雙通道脈沖高壓穩(wěn)流電路設(shè)計(jì)

張 濤 王洪輝 庹先國(guó) 李 鄢 奚大順

（1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.四川理工學(xué)院，四川 自貢 643000）

雙通道脈沖高壓穩(wěn)流電路設(shè)計(jì)

張 濤1， 王洪輝1， 庹先國(guó)1，2， 李 鄢1， 奚大順1

（1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.四川理工學(xué)院，四川 自貢 643000）

為提高原子熒光儀中激發(fā)光源的瞬間激發(fā)強(qiáng)度及其光譜穩(wěn)定性，提出一種基于VMOS管穩(wěn)流原理的雙通道脈沖高壓穩(wěn)流電路設(shè)計(jì)方法，即采用由VMOS管和放大器組成的電流閉環(huán)負(fù)反饋電路來維持峰值電流穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)激發(fā)光源激發(fā)強(qiáng)度的穩(wěn)定。設(shè)計(jì)穩(wěn)流控制信號(hào)處理電路、閉環(huán)穩(wěn)流電路、穩(wěn)流閉鎖電路及高壓供電電路。在驅(qū)動(dòng)不同阻抗元素?zé)艏肮╇婋妷涸?50～250V波動(dòng)時(shí)，工作電流波動(dòng)幅度均在±0.4%以內(nèi)；輸出電流可在0～160mA數(shù)字設(shè)置，與設(shè)置電流線性相關(guān)度為0.9987。測(cè)試結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)的電流穩(wěn)流效果較好，能滿足不同元素?zé)艏安煌瑥?qiáng)度工作電流的驅(qū)動(dòng)要求。

激發(fā)光源；脈沖高壓穩(wěn)流；閉環(huán)穩(wěn)流；電流閉鎖；數(shù)字設(shè)置

0 引 言

氫化物發(fā)生-原子熒光儀（hydrogen generationatomic fluorescence spectrometer，HG-AFS）[1]是基于蒸氣相待測(cè)元素的基態(tài)原子受激發(fā)光源輻照后，根據(jù)激發(fā)出特征譜線的輻射強(qiáng)度來確定元素含量的一種痕量光譜分析方法[2-4]，具有靈敏度高、測(cè)定速度快、能多元素同時(shí)測(cè)定等特點(diǎn)[5]，目前廣泛應(yīng)用于食品安全、環(huán)境檢測(cè)、地質(zhì)、冶金、衛(wèi)生等行業(yè)和部門[6]。HG-AFS由自動(dòng)進(jìn)樣器、氫化物發(fā)生器、原子化器、激發(fā)光源、光電倍增管、信號(hào)檢測(cè)及處理電路[7]等組成。激發(fā)光源是其重要組成部分，不同的元素需要特定波長(zhǎng)的激發(fā)光源輻照才能激發(fā)特征譜線，而空心陰極燈（hollow cathode lamp，HCL）是目前應(yīng)用最廣泛的一種激發(fā)光源[8]。

HCL陰極發(fā)射特征譜線強(qiáng)度是決定HG-AFS檢出限的重要參數(shù)，而提高其發(fā)射譜線強(qiáng)度最簡(jiǎn)單、有效的技術(shù)手段就是提高HCL工作電流，但也會(huì)提高儀器本底噪聲及縮短燈的使用壽命。相比于以往的直流供電、寬脈沖供電及新型毫秒脈沖供電方式[9]，采用脈沖寬度更窄、峰值電流更大的大電流微秒脈沖，能進(jìn)一步提高HCL的特征譜線發(fā)射強(qiáng)度，有效延長(zhǎng)燈的使用壽命，因而這種供電方式受到了持續(xù)的關(guān)注與研究[10-11]。目前，針對(duì)這種供電方式的理論研究已經(jīng)比較完善，但是工程設(shè)計(jì)鮮有提及，因此結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目需要，在此提出一種雙通道脈沖高壓穩(wěn)流電路設(shè)計(jì)方法。

