双通道脉冲高压稳流电路设计

张 涛 王洪辉 庹先国 李 鄢 奚大顺

（1.成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059；2.四川理工学院，四川 自贡 643000）

双通道脉冲高压稳流电路设计

张 涛1， 王洪辉1， 庹先国1，2， 李 鄢1， 奚大顺1

（1.成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059；2.四川理工学院，四川 自贡 643000）

为提高原子荧光仪中激发光源的瞬间激发强度及其光谱稳定性，提出一种基于VMOS管稳流原理的双通道脉冲高压稳流电路设计方法，即采用由VMOS管和放大器组成的电流闭环负反馈电路来维持峰值电流稳定，从而实现激发光源激发强度的稳定。设计稳流控制信号处理电路、闭环稳流电路、稳流闭锁电路及高压供电电路。在驱动不同阻抗元素灯及供电电压在150～250V波动时，工作电流波动幅度均在±0.4%以内；输出电流可在0～160mA数字设置，与设置电流线性相关度为0.9987。测试结果表明：该设计的电流稳流效果较好，能满足不同元素灯及不同强度工作电流的驱动要求。

激发光源；脉冲高压稳流；闭环稳流；电流闭锁；数字设置

0 引 言

氢化物发生-原子荧光仪（hydrogen generationatomic fluorescence spectrometer，HG-AFS）[1]是基于蒸气相待测元素的基态原子受激发光源辐照后，根据激发出特征谱线的辐射强度来确定元素含量的一种痕量光谱分析方法[2-4]，具有灵敏度高、测定速度快、能多元素同时测定等特点[5]，目前广泛应用于食品安全、环境检测、地质、冶金、卫生等行业和部门[6]。HG-AFS由自动进样器、氢化物发生器、原子化器、激发光源、光电倍增管、信号检测及处理电路[7]等组成。激发光源是其重要组成部分，不同的元素需要特定波长的激发光源辐照才能激发特征谱线，而空心阴极灯（hollow cathode lamp，HCL）是目前应用最广泛的一种激发光源[8]。

HCL阴极发射特征谱线强度是决定HG-AFS检出限的重要参数，而提高其发射谱线强度最简单、有效的技术手段就是提高HCL工作电流，但也会提高仪器本底噪声及缩短灯的使用寿命。相比于以往的直流供电、宽脉冲供电及新型毫秒脉冲供电方式[9]，采用脉冲宽度更窄、峰值电流更大的大电流微秒脉冲，能进一步提高HCL的特征谱线发射强度，有效延长灯的使用寿命，因而这种供电方式受到了持续的关注与研究[10-11]。目前，针对这种供电方式的理论研究已经比较完善，但是工程设计鲜有提及，因此结合实际项目需要，在此提出一种双通道脉冲高压稳流电路设计方法。

1HCL工作电流分析

HCL工作电流决定了灯的特征谱线发射强度及其光谱稳定性，也直接影响着灯的使用寿命以及吸收灵敏度和仪器检出限的好坏。在一定条件下，灯电流大则特征谱线发射强度大，但会缩短灯的使用寿命、降低吸收灵敏度；灯电流过小，特征谱线发射强度太弱，仪器信噪比降低，影响检出限。为兼顾特征谱线发射强度及灯使用寿命这两个互斥的参数，本设计采用脉冲宽度更窄、峰值电流更大的大电流微秒脉冲脉冲供电方式。

微秒脉冲为占空比一定的低频矩形波，在HCL允许的平均工作电流范围内，大幅提高瞬间峰值工作电流[12]。本文采用占空比5%的矩形电流，设计阴极灯瞬间峰值电流为160mA（平均工作电流也仅为8 mA）。一方面，大幅提高特征谱线发射强度，延长HCL使用寿命；另一方面，有效避免持续辐照激发的重复谱线，提高HG-AFS的信噪比[13]。图1为阴极灯供电电流波形，脉冲频率为300Hz。电流平顶部分应保持稳定，以保证激发光源的光谱稳定，进而保证检测到电信号的稳定可靠，这一点由稳流电路完成。

图1 阴极灯工作电流波形

2 电路设计

2.1 闭环稳流电路原理

HCL的正常工作，需要由双通道脉冲高压稳流源对其阳极A及辅助阴极KS同时进行驱动。2个通道的电路设计基本相同，只是在驱动电流设置上存在差异，在此只对阳-阴极（A-K）间的脉冲高压稳流电路加以分析。

图2为闭环稳流电路原理示意图。它由VMOS调整管Q，负载RL，取样电阻RS，误差放大器OA1、OA2以及稳流值控制信号Vr等组成。由图可知，此电路实质上是一种电流闭环负反馈电路[7]。根据放大器“虚短”的特性，OA2的同相端：

