入输出，包括MOSFET管U5、U8、U11、U14和驱动芯片U3、U6、U9、U12；其中，MOSFET管U5 和U8 组成的正高压脉冲模块控制正高压，MOSFET管U11 和U14组成的负高压脉冲模块控制负高压；在两路MOSFET高压控制电路中，上一级MOSFET的源极和下一级MOSFET的漏极串联，即MOSFET管U5的源极和U8的漏极相连接，MOSFET管U11的源极和U14的漏极相连接；相应地，上一级驱动电路的驱动芯片的阴极和下一级驱动芯片的阳极串联，即驱动芯片U3的阴极和U6的阳极相连接，U9的阴极和U12的阳极相连接，上一级驱动芯片的阳极接正5伏，下一级驱动芯片的阴极接触发脉冲信号A或者信号B。

本发明在触发脉冲电路部分中，为了实现电信号传输单向性，具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，利用光耦合器进行输入输出间互相隔离。外部触发信号经用光耦合芯片后，接入CPLD芯片输入端，最终输出两路反相的方波信号。

复杂可编程逻辑器件（CPLD）是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。该器件借助集成开发软件平台quartus，用硬件描述语言Verilog HDL的方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字***。在本设计中，通过Verilog程序设计，CPLD主要实现双单稳态触发器，延时发生器以及强大运算处理等功能。利用CPLD来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高了***的可靠性。利用CPLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路，降低研发成本。两路同步但相位相反的信号A，B分别控制后续正负高压脉冲模块输出。

本发明在高压控制电路部分中，主要包括MOSFET驱动电路，MOSFET驱动电路的驱动电源，正负高压输入电路，MOSFET组合电路，高压输出及其衰减输出电路。

在脉冲功率技术中，上升沿是一个很重要的指标。MOSFET的导通速度影响着波形的上升沿，这与驱动电路的设计密切相关。在高压控制电路部分，为了实现较强驱动能力，快速开关以及光耦隔离的目的，设计了基于光电耦合器的MOSFET驱动电路。半导体中以MOSFET的导通速度最快，极间电容（特别是输入电容）影响 MOSFET 导通的上升沿与下降沿，为此要尽可能选取输入电容小的器件。结合本文的要求，没有必要选择输入电容很小，而功率却很小的MOSFET（一般来说，功率越小，输入电容就越小），否则会需要很多器件串联，反而会使驱动设计更具有挑战性。本发明采用一种折中的方法，选用功率大而输入电容尽可能小的MOSFET，是因为它的开关特性优良，且耐压高，其上升时间为13ns，漏极源极间耐压值可以达到1000V的高压。通过与其他大功率器件进行比较，发现此型号的输入电容相对较小，开通速度也相对较快些。

同时，为了提高半导体器件的耐压、通流能力，采用了串联MOSFET的方式。在4组MOSFET高压输出电路中，MOSFET驱动电路输出端与MOSFET组合电路输入端相连接，MOSFET管驱动电路由其驱动电源供电，MOSFET组合电路输出端与高压输出电路输入端相连。最终，高压输出电路与衰减输出电路相连，每块电路均由相应的直流电源供电。本文研制的一种基于MOSFET 串联的可调高压脉冲发生器，该脉冲发生器电压0 - ± 2000V幅值可调。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明利用复杂可编程逻辑器件开发数字电路，降低成本，提高电路稳定性；通过简单的硬件调节，可以控制高压脉冲的相位、延迟和宽度，实现电路的多功能性；设计基于光电耦合器的MOSFET驱动电路，提高电路驱动能力和可靠性；采用高速MOSFET串联方式，提高高压脉冲输出幅值。

附图说明

图1：可调高压脉冲发生器结构示意图。

图2：可调高压脉冲发生器中触发脉冲电路部分的原理图。

图3：可调高压脉冲发生器中高压控制电路部分的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

如图1，一种应用于质谱仪的可调高压脉冲发生器，其特征在于：包括触发脉冲电路、两路MOSFET高压控制电路，触发脉冲电路包括外部触发电路1、隔离电路2、CPLD控制电路3，每路MOSFET高压控制电路包括两组MOSFET驱动电路4及其驱动电源5、两路MOSFET组合电路6、一路正高压输入电路7、一路负高压输入电路8、两路MOSFET高压输出电路9、衰减输出电路10；所述外部触发电路的输出端与隔离电路的输入端相连接，隔离电路的输出端与CPLD控制电路的输入端相连接，3组按键开关和2组滑动变阻器与CPLD控制电路的输入端相连接，CPLD控制电路的输出端与各MOSFET驱动电路的输入端相连接，各MOSFET驱动电路由其驱动电源供电，各MOSFET驱动电路输出端分别与一路MOSFET组合电路输入端相连接，各MOSFET组合电路输出端分别与一组高压输出电路输入端相连，高压输出电路与衰减输出电路相连，每块电路均由直流电源供电。