1HCL工作電流分析

HCL工作電流決定了燈的特征譜線發(fā)射強(qiáng)度及其光譜穩(wěn)定性，也直接影響著燈的使用壽命以及吸收靈敏度和儀器檢出限的好壞。在一定條件下，燈電流大則特征譜線發(fā)射強(qiáng)度大，但會(huì)縮短燈的使用壽命、降低吸收靈敏度；燈電流過小，特征譜線發(fā)射強(qiáng)度太弱，儀器信噪比降低，影響檢出限。為兼顧特征譜線發(fā)射強(qiáng)度及燈使用壽命這兩個(gè)互斥的參數(shù)，本設(shè)計(jì)采用脈沖寬度更窄、峰值電流更大的大電流微秒脈沖脈沖供電方式。

微秒脈沖為占空比一定的低頻矩形波，在HCL允許的平均工作電流范圍內(nèi)，大幅提高瞬間峰值工作電流[12]。本文采用占空比5%的矩形電流，設(shè)計(jì)陰極燈瞬間峰值電流為160mA（平均工作電流也僅為8 mA）。一方面，大幅提高特征譜線發(fā)射強(qiáng)度，延長(zhǎng)HCL使用壽命；另一方面，有效避免持續(xù)輻照激發(fā)的重復(fù)譜線，提高HG-AFS的信噪比[13]。圖1為陰極燈供電電流波形，脈沖頻率為300Hz。電流平頂部分應(yīng)保持穩(wěn)定，以保證激發(fā)光源的光譜穩(wěn)定，進(jìn)而保證檢測(cè)到電信號(hào)的穩(wěn)定可靠，這一點(diǎn)由穩(wěn)流電路完成。

圖1 陰極燈工作電流波形

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 閉環(huán)穩(wěn)流電路原理

HCL的正常工作，需要由雙通道脈沖高壓穩(wěn)流源對(duì)其陽極A及輔助陰極KS同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。2個(gè)通道的電路設(shè)計(jì)基本相同，只是在驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置上存在差異，在此只對(duì)陽-陰極（A-K）間的脈沖高壓穩(wěn)流電路加以分析。

圖2為閉環(huán)穩(wěn)流電路原理示意圖。它由VMOS調(diào)整管Q，負(fù)載RL，取樣電阻RS，誤差放大器OA1、OA2以及穩(wěn)流值控制信號(hào)Vr等組成。由圖可知，此電路實(shí)質(zhì)上是一種電流閉環(huán)負(fù)反饋電路[7]。根據(jù)放大器“虛短”的特性，OA2的同相端：

式中：I0——輸出電流，mA；

Vr——穩(wěn)流值控制電壓信號(hào)，mV；

RS——取樣電阻值，Ω；

Af——誤差放大器OA1的增益。

圖2 閉環(huán)穩(wěn)流電路原理示意圖

若RS=0.1Ω，Af=10，此時(shí)穩(wěn)流電源的控制電壓與輸出電流的關(guān)系為：I0=Vr。只要控制電壓一定，在供電電壓VCC或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，此閉環(huán)反饋系統(tǒng)能高速自動(dòng)維持輸出電流的穩(wěn)定。例如負(fù)載RL變小，負(fù)載電流增大，此時(shí)VS（取樣電阻RS的電壓）增大，經(jīng)OA1放大后，會(huì)導(dǎo)致V-減小，由于控制信號(hào)不變，從而使OA2輸出電壓下降，VMOS管內(nèi)阻增高，這將補(bǔ)償最初的負(fù)載電流加大，最終維持負(fù)載電流的穩(wěn)定；供電電壓變化所引起的電流變化的穩(wěn)定過程，與此類似。

2.2 脈沖高壓穩(wěn)流電路

脈沖高壓穩(wěn)流電路原理如圖3所示。

1）穩(wěn)流控制信號(hào)處理電路

此部分是由圖3中的R8、C3組成的低通濾波與運(yùn)放OP07構(gòu)成的信號(hào)處理電路A。STM32 MCU的12位DAC輸出占空比為5%、頻率為300 Hz的矩形電壓脈沖作為穩(wěn)流值控制信號(hào)Vr。由于DAC輸出的最大電壓約為3.3V，這里軟件設(shè)置DAC的最大幅度為3V。如圖1所示，3V控制信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出電流峰值為160mA。Vr經(jīng)一階有源RC低通濾波減弱干擾信號(hào)的影響，考慮到脈沖頂部的降落，轉(zhuǎn)折頻率取3kHz。