式中：I0——输出电流，mA；

Vr——稳流值控制电压信号，mV；

RS——取样电阻值，Ω；

Af——误差放大器OA1的增益。

图2 闭环稳流电路原理示意图

若RS=0.1Ω，Af=10，此时稳流电源的控制电压与输出电流的关系为：I0=Vr。只要控制电压一定，在供电电压VCC或负载发生变化时，此闭环反馈系统能高速自动维持输出电流的稳定。例如负载RL变小，负载电流增大，此时VS（取样电阻RS的电压）增大，经OA1放大后，会导致V-减小，由于控制信号不变，从而使OA2输出电压下降，VMOS管内阻增高，这将补偿最初的负载电流加大，最终维持负载电流的稳定；供电电压变化所引起的电流变化的稳定过程，与此类似。

2.2 脉冲高压稳流电路

脉冲高压稳流电路原理如图3所示。

1）稳流控制信号处理电路

此部分是由图3中的R8、C3组成的低通滤波与运放OP07构成的信号处理电路A。STM32 MCU的12位DAC输出占空比为5%、频率为300 Hz的矩形电压脉冲作为稳流值控制信号Vr。由于DAC输出的最大电压约为3.3V，这里软件设置DAC的最大幅度为3V。如图1所示，3V控制信号对应的输出电流峰值为160mA。Vr经一阶有源RC低通滤波减弱干扰信号的影响，考虑到脉冲顶部的降落，转折频率取3kHz。

2）闭环稳流电路

此部分是由图3中误差放大器U2A、U2D，大功率VMOS调整管Q3，取样电阻R13构成的闭环负反馈稳流电路B。负载为HCL，电流方向为阳极A到阴极K。当稳流值控制信号Vr（U2A V+）为3V时，灯电流脉冲幅度应为160 mA。此时取样电阻R13取为10 Ω，对应的取样电压为1.6 V，由式（1）可知，V+=Vr≈V-，故同相放大倍数Af：

图3 脉冲高压稳流电路原理图

R14为滑动变阻器，取值2kΩ，保证其放大倍数可调范围为1～3，即输出电流的调整范围为100～300mA。

调整管为N沟道VMOS管6N60，其VDDS=650V，HCL工作电压约为400V，电压减额0.6[14]；ID=6.2A，电流减额更充分。利用它工作于变阻区，获得高的闭环增益，提高稳流效果。电容C4用于防止由于放大器特性、走线方式等因素可能引起的高频自激。此稳流电路与图2的原理电路的差异在于驱动信号Vr为矩形脉冲，稳流区在脉冲顶部而已。

3）稳流闭锁电路

此部分是由图3中三极管构成的开关电路C。NPN型双极性晶体管Q5在导通或截止时，控制HCL电流的流动或者停止。当BUSY=1时，Q5导通，VMOS管Q3的栅极被钳制到地，稳流电路停止工作，HCL无电流通过；BUSY=0，Q5截止，Q3工作于变阻区，稳流电路正常工作，HCL正常工作。

4）高压供电电路

考虑到稳流电路对供电电压的不敏感性，此部分是由图3中升压式变压器T1、全桥整流D1、均压电阻、滤波电容构成的简易AC-DC转换电路D。由于HCL的供电电压必须保证大于其启辉电压（一般＜360V[6]），而市电输入为交流220V，故升压器T1的调整比设置为1∶2，输出交流电压约为500 V；T1的交流输出经D1整流后转换为直流电压，再用均压电阻R1、R2平均分配给滤波电容器C1、C2，消除高频噪声与市电交流干扰后作为HCL的供电电压。其中，均压电阻选用功率电阻RJ-2W，滤波电容器选用47μF、耐压400V的铝电解电容。

3 电路测试与分析

为检验本设计对不同阻抗元素灯的稳流能力、供电电压变化时的稳流能力以及输入-输出线性度这3个方面的性能，分别对其进行测试分析。

3.1 测试条件及仪器

由于辅助阴极与阴极的驱动电路相互独立，在此只对A-K极流过的电流进行测试。

所有空心阴极灯均采用北京有色金属研究所研制的系列高性能空心阴极灯，填充气为氖气，辐照强度大，稳定性好寿命长，在测量前均进行约30min预热，使其辐射强度及热阻抗达到稳定；本文取样电阻值为10Ω，由示波器测量取样电阻上的电压值折算出流过HCL的电流值。本次测试主要用到的测试仪器如表1所示。

表1 测试仪器清单

3.2 对不同元素灯的稳流能力

不同元素灯在充入惰性气体的浓度比例和阴极材料上存在明显差异，进而导致各HCL的阻抗存在较大差异。本文就不同HCL在相同预设电流下，实际流过的电流进行测试，以检验本设计对HCL的稳流能力。