在图2中，外部触发信号输出端通过二极管D1和电阻R1与光耦隔离芯片的输入端相连接。光耦隔离芯片的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。其作为信号隔离的接口器件可以大大增强工作的可靠性，提高抗干扰能力和传输效率。

光耦隔离芯片输出端和CPLD芯片输入端相连接。在CPLD控制电路中，芯片输入端外接滑动变阻器R2和R3，以及按键开关S1、S2和S3。调宽电阻R2和调延迟电阻R3的阻值范围都是0 – 10万欧姆。在该电路中，通过控制按键开关的状态，实现6种触发模式的转换。如表1所示，当按键开关S3关、S2开、S1开时，输出触发脉冲信号A与外部触发同步、等宽度、同相；当S3关、S2关、S1开时，通过调宽电阻R2调节信号A的宽度；当S3关、S2开、S1关时，可以通过滑动变阻器R2和R3同时调节信号A的延迟和宽度；后三种模式跟前三种类似，不同之处是输出触发脉冲信号A与外部触发相位相反。此外，输出触发脉冲信号B始终和信号A反相。两路同步但相位相反的触发脉冲信号A，B分别控制后续正负高压脉冲模块的输出。

表1为可调高压脉冲发生器可调节输出模式的说明表格：

S3	S2	S1	输出模式
				关	开	开	与触发脉冲同步、等宽度、同相
关	关	开	与触发脉冲同步、宽度可调、同相
				关	开	关	与触发脉冲同步、延迟、宽度可调、同相
开	开	开	与触发脉冲同步、等宽度、倒相
				开	关	开	与触发脉冲同步、宽度可调、倒相
开	开	关	与触发脉冲同步、延迟、宽度可调、倒相

表1

图3是基于MOSFET的高压控制电路，4路MOSFET通道控制正负电路输入输出。其中，U5和U8 组成的MOSFET控制正高压，U11 和U14组成的MOSFET控制负高压。在高压控制模块中，为了提高半导体器件的耐压、通流能力，采用一种基于 MOSFET串联的方式。在两路MOSFET高压控制电路中，上一级MOSFET的源极和下一级MOSFET的漏极串联，如图3中U5的源极和U8的漏极相连接，U11的源极和U14的漏极相连接。相应地，上一级驱动芯片的阴极和下一级驱动芯片的阳极串联，上一级驱动芯片的阳极接正5伏，下一级驱动芯片的阴极接触发脉冲信号A或者信号B，如图3中U3的阴极和U6的阳极相连接，U9的阴极和U12的阳极相连接。

此外，我们设计了基于光耦隔离芯片的MOSFET驱动电路。光耦隔离芯片最大输出驱动电流为2A，驱动能力强；最大开关速度为 2MKZ；电内带光耦隔离。正常工作时，U6的阴极输入端与触发脉冲信号A相连接。当触发脉冲信号A为低电平时，通过内部光电耦合器在U3的V0脚输出最大幅值为Vcc的驱动脉冲信号；经过电阻R6稳压，形成幅值为Vcc的稳定正向驱动脉冲；当触发脉冲信号A为高电平时，V0脚输出为零，通过电阻R4、稳压管D2、电容C2产生-5V的负压，以提高开关管的关断速度，增强驱动电路的抗干扰能力，防止误导通。如图3所示，触发脉冲信号A经过光藕隔离后变为+15V开通、-5V截止的驱动信号。电阻R11串联在MOSFET的栅极和源极两端，避免了栅源两端电压过高造成MOSFET的损坏。电阻R6用来抑制MOSFET的栅极振荡，其他3路MOSFET通道电路结构与此一致。该驱动电路具有光耦隔离、负压关断等功能，驱动电路的可靠性比较高。