2）閉環(huán)穩(wěn)流電路

此部分是由圖3中誤差放大器U2A、U2D，大功率VMOS調(diào)整管Q3，取樣電阻R13構(gòu)成的閉環(huán)負(fù)反饋穩(wěn)流電路B。負(fù)載為HCL，電流方向?yàn)殛枠OA到陰極K。當(dāng)穩(wěn)流值控制信號(hào)Vr（U2A V+）為3V時(shí)，燈電流脈沖幅度應(yīng)為160 mA。此時(shí)取樣電阻R13取為10 Ω，對(duì)應(yīng)的取樣電壓為1.6 V，由式（1）可知，V+=Vr≈V-，故同相放大倍數(shù)Af：

圖3 脈沖高壓穩(wěn)流電路原理圖

R14為滑動(dòng)變阻器，取值2kΩ，保證其放大倍數(shù)可調(diào)范圍為1～3，即輸出電流的調(diào)整范圍為100～300mA。

調(diào)整管為N溝道VMOS管6N60，其VDDS=650V，HCL工作電壓約為400V，電壓減額0.6[14]；ID=6.2A，電流減額更充分。利用它工作于變阻區(qū)，獲得高的閉環(huán)增益，提高穩(wěn)流效果。電容C4用于防止由于放大器特性、走線方式等因素可能引起的高頻自激。此穩(wěn)流電路與圖2的原理電路的差異在于驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vr為矩形脈沖，穩(wěn)流區(qū)在脈沖頂部而已。

3）穩(wěn)流閉鎖電路

此部分是由圖3中三極管構(gòu)成的開關(guān)電路C。NPN型雙極性晶體管Q5在導(dǎo)通或截止時(shí)，控制HCL電流的流動(dòng)或者停止。當(dāng)BUSY=1時(shí)，Q5導(dǎo)通，VMOS管Q3的柵極被鉗制到地，穩(wěn)流電路停止工作，HCL無電流通過；BUSY=0，Q5截止，Q3工作于變阻區(qū)，穩(wěn)流電路正常工作，HCL正常工作。

4）高壓供電電路

考慮到穩(wěn)流電路對(duì)供電電壓的不敏感性，此部分是由圖3中升壓式變壓器T1、全橋整流D1、均壓電阻、濾波電容構(gòu)成的簡(jiǎn)易AC-DC轉(zhuǎn)換電路D。由于HCL的供電電壓必須保證大于其啟輝電壓（一般＜360V[6]），而市電輸入為交流220V，故升壓器T1的調(diào)整比設(shè)置為1∶2，輸出交流電壓約為500 V；T1的交流輸出經(jīng)D1整流后轉(zhuǎn)換為直流電壓，再用均壓電阻R1、R2平均分配給濾波電容器C1、C2，消除高頻噪聲與市電交流干擾后作為HCL的供電電壓。其中，均壓電阻選用功率電阻RJ-2W，濾波電容器選用47μF、耐壓400V的鋁電解電容。

3 電路測(cè)試與分析

為檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)對(duì)不同阻抗元素?zé)舻姆€(wěn)流能力、供電電壓變化時(shí)的穩(wěn)流能力以及輸入-輸出線性度這3個(gè)方面的性能，分別對(duì)其進(jìn)行測(cè)試分析。

3.1 測(cè)試條件及儀器

由于輔助陰極與陰極的驅(qū)動(dòng)電路相互獨(dú)立，在此只對(duì)A-K極流過的電流進(jìn)行測(cè)試。

所有空心陰極燈均采用北京有色金屬研究所研制的系列高性能空心陰極燈，填充氣為氖氣，輻照強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好壽命長(zhǎng)，在測(cè)量前均進(jìn)行約30min預(yù)熱，使其輻射強(qiáng)度及熱阻抗達(dá)到穩(wěn)定；本文取樣電阻值為10Ω，由示波器測(cè)量取樣電阻上的電壓值折算出流過HCL的電流值。本次測(cè)試主要用到的測(cè)試儀器如表1所示。

