電子顯微鏡穩流電源研究

2013-10-27 05:53:00袁水平

通信電源技術 2013年6期

袁水平

（中國人民解放軍91245部隊，遼寧葫蘆島 125001）

0 引言

電子顯微鏡使用電子束作為成像光束，克服可見光的衍射極限，能放大原子級別的微觀物質結構，可以觀察到物質原子尺寸的排列結構。因此，透射電子顯微鏡在國民生產、科學研究中作用巨大，是材料、生物等領域必不可少的工具。電子顯微鏡成像原理與光學顯微鏡類似，如光學透鏡對光束的折射作用一樣，對電子束產生折射作用的是磁透鏡。磁透鏡就是螺旋線圈再加某些形狀的軟鐵殼包裹，當線圈通電流后，形成一定空間分布磁場，磁場對電子束的折射作用，也就是磁透鏡。若需要高質量、高放大倍數的顯微圖片，其勵磁電流的性能要求非常高。

線圈激磁穩流電源的特性是電流大，如物鏡線圈電流達到10A以上；穩定度要優于10ppm／min。目前在日本和美國的新型電鏡中，透鏡勵磁線圈的電流穩定度最高已達到1ppm／min。我國在20世紀90年代生產的電子顯微鏡其物鏡線圈電流穩定度能達到數10ppm／min量級。目前中科院電工所為北航透射電子顯微鏡項目生產的線圈電源，其電流穩定度通過測試最高已達到5ppm／min，這與高放大倍數的透射電子顯微鏡電流穩定度的2ppm／min的要求還有很大差距。

本課題通過研究國內外線圈穩流電源的結構和組成，改進電路結構，使用市場上能購買的有關器件，通過測試數據顯示，設計出穩定度達到2ppm／min的線圈穩流電路。

1 透鏡線圈電源的組成

整個電源系統主要由穩壓電路和穩流電路，光電隔離電路、PLC模塊與計算機組成。各部分的結構關系如圖1所示。

圖1 線圈穩流電源組成框圖

市電通過變壓整流濾波輸入給各穩壓電路，然后輸出100V，±15V，＋5V與＋24V等幾種電壓源，其中100V給線圈供電，其余給穩流電路板與光電隔離電路供電。各路穩壓電路都采用線性穩壓電路，其電壓調整率小于1%，紋波Urms小于10mV。

在前置穩壓電路的供電下，通過計算機輸入某一電流值，經過PLC與光電隔離電路，輸入到穩流電路的D／A芯片上，穩流電路根據輸入的數據輸出一定的電流值給線圈。A／D采樣電路輸出采樣的電流值給計算機以供監視線圈電流。本系統使用計算機與PLC模塊組合的控制方式具有高可靠、易操作等特點。由于PLC輸入、輸出數據都是通過光電隔離輸入到穩流電路的，因此該系統具有很強的抗干擾能力。

2 穩流電路的組成

通過有關資料可知:在閉環負反饋穩定控制電路中，對穩定性影響最大的因素有:輸入的穩定性，反饋參數的穩定性，初級比較放大器的噪聲特性及開環的放大倍數。由于高的開環放大倍數，必須使用多級放大電路串聯，而在閉環中使用多級放大，容易引起振蕩，電路的穩定性不好等問題。針對這些問題，結合現有電子元器件的實際，根據有關資料，進行相關電路改進，設計出如圖2所示的穩流電路。

該穩流電路主要由基準電壓芯片AD588，D／A芯片AD7846，兩級運放電路，功率放大電路，以及相關的電阻電容組成。它們的組成關系如圖2所示。穩流電路采用深度負反饋穩定控制原理，具體的工作原理是:在前置穩壓電源的供電下，輸入的數字電壓通過D／A轉變成模擬電壓值，然后給比較放大的正相輸入端；取樣電阻與線圈串聯，它們的電流相同，取樣電阻一端接地，一端電壓給比較放大的反相輸入端；因此在電路穩定時，可根據輸入的電壓控制取樣電阻的電流，從而得到線圈的電流值。其中電流放大電路起著功率放大的作用，能給線圈提供數安培大小的電流。采樣電壓還可以通過模數轉換輸出給操控面板顯示。

