基于STM32的高穩定性射頻電源設計

關鍵詞：STM32單片機；射頻電源；LC諧振

0引言

質譜技術能夠幫助人們在微觀世界中對物質成分、離子構成進行深度剖析，其是化學反應動力學研究的得力助手[1]。相較于時間飛行質譜儀，射頻型質譜儀具有顯著的優越性。無論是在光物理化學的前沿探索中，還是在大氣化學、天體化學的復雜環境中，射頻型質譜儀都能展現出強大的應用能力。同時，在生命科學、食品安全以及環境監測等多個領域，它也為科研人員提供了強大的技術支持。射頻型質譜儀的奧秘在于其內部的射頻電場。通過對射頻電壓的頻率和幅度進行精準調整，射頻型質譜儀能夠針對特定的離子進行高效篩選，從而實現物質成分的準確識別與分析[2]。射頻電源的頻率調諧范圍、射頻電壓峰峰值以及射頻輸出的穩定性等關鍵指標，都直接影響儀器的分析效果。因此，優化關鍵技術指標是提升射頻型質譜儀性能的重要研究方向[3-4]。

1設計方案

圖1為射頻電源控制框圖。通過串口協議建立計算機與STM32單片機之間的通信，使得用戶僅需使用軟件用戶界面，即可實現對射頻電源輸出的控制，極大提升了操作的便捷性。小信號源在射頻功放電路中進行功率放大后，加載至變壓器的初級線圈，根據電磁感應原理，射頻能量能夠傳遞至次級線圈。在次級線圈端，通過次級線圈與容性負載的諧振作用，實現射頻輸出電壓的放大。為確保射頻輸出的穩定性，本文設計了檢波電路以實時監測輸出電壓幅值。將實際電壓幅值信息及時反饋至STM32單片機，借助比例積分微分（proportionalintegralderivative，PID）控制算法，自動調節小信號源的輸出，從而實現對射頻輸出穩定性的精確控制。

圖2為射頻電源用戶界面，用戶可以設定實驗所需的射頻頻率和射頻振幅。為了提升射頻電源輸出的穩定性，將檢波信號輸入單片機進行模/數轉換器（analog-to-digitalconverter，ADC）測量，將射頻電壓的實際值實時反饋給單片機。當用戶點擊“開啟PID控制”按鈕，系統可以采用PID控制算法，精確調整信號源的輸出電壓幅值，從而實現射頻電壓穩定輸出。

1.1信號源電路設計

如圖3a所示，小信號源的電路結構設計核心為AD9959，采用差分式輸出，后接寬帶運放以提高輸出功率，實現小信號源輸出。單片機控制的AD9959芯片產生的正弦波信號，其幅值最大輸出為2V，與射頻電源最終輸出幾百伏相比較小，故稱為小信號。AD9959為數字頻率合成器型信號芯片，與單片機之間采用串行外圍設備接口（serialperipheralinterface，SPI）協議通信，實現射頻信號的精準控制。輸出方式選擇差分式，便于增強信號的抗干擾能力。本文選用了電流負反饋寬帶運放OPA691進行初級放大。然而，OPA691的輸出幅值僅為0.15V，無法滿足后續射頻功放對輸入信號的需求。為了提高輸出信號的功率，選取寬帶電流負反饋運放THS3001，最終輸出信號的幅度達到2V，輸出功率約為0.25W。

1.2射頻功放電路設計

圖3b為射頻功放電路，前端設計了電壓跟隨器以實現電路隔離，核心元件為LM7171。將核心功率放大芯片PA119作為后端，設定閉環放大倍數為20倍。在放大過程中，若開環增益保持不變，電路可能因相移積累而產生振蕩。為避免這種情況，輸入端和輸出端外接的補償電容有效調整了信號相位，防止自激振蕩的發生。按照PA119芯片手冊[5]建議，設定補償電容為22pF時，信號轉換速率可達700V/μs，確保信號快速而穩定地放大。