表1 測(cè)試儀器清單

3.2 對(duì)不同元素?zé)舻姆€(wěn)流能力

不同元素?zé)粼诔淙攵栊詺怏w的濃度比例和陰極材料上存在明顯差異，進(jìn)而導(dǎo)致各HCL的阻抗存在較大差異。本文就不同HCL在相同預(yù)設(shè)電流下，實(shí)際流過的電流進(jìn)行測(cè)試，以檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)對(duì)HCL的穩(wěn)流能力。

本文預(yù)設(shè)各元素?zé)舻拿}沖電流峰值為80 mA，表2是各元素?zé)魧?shí)際通過的電流峰值。

表2 對(duì)不同元素?zé)舻尿?qū)動(dòng)能力測(cè)試

由表可知，實(shí)際流過HCL的A-K極之間的電流，與預(yù)設(shè)值的相對(duì)誤差均保持在±0.4%以內(nèi)，均方差電流波動(dòng)幅度較小，峰值電流穩(wěn)定，表明本設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)不同阻抗的元素?zé)魰r(shí)，穩(wěn)流能力良好，能適應(yīng)多種元素?zé)舻尿?qū)動(dòng)要求。

圖4為電流峰值80mA，汞元素?zé)舻娜与娮枭蠝y(cè)得的波形（VS=I0·RS=10I0）。

圖4 元素汞燈電壓波形

3.3 供電電壓變化時(shí)的穩(wěn)流能力

供電電壓變化是由自耦變壓器模擬，調(diào)節(jié)旋鈕并根據(jù)萬用表讀數(shù)設(shè)置變化范圍為150～250V，步進(jìn)25V；測(cè)試元素?zé)魹楣療簦╇婋妷簽槭须?20V，預(yù)設(shè)脈沖電流峰值為80mA。表3為供電電壓變化時(shí)，流過汞HCL燈的實(shí)際電流峰值。

表3 供電電壓變化時(shí)的穩(wěn)流能力測(cè)試

由表可知，流過HCL的電流值與預(yù)設(shè)值的相對(duì)誤差僅在±0.4%以內(nèi)，均方差s=0.126 mA，電流波動(dòng)幅度較小，表明本設(shè)計(jì)在供電電壓大幅度波動(dòng)情況下，仍能維持流過HCL的電流穩(wěn)定，穩(wěn)流能力良好。

3.4 輸入-輸出線性度

預(yù)設(shè)電流峰值設(shè)置范圍0～160mA，步進(jìn)20mA；測(cè)試元素?zé)魹楣療簦╇婋妷簽槭须?20V。表4為實(shí)際輸出電流峰值與預(yù)設(shè)值測(cè)試數(shù)據(jù)。

表4 輸入-輸出線性度測(cè)試

根據(jù)表4，可以得到圖5所示輸入-輸出線性度曲線圖，并求得線性相關(guān)度。

由圖可知，輸出實(shí)際電流與軟件設(shè)置的值基本一致，相對(duì)誤差均在±3%以內(nèi)，線性相關(guān)度R=0.998 7，表明該設(shè)計(jì)輸出電流能按照需求在0～160 mA內(nèi)自行設(shè)置，能滿足不同元素?zé)魧?duì)不同工作電流的需求。預(yù)設(shè)值與實(shí)際值的誤差，只要峰值電流穩(wěn)流良好，不會(huì)對(duì)儀器的性能產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語

本文以實(shí)際需要為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)原子熒光分析儀激發(fā)光源-空心陰極燈的雙通道脈沖高壓穩(wěn)流電路，改善了傳統(tǒng)穩(wěn)流電路對(duì)脈沖電流的穩(wěn)流效果，保證了儀器在測(cè)量時(shí)激發(fā)光源的高度穩(wěn)定，減少了激發(fā)光源的背景噪聲，提高了儀器的信噪比。本設(shè)計(jì)能滿足多種HCL的電流驅(qū)動(dòng)需求，輸出電流可在0～160mA內(nèi)按需設(shè)置，具有穩(wěn)流能力強(qiáng)、輸出線性度好的特點(diǎn)。采用本設(shè)計(jì)對(duì)元素（砷、鉛、鎘、汞）的實(shí)際測(cè)量表明，電路性能滿足儀器要求，可供儀器相關(guān)部件的工程設(shè)計(jì)參考。

圖5 輸入-輸出線性度曲線圖

[1]FEATHRSTONE A M，BOULT P R，O'GRADY B V，et al.A shipboard method for arsenic speciation using semi-auto mated hydridegeneration atomic fluorescence spectroscopy[J].Analytica Chimica Acta，2000，409（1）：215-226.

