張 月 趙學(xué)玒,2 汪 曣*

(1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2.中國科學(xué)院蘇州醫(yī)工所天津工程技術(shù)研究院，天津 300399)

1 引言

四極桿質(zhì)譜儀是目前較為常見的一種質(zhì)譜儀器，它將樣品離子化并依靠四極電場對不同質(zhì)荷比的離子進(jìn)行分離，通過檢測離子強(qiáng)度來分析物質(zhì)的組成成分[1]。離子能否通過四極桿到達(dá)檢測器主要由驅(qū)動(dòng)四極桿的射頻電源性能來決定[2-4]。其中射頻電壓[5]的頻率穩(wěn)定性、幅值穩(wěn)定性、幅值大小以及相位差穩(wěn)定性是衡量射頻電源性能的重要指標(biāo)。

本設(shè)計(jì)將射頻電源中的信號(hào)源到功率放大電路采用模塊化的方式，搭建了電路裝置，其結(jié)構(gòu)清晰、功能明確、體積小、成本低。對電路裝置的輸出信號(hào)頻率、幅值、相位進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，從頻率穩(wěn)定性和相位差穩(wěn)定性等電子學(xué)指標(biāo)的角度對電路裝置的性能進(jìn)行了評估。

2 射頻電源工作原理

四極桿質(zhì)譜儀射頻電源一般由信號(hào)源電路、功率放大電路、交直流耦合電路、諧振升壓電路以及反饋電路等組成。信號(hào)源電路產(chǎn)生頻率固定的正弦波小信號(hào)，然后經(jīng)功率放大電路進(jìn)行多級放大，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)用于提高功率的傳輸效率并降低后級電路產(chǎn)生的反射功率對前級電路的影響。射頻電壓與直流電壓在交直流耦合電路中進(jìn)行耦合，調(diào)節(jié)可調(diào)電容使之與電感線圈發(fā)生諧振可將射頻電壓放大到四極桿工作所需要的電壓值，耦合后的電壓信號(hào)最終加載到四極桿上。為了維持射頻電源輸出的穩(wěn)定性，通常采用反饋電路對四極桿上射頻電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，反饋信號(hào)與幅度控制信號(hào)做運(yùn)算后加載到增益調(diào)節(jié)電路中。

射頻電源整體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，本設(shè)計(jì)對射頻電源中的信號(hào)源和功率放大電路采用模塊化的方式，用STM32單片機(jī)控制由AD9959芯片及外圍電路構(gòu)成的DDS模塊產(chǎn)生兩路頻率可調(diào)且相位相差180°的正弦波射頻信號(hào)，通過DA控制可變增益放大模塊AD603實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的幅值調(diào)節(jié)，電壓跟隨器模塊AD823用于將前后級電路隔離。射頻信號(hào)在功率放大模塊中先經(jīng)BUF634進(jìn)行緩沖放大，再經(jīng)PA功率放大芯片實(shí)現(xiàn)大電流輸出，以提高帶負(fù)載能力。

圖1 四極桿射頻電源原理框圖

3 射頻電源驅(qū)動(dòng)電路模塊化設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)源模塊

直接數(shù)字頻率合成(DDS, Direct Digital Synthesis)技術(shù)指的是根據(jù)奈奎斯特采樣定理從相位的概念出發(fā)直接合成所需頻率[6，7]。AD9959芯片內(nèi)置4個(gè)DDS內(nèi)核，4個(gè)DDS通道獨(dú)立控制，每個(gè)通道均采用32 bit頻率控制字，14 bit相位偏移控制字，10 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器。AD9959模塊能產(chǎn)生頻率、相位、幅值可調(diào)的正弦波信號(hào)[8，9]，最大輸出幅值在500mVp-p左右，外圍電路為通頻帶可達(dá)200MHz的九階巴特沃斯低通濾波器，模塊具有體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。此模塊通過串行I/O口與單片機(jī)進(jìn)行通信，其實(shí)物如圖2所示。AD9959的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為25MHz，經(jīng)計(jì)算[10]可知模塊最高輸出頻率可達(dá)12.5MHz，完全滿足四極桿篩選離子對射頻電源輸出頻率的要求。

圖2 DDS實(shí)物圖

3.2 電壓跟隨器模塊

電壓跟隨器模塊電路如圖3所示，其主要由鉗位保護(hù)芯片BAT54S和運(yùn)算放大器AD823組成。BAT54S將輸入電壓鉗制在±5V之間。AD823用作1:1的電壓跟隨器，具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點(diǎn),可以將前后級電路隔離開，避免后級電路對前級信號(hào)源電路的影響。

圖3 電壓跟隨器模塊電路原理圖

3.3 可變增益放大器模塊

可變增益放大器(VGA，Variable Gain Amplifier)模塊用于對輸入的射頻信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整，模塊采用多級放大電路級聯(lián)的形式設(shè)計(jì)，模塊輸入電壓范圍為±2.25V，其電路如圖4所示。AD603是一款寬頻帶、低噪聲、高增益的壓控芯片，其增益可調(diào)范圍為-10～30dB，兩級AD603級聯(lián)后增益可調(diào)范圍為-20～60dB，帶寬為90MHz。由于AD603帶內(nèi)紋波較大，為使通帶平坦在兩級AD603中間設(shè)計(jì)了低通濾波電路。末級放大電路采用運(yùn)放OPA690以固定增益(6dB)進(jìn)行放大。