圖2 穩流電路簡圖

3 線圈電源電流穩定度分析

線圈穩流電路采用的是閉環負反饋穩定控制的原理，此結構可以大大提高輸出電流的穩定度、靈敏度與準確度，可以有效地抑制線性電源的波動、線圈等元件因發熱而產生的參數漂移和環境中的噪聲干擾。

3.1 穩流電路的傳遞函數分析

通過對穩流電路中各組成部件進行分析，可以建立如圖3所示的穩流電路傳遞函數系統框圖。其中UIN為輸入電壓，A1、A2分別為第一級、第二級運放OP07的電壓放大倍數，A3為多級三極管的電壓放大倍數，1／（sRC＋1）為電路中電阻電容的傳遞函數，1／（sL＋RL）為線圈的傳遞函數，RF為采樣電阻值。

圖3 穩流電路傳遞函數系統框圖

則有輸出電流的公式:

設開環放大倍數為:

由于在電路中A1＝A2＝100，A3≈10，K≈105，則

這是由于開環放大倍數足夠大，電路為深度負反饋，輸出電流等于輸入電壓與反饋電阻的比值。在前置穩壓電源的功率驅動范圍內，只要輸入電壓和反饋電阻大小確定，不管線圈負載的電阻為多少，線圈輸出電流的大小是一定的，因此這是典型的穩流電源。

根據JB／T 9352－1999《透射電子顯微鏡試驗方法》，使用下面的公式計算線圈電源分鐘電流穩定度。

式中，SL為透鏡線圈電流穩定度；ΔUSL為首先得到取樣電壓每分鐘的變化量，然后把10分鐘內10個變化量取平均值；USL為取樣電壓的平均值。

根據式（1）與式（4），可以得到線圈電流的分鐘穩定度:

由式（5）可以知道線圈電流穩定度主要由輸入電壓的穩定性和反饋電阻的穩定性兩個因素決定。其中輸入電壓與采樣反饋電壓分別輸入初級比較放大器正相、負相輸入端。由于OP07的輸入失調電壓與失調電流的溫度系數都比較小，因此若要提高穩流電源的穩定性，就必須提高輸入電壓與反饋電阻的穩定性。

3.2 影響線圈電流穩定度因素的分析

在穩流電路中，輸入電壓的組成是由基準電壓芯片AD588與D／A芯片AD7846組成，它們的輸出電壓的溫度漂移最大值分別為1.5ppm／℃，1ppm／℃。使用計算機采集Agilent公司的八位半3458A數字多用表的電壓測試系統，在辦公室環境下測試得到兩個芯片組合的電壓輸出的穩定度數據。如圖4所示，該電壓穩定度已小于1ppm／min。假如稍加保溫措施，則可以得到更高穩定度的輸出電壓。

圖4 輸入電壓穩定度曲線

由于電阻的溫度系數一般比較大，且在電鏡中要使用數安培的電流，采樣電阻發熱功率很大，因此這是一個很棘手的問題。通過參考相關資料，使用溫度系數低（約10－5／℃）的錳銅材料電阻，采用多個電阻并聯連接作為一個采樣電阻，且其電阻功率冗余5～8倍，把采樣電阻置于油箱中，通以恒溫水冷卻，這樣可以使采樣電阻的溫度漂移很小。因此可以得到非常真實反映電流大小的采樣電壓。通過實際測試，此結構的采樣電阻可以達到指標要求，具體數據見第4節結論。

在前向通路中，由于高達105的開環放大倍數，電路有關參數的小變化基本不影響輸出電流的穩定度。如A1、A2、A3都是由電阻值決定的，因此變化很小。線圈也采用水冷結構，線圈的電阻RL因發熱而產生的變化有限。前置電壓采用線性穩壓電源，也給線圈提供穩定的電流以一定的支持。