1.3變壓器電路設計

圖3c為變壓器電路。首先，PA119輸出負載為變壓器的初級線圈與2.5Ω大功率電阻串聯的負載網絡；其次，射頻能量經電磁感應效應傳遞到變壓器的次級線圈上，實現電壓初級放大；最后，次級線圈與容性負載（多極桿）串聯成諧振LC電路，實現電壓二次放大。次級線圈中間抽頭連接了電阻電容串聯網絡和外部直流電源，從而實現對輸出射頻電壓的直流偏置。考慮到電流的趨附效應，本文設計采用了漆包線的直徑為0.1mm，30股的漆包線進行繞制。定制了25mm×120mm（直徑×長度）和50mm×80mm（直徑×長度）的陶瓷空心管作為線圈的骨架，側壁開小孔方便焊接漆包線接頭。在陶瓷空心管中插入鐵氧體，增加電感量。使用空氣電容替代真實負載，通過LC諧振頻率估算次級線圈的匝數。通過調整初級線圈的匝數，測量輸出電壓，得出最佳匝數比，如表1所示。

1.4幅值檢測電路設計

圖3d為幅值檢測電路。射頻電壓輸出幅值一般為百伏至千伏級別，直接接入檢波電路會燒毀芯片。因此，首先對射頻輸出電壓進行分壓，其選用無感高壓高頻電阻分壓網絡，分壓后的射頻信號進入檢波電路進行幅值檢測。檢波電路核心元件為AD637芯片，其輸入檢測信號有效電壓動態范圍為0～7Vrms，轉換輸出電壓范圍為（5±0.5%）mV。-3db帶寬為5MHz，在實驗條件下，完全滿足設計要求。在實驗中，考慮到單片機ADC的輸入電壓最大為3.3V，需多次調整電阻分壓比例，實現射頻幅值的精確測量。

2實驗結果與分析

如圖4a所示，設計的電源整體安裝在高度為177mm的機箱內。為避免射頻功放對信號控制部分的電場干擾，設計了雙層結構（上層為信號控制電路、下層為射頻功放電路），中間采用厚度為3mm的鋁板作為隔板。前面板安裝7in（1in≈2.54cm）的串口屏便于顯示電源工況，后面板安裝多組射頻接頭便于監測和連接負載。同時，安裝兩組風扇提高散熱效率。

首先，本文對電壓輸出的對稱性進行測試，工作頻率為2.9MHz時的輸出電壓波形圖如圖4b所示，正、負向射頻電壓分別為652V和644V，對稱性為98.7%，結果顯示實驗能夠順利進行。

其次，開展諧振輸出效果測試。如圖5a所示，測試得到1.16MHz、2.48MHz和2.90MHz的電壓輸出波形（已歸一化處理）。測試結果表明諧振電路具有良好的頻率選擇性。當工作頻率略微偏離諧振頻率f0時，輸出電壓值急劇下降。這表明諧振電路在頻率調整時能夠快速響應，并且具有良好的頻率損耗特性，驗證了設計的諧振電路性能符合預期。

最后，開展射頻電源穩定性測試，設計采用160mm×110mm×50mm（長×寬×高）、齒距為2.5mm的散熱片，并額外安裝兩個功率為20W的風扇進行散熱，測試持續時間為10h。如圖5b所示，在頻率為2.90MHz時，輸出電壓分別為700V和500V時的電壓穩定度分別為1.8%和1.9%，因此本設計符合預期要求。經過長時間測試，電源穩定性得到驗證，散熱裝置有效降低了溫度，保證了設備可靠運行。

3結語

本文設計了一種基于STM32單片機的高穩定性射頻電源，利用上位機與單片機進行串口通信，將AD9959產生的小信號進行功率放大，加載到初級線圈，并通過次級線圈與容性負責的諧振作用實現電壓放大輸出。檢波電路將輸出電壓反饋給單片機，并且通過PID控制算法提高了輸出電壓的穩定性。實驗結果顯示，在2.90MHz時，700V和500V的電壓穩定度分別為1.8%和1.9%；當頻率為2.90MHz且負載為50pF時，電壓峰峰值最大可達700V，滿足了系統對射頻電源的需求。通過對測試結果的分析，設計的射頻電源具有優異的性能和穩定性，在實驗中也展現出其可靠性和高效性，為相關科研實驗提供了支持和保障。