[2]吳廷照，劉紀(jì)琳.空心陰極燈的原理、特性及使用[J].分析實(shí)驗(yàn)室，1983，6（6）：99-109.

[3]原子熒光光度計(jì)：JJG 939-2009[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

[4]鄧勃，遲錫增，劉明鐘，等.應(yīng)用原子吸收與原子熒光光譜分析[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[5]李剛，胡斯憲，陳琳玲.原子熒光光譜分析技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展[J].巖礦測(cè)試，2013，32（3）：358-376.

[6]張錦茂，董芳.蒸氣發(fā)生-原子熒光光譜法在我國(guó)的進(jìn)展及其在食品、環(huán)保分析領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].光譜儀器與分析，2003，53（1）：15-35.

[7]張錦茂，梁敬，董芳.中國(guó)30多年來原子熒光光譜儀器的發(fā)展與應(yīng)用[J].中國(guó)無機(jī)分析化學(xué)，2013，3（4）：1-10.

[8]李可，邢鐵增，鄧艷龍，等.原子熒光光譜儀空心陰極燈燈電流、激發(fā)光強(qiáng)度及供電脈沖寬度的關(guān)系[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2016，38（1）：103-107.

[9]黃躍，李可，趙志華，等.應(yīng)用于原子熒光光譜分析的空心陰極燈燈電流與激發(fā)光強(qiáng)度關(guān)系的實(shí)驗(yàn) [J].巖礦測(cè)試，2006，25（4）：384-386.

[10]弓振斌，楊芃原，林躍河，等.強(qiáng)短脈沖供電時(shí)空心陰極燈的放電特性研究 [J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)，1995，16（7）：1037-1039.

[11]張紹雨，弓振斌，黃本立.堿土金屬的強(qiáng)短脈沖供電空心陰極燈激發(fā)常規(guī)炬管電感耦合等離子體離子熒光光譜初步研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2006，26（2）：331-333.

[12]張碩.氫化物發(fā)生原子熒光光譜分析中的微秒脈沖供電空心陰極燈激發(fā)光源[J].光譜學(xué)與光譜分析，2015，35（9）：2412-2414.

[13]李昌厚.原子吸收分光光度計(jì)儀器及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006：36-40.

[14]奚大順.電子技術(shù)隨筆[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015：17-24.

（編輯：商丹丹）

Design of the current stabilization circuit of dual-channel pulse high voltage

ZHANG Tao1， WANG Honghui1， TUO Xianguo1，2， LI Yan1， XI Dashun1
（1.College of Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2.Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000，China）

To enhance the instantaneous excitation intensity and the spectral stability of excitation light source in atomic fluorescence spectrometer， a dual-channelpulse high voltage current stabilization circuitdesign method based on VMOS tube currentstabilization principle was proposed.A closed loop negative feedback circuit consisting of a VMOS tube and an amplifier was used to maintain the peak current stability，so as to achieve the stability of excitation light source's intensity.Constant-current control signal processing circuit， closed-loop current stabilization circuit，constant-current lock out circuit and high-voltage power supply circuit were designed.The working current amplitude was within±0.4% when driving lamps with different impedance elements or the power supply voltage ranges between 150 V and 250 V，the output current could be digital settings within 0-160mA and the linear correlation between output current and setting current was 0.9987.Test results show that the current stabilization effect of the design is excellent and the design can meet the drive demand of the different element lamps and different working current intensity.

excitation light source； pulse high voltage current stabilization； closed-loop current stabilization； current blocking； digital settings

A

：1674-5124（2017）07-0078-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.015

2016-10-10；

：2016-12-13

國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)（41227802）；成都理工大學(xué)中青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（KYGG201513）

張 濤（1991-），男，四川廣安市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)橹悄軆x器及信號(hào)處理。

王洪輝（1985-），男，湖北孝感市人，副教授，博士，主要從事核輻射環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警。