当触发脉冲信号A为低电平时，光耦隔离芯片U3和U6的V0脚输出最大幅值为Vcc的驱动脉冲信号。光耦隔离芯片的输入端与MOSFET的栅源极相连接。此时，MOSFET的栅极电压高于源极电压，MOSFET导通。稳定以后，MOSFET处于线性工作区域，正高压电源从漏极流入，在P3端输出正高压。同样地，触发脉冲信号B使得光耦隔离芯片U9和U12输出最大幅值为Vcc的驱动脉冲信号，导通MOSFET，使得负高压从漏极流入，在P3端输出负高压。P1，P2分别是正负高压输入接口。为了便于对输出高压进行测试，P3端输出的高压经过滤波电容，与衰减电阻相连，最终在P4端输出100:1的衰减电压。

Claims

1.一种应用于质谱仪的可调高压脉冲发生器，其特征在于：包括触发脉冲电路、两路MOSFET高压控制电路，触发脉冲电路包括外部触发电路、隔离电路、CPLD控制电路，每路MOSFET高压控制电路包括两组MOSFET驱动电路及其驱动电源、两路MOSFET组合电路、一路正高压输入电路、一路负高压输入电路、两路MOSFET高压输出电路、衰减输出电路；所述外部触发电路的输出端与隔离电路的输入端相连接，隔离电路的输出端与CPLD控制电路的输入端相连接，3组按键开关和2组滑动变阻器与CPLD控制电路的输入端相连接，CPLD控制电路的输出端与各MOSFET驱动电路的输入端相连接，各MOSFET驱动电路由其驱动电源供电，各MOSFET驱动电路输出端分别与一路MOSFET组合电路输入端相连接，各MOSFET组合电路输出端分别与一组高压输出电路输入端相连，高压输出电路与衰减输出电路相连，每块电路均由直流电源供电。

2.根据权利要求1所述的一种应用于质谱仪的可调高压脉冲发生器，其特征在于：所述外部触发电路的触发信号输出端串联一个电阻R1再与二极管D1并联后接入隔离电路的光耦隔离芯片，光耦隔离芯片输出端和CPLD控制电路的CPLD芯片输入端相连接。

3.根据权利要求2所述的一种应用于质谱仪的可调高压脉冲发生器，其特征在于：所述CPLD控制电路的CPLD芯片输入端外接滑动变阻器R2和R3，以及按键开关S1、S2和S3。滑动变阻器R2和R3分别作为调宽电阻和调延迟电阻，滑动变阻器R2和R3的阻值范围都是0 – 10万欧姆；在CPLD控制电路中，通过控制按键开关的状态，实现6种触发模式的转换，即：当按键开关S3关、S2开、S1开时，输出触发脉冲信号A与外部触发同步、等宽度、同相；当S3关、S2关、S1开时，通过调宽电阻R2调节信号A的宽度；当S3关、S2开、S1关时，可以通过滑动变阻器R2和R3同时调节信号A的延迟和宽度；后三种模式跟前三种类似，不同之处是输出触发脉冲信号A与外部触发相位相反；此外，输出触发脉冲信号B始终和信号A反相；两路同步但相位相反的触发脉冲信号A、B分别控制后续正、负高压输入电路的正、负高压脉冲模块的输出。

4.根据权利要求3所述的一种应用于质谱仪的可调高压脉冲发生器，其特征在于：所述MOSFET高压控制电路中4路MOSFET通道控制正负电路输入输出，包括MOSFET管U5、U8、U11、U14和驱动芯片U3、U6、U9、U12；其中，MOSFET管U5 和U8 组成的正高压脉冲模块控制正高压，MOSFET管U11 和U14组成的负高压脉冲模块控制负高压；在两路MOSFET高压控制电路中，上一级MOSFET的源极和下一级MOSFET的漏极串联，即MOSFET管U5的源极和U8的漏极相连接，MOSFET管U11的源极和U14的漏极相连接；相应地，上一级驱动电路的驱动芯片的阴极和下一级驱动芯片的阳极串联，即驱动芯片U3的阴极和U6的阳极相连接，U9的阴极和U12的阳极相连接，上一级驱动芯片的阳极接正5伏，下一级驱动芯片的阴极接触发脉冲信号A或者信号B。