圖4 可變增益放大器電路原理圖

AD603的VGC引腳輸入電壓有效范圍為-500～500mV。由STM32單片機(jī)控制板輸出電壓范圍為126～2121mV的DA控制信號(hào)(VDA)作為增益控制電路的輸入，如圖5所示，在增益控制電路中DA控制信號(hào)先經(jīng)電壓跟隨，再做減法運(yùn)算可得輸出電壓VGC，其中NE5532是低噪聲雙運(yùn)算放大器。

圖5 增益控制電路原理圖

3.4 高頻功率放大模塊

高頻功率放大模塊由兩部分構(gòu)成，第一部分為前置放大器電路，如圖6所示。AD811AR為高性能寬帶放大器，高速放大器BUF634起緩沖作用。電路的放大倍數(shù)理論值為24dB(16倍)，最大輸入電壓幅值為18Vp-p,最大輸出電壓幅值為30Vp-p，鑒于本電路最大輸出電流僅為250mA，而四極桿質(zhì)譜儀在掃描高質(zhì)量數(shù)時(shí)諧振電路中電流通常在1A左右，為滿足四極桿工作需求設(shè)計(jì)了第二部分即功率放大電路。

圖6 前置放大器電路原理圖

如圖7所示，功率放大電路由高壓、大電流運(yùn)算放大器PA19及外圍電路構(gòu)成，具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。供電電壓為±18V，R3,R4為兩個(gè)限流電阻，可將輸出電流限制在1.5A以內(nèi)，R1，R2電阻值相等。為了測試整個(gè)射頻驅(qū)動(dòng)裝置而設(shè)計(jì)的負(fù)載電路為電感線圈、電容和電阻串聯(lián)接地，使輸出功率消耗在負(fù)載上，在測試過程中負(fù)載電路均處于非諧振狀態(tài)。PA19運(yùn)算放大器外面安裝APEX專用散熱鋁來加快散熱。整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置輸出測試點(diǎn)為圖7的OUT端，圖8為搭建的射頻驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)物圖。

圖7 功率放大電路原理圖

圖8 射頻驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)物圖

4 硬件性能測試分析

本設(shè)計(jì)中射頻驅(qū)動(dòng)裝置的各個(gè)模塊均使用UNI-T/UTP3305線性直流可調(diào)穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電，用KEYSIGHT DSOX2024A四通道示波器觀察裝置的輸出波形，各模塊之間采用50Ω的SMA轉(zhuǎn)SMA射頻線和SMA轉(zhuǎn)杜邦線相連，易于實(shí)現(xiàn)模塊的拆裝更換。

通過STM32控制板的鍵盤調(diào)整輸出信號(hào)的頻率、幅值和相位，使射頻驅(qū)動(dòng)裝置在0.2～1.6MHz的頻率范圍以及1～30Vp-p的幅值范圍內(nèi)輸出無失真的正弦波信號(hào)并用示波器進(jìn)行測量。圖9為輸出波形圖，射頻驅(qū)動(dòng)裝置輸出頻率均為1.6MHz，幅值均為30Vp-p，相位相差180°的兩路正弦波信號(hào)。

圖9 射頻驅(qū)動(dòng)裝置輸出波形圖

4.1 頻率穩(wěn)定性測試分析

(1)

繪制3個(gè)典型電壓幅值下頻率的RSD分布圖，如圖10所示。經(jīng)計(jì)算可得RSD最大值為0.94×10-7，均小于1×10-7，可知頻率穩(wěn)定性良好。

圖10 頻率的RSD分布圖

4.2 相位差穩(wěn)定性測試分析

將射頻驅(qū)動(dòng)裝置的兩個(gè)輸出端連接到頻率計(jì)數(shù)器并對相位差進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄采集。在電壓幅值為30Vp-p條件下，每個(gè)頻率點(diǎn)采集160000個(gè)相位差數(shù)據(jù)，不同頻率下相位差及誤差情況如圖11所示。經(jīng)計(jì)算可得相位差在179.4°～180.6°之間，與理論值非常接近，可知相位差穩(wěn)定性良好。

圖11 相位差分布圖

5 結(jié)論

對四極桿質(zhì)譜儀射頻電源進(jìn)行了研究并采用模塊化設(shè)計(jì)方式搭建了射頻驅(qū)動(dòng)裝置，使用DDS和VGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了輸出信號(hào)頻率、幅值、相位可調(diào)。對射頻驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行長時(shí)間的穩(wěn)定性測試并對輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，本設(shè)計(jì)中射頻驅(qū)動(dòng)裝置的頻率可調(diào)范圍為0.2～1.6MHz，頻率的RSD值小于0.1ppm，幅值可調(diào)范圍為1～30Vp-p，兩路輸出信號(hào)相位差穩(wěn)定在180°±0.6°。實(shí)驗(yàn)表明，此裝置波形失真度小，頻率穩(wěn)定性高，相位差基本實(shí)現(xiàn)了反相的工作需要，能滿足四極桿質(zhì)譜儀射頻電源的技術(shù)需求。