一种新型窄脉宽脉冲电源的设计与实现

林 伟，张春林

(武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070)

在航空航天、精密仪器和生物医学等精密机械加工领域，随着加工精度要求的提高，电化学微细加工的研究越来越受到重视。然而，电解加工存在杂散腐蚀问题，极大影响微细加工的精度[1]。为此SCHUSTER等就电化学微细加工问题指出，加工所需脉冲电源输出的脉冲宽度越窄，加工效果越好[2]。最新的研究结果表明:当加工所需脉冲电源输出脉冲为纳秒级的超窄脉宽时，结合超窄脉冲电源与低浓度电解液、加工间隙的实时检测及调整等相关技术，可以减少加工杂散腐蚀的影响，提高微细加工精度，满足纳米、亚微米级微细加工的要求[3]。总之，在微细电化学加工中，实现脉冲电源的超窄脉宽是提高加工精度的关键因素之一。

传统实现脉冲的方法大多采用开关斩波形式，要求开关器件的开关速度快，器件上升沿及下降沿的时间短，且具有一定的驱动能力[4－5]。而常规的开关器件不易达到以上要求，难以实现超窄脉宽的特性。当开关器件高速工作时，容易发热，工作时间不宜过长。针对上述传统脉冲电源存在的缺陷，笔者提出了一种新型的超窄脉宽脉冲电源设计与实现方案。

1 超窄脉宽脉冲电源设计

1.1 电源总体设计

根据微细加工需要，笔者设计的超窄脉宽脉冲电源主要用来在5 μm或10 μm厚的镍片上按一定编码形式打孔，孔径要求不大于30 μm。实践表明超窄脉冲电源功率mW级即可达到要求，为此设计中采用了DDS技术，即直接数字频率合成技术。它是一种应用数字技术产生信号的方法，具有频率分辨率高、频率切换速度快(可达μs量级)、频率范围宽和可全数字化实现等优点。设计中以单片机微处理器控制DDS芯片产生基本正弦波信号，配合外部脉冲调理电路，实现脉冲信号的超窄脉宽，脉宽最小可达10 ns，并且脉宽和占空比可调，输出的脉冲信号电压幅值在3～5 V，输出电流为mA级。

超窄脉宽脉冲电源总体框图如图1所示，其中DDS信号产生单元主要产生正弦波信号，通过单片机控制DDS信号产生单元电路，实现频率在5～10 MHz范围内的调节，再通过外部整形电路实现超窄脉宽的脉冲信号输出。

图1 超窄脉宽脉冲电源总体框图

1.2 信号产生单元电路

为了获得加工所需的高频正弦波信号，设计中选用美国Analog Device公司生产的AD9851芯片，可实现数字化的高频正弦波信号。AD9851是一种高集成度芯片，最高工作频率可达180 MHz，由于内部集成了32位频率累加器和10位高速D/A转换器，在最高180 MHz系统时钟工作时，输出正弦波信号的频率精度可达0.04 Hz，且可以11.25°为单位对相位步进调节。

为方便频率调节，采用Atmel公司的51系列单片机AT89S51控制AD9851产生频率可调的正弦波信号。AT89S51单片机内部为增强型的RISC结构，具有每1 MHz实现1MI/s的数据处理能力，为方便使用，AT89S51还支持在线编程。AT89S51单片机与AD9851的连接示意图如图2所示。

图2 AT89S51单片机与AD9851连接示意图

AT89S51单片机将键盘输入的信号频率和相位转换为控制字，来控制AD9851产生所需的相位和频率。AD9851以并行和串行两种方式加载控制字，并行加载方式通过D0～D7这8位数据线实现40位控制数据的输入，控制字包括5个字节，第一个8位字节中5个字节控制输出相位，1位字节为6倍参考时钟倍乘器(6×REFCLK)使能控制，1位字节为电源关闭启用和装载模式控制以及1位逻辑0;其余4个8位字节组成32位频率转换字[6]。AD9851的系统时钟与调谐字输出频率之间的关系表达式为:

式中:fs为时钟频率;N为相位累加器的位数;FTW为十进制值的32位频率控制字，由键盘输入设定。

当时钟频率fs与N一定时，输出频率fout仅由控制字FTW的值决定。当FTW=1时，AD9851产生正弦信号最低频率，即频率分辨率为:

而AD9851输出的最高频率由Nyquist采样定理决定，为 fs/2[7]。

为使输出正弦信号不受高频谐波的干扰，设计中选用了两级π型LC低通滤波器。由于设计的输出正弦波信号的频率要求最高可达10 MHz，因此设计的π型LC低通滤波器的截止频率为12 MHz，其中电感采用手动绕制漆包线电感[8]。

两级π型LC低通滤波器的电路结构如图3所示。

图3 两级π型LC低通滤波器的电路结构

1.3 信号整形电路

为得到所需的超窄脉冲信号，需利用快速光耦结合脉冲整形电路。将AD9851产生的5～10 MHz的正弦波信号，通过快速光耦及脉冲整形电路变换为超窄脉冲信号。根据需要，快速光耦选用高速光电耦合器6N137，其工作速率典型值可达10 MHz。利用6N137的单向导通性，可滤掉正弦波的负半周信号;快速光耦一方面具有单向整流功能，另一方面可以防止在加工过程中由于短路或者其他原因损坏前端电路部分，起到信号隔离及滤波作用。6N137在应用中，为了抗干扰，在电源端需接0.1 μf的去耦电容;为了限流，还需在光耦的2脚与3脚之间串接一个 470 Ω 的电阻[9－10]。

为了对脉冲整形，得到所需的超窄脉冲信号，利用6N137的上升沿较为缓慢的特点，将其输出信号通过后端脉冲整形芯片74HC14，经两次反相整形输出得到。由于74HC14为六反相施密特触发器，其工作速率最高可达40 MHz，能满足设计要求。脉冲信号整形电路原理图如图4所示。

图4 脉冲信号整形电路原理图

由于6N137为集电极开路输出OC门结构形式，通过调节其上拉电压VCC，不仅能调节输出方波信号的电压幅值，还能调节输出脉冲信号的脉冲宽度及占空比。以下给出占空比为1∶10，输出脉宽分别为20 ns和10 ns时的输出脉冲信号波形，其波形分别如图5和图6所示。

2 脉冲电源软件系统设计

脉冲电源系统软件设计采用模块化的C51设计，主要实现单片机对AD9851的控制，分别完成系统初始化、键盘扫描及键值读取、控制AD9851频率更新和LCD液晶显示及输出等。以10 MHz信号为例，具体软件程序流程如图7所示。

图5 输出脉宽为20 ns时的脉冲电源输出信号

图6 输出脉宽为10 ns时的脉冲电源输出信号

图7 系统软件程序流程图

3 加工试验结果

为实现在5 μm厚的镍片上的打孔试验，超窄脉冲电源的工作参数如表1所示。

分别在5 μm厚镍片上进行单孔及连续打孔试验，试验效果分别如图8和图9所示。

由图8和图9可以看出，脉冲电源输出的脉冲信号在输出电压为3.5 V、脉宽为10 ns、占空比为1∶10的工作参数下，所加工的小孔杂散腐蚀程度较小，加工孔径在30 μm范围内，满足了对加工精度的要求。

表1 脉冲电源工作参数

图8 单孔效果图

图9 连续孔效果图

4 结论

加工试验表明，所设计的超窄脉冲电源，基于DDS技术，利用快速光耦以及脉冲整形电路，其输出脉冲信号满足了电化学加工的超窄脉宽要求，能提高电化学加工精度，减小电化学加工的杂散腐蚀程度，具有一定的实用价值。若该电源能将频率检测电路对输出信号频率的检测结果反馈给单片机，形成闭环控制，设计过流过压保护电路，将电源的输出与电化学加工状态结合起来，则加工效果将会进一步提高。

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