本文预设各元素灯的脉冲电流峰值为80 mA，表2是各元素灯实际通过的电流峰值。

表2 对不同元素灯的驱动能力测试

由表可知，实际流过HCL的A-K极之间的电流，与预设值的相对误差均保持在±0.4%以内，均方差电流波动幅度较小，峰值电流稳定，表明本设计在驱动不同阻抗的元素灯时，稳流能力良好，能适应多种元素灯的驱动要求。

图4为电流峰值80mA，汞元素灯的取样电阻上测得的波形（VS=I0·RS=10I0）。

图4 元素汞灯电压波形

3.3 供电电压变化时的稳流能力

供电电压变化是由自耦变压器模拟，调节旋钮并根据万用表读数设置变化范围为150～250V，步进25V；测试元素灯为汞灯，供电电压为市电220V，预设脉冲电流峰值为80mA。表3为供电电压变化时，流过汞HCL灯的实际电流峰值。

表3 供电电压变化时的稳流能力测试

由表可知，流过HCL的电流值与预设值的相对误差仅在±0.4%以内，均方差s=0.126 mA，电流波动幅度较小，表明本设计在供电电压大幅度波动情况下，仍能维持流过HCL的电流稳定，稳流能力良好。

3.4 输入-输出线性度

预设电流峰值设置范围0～160mA，步进20mA；测试元素灯为汞灯，供电电压为市电220V。表4为实际输出电流峰值与预设值测试数据。

表4 输入-输出线性度测试

根据表4，可以得到图5所示输入-输出线性度曲线图，并求得线性相关度。

由图可知，输出实际电流与软件设置的值基本一致，相对误差均在±3%以内，线性相关度R=0.998 7，表明该设计输出电流能按照需求在0～160 mA内自行设置，能满足不同元素灯对不同工作电流的需求。预设值与实际值的误差，只要峰值电流稳流良好，不会对仪器的性能产生影响。

4 结束语

本文以实际需要为出发点，设计了驱动原子荧光分析仪激发光源-空心阴极灯的双通道脉冲高压稳流电路，改善了传统稳流电路对脉冲电流的稳流效果，保证了仪器在测量时激发光源的高度稳定，减少了激发光源的背景噪声，提高了仪器的信噪比。本设计能满足多种HCL的电流驱动需求，输出电流可在0～160mA内按需设置，具有稳流能力强、输出线性度好的特点。采用本设计对元素（砷、铅、镉、汞）的实际测量表明，电路性能满足仪器要求，可供仪器相关部件的工程设计参考。

图5 输入-输出线性度曲线图

[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]吴廷照，刘纪琳.空心阴极灯的原理、特性及使用[J].分析实验室，1983，6（6）：99-109.

[3]原子荧光光度计：JJG 939-2009[S].北京：中国计量出版社，2010.

[4]邓勃，迟锡增，刘明钟，等.应用原子吸收与原子荧光光谱分析[M].北京：化学工业出版社，2003.

[5]李刚，胡斯宪，陈琳玲.原子荧光光谱分析技术的创新与发展[J].岩矿测试，2013，32（3）：358-376.

[6]张锦茂，董芳.蒸气发生-原子荧光光谱法在我国的进展及其在食品、环保分析领域中的应用[J].光谱仪器与分析，2003，53（1）：15-35.

[7]张锦茂，梁敬，董芳.中国30多年来原子荧光光谱仪器的发展与应用[J].中国无机分析化学，2013，3（4）：1-10.

[8]李可，邢铁增，邓艳龙，等.原子荧光光谱仪空心阴极灯灯电流、激发光强度及供电脉冲宽度的关系[J].物探化探计算技术，2016，38（1）：103-107.

[9]黄跃，李可，赵志华，等.应用于原子荧光光谱分析的空心阴极灯灯电流与激发光强度关系的实验 [J].岩矿测试，2006，25（4）：384-386.

[10]弓振斌，杨芃原，林跃河，等.强短脉冲供电时空心阴极灯的放电特性研究 [J].高等学校化学学报，1995，16（7）：1037-1039.

[11]张绍雨，弓振斌，黄本立.碱土金属的强短脉冲供电空心阴极灯激发常规炬管电感耦合等离子体离子荧光光谱初步研究[J].光谱学与光谱分析，2006，26（2）：331-333.

[12]张硕.氢化物发生原子荧光光谱分析中的微秒脉冲供电空心阴极灯激发光源[J].光谱学与光谱分析，2015，35（9）：2412-2414.

[13]李昌厚.原子吸收分光光度计仪器及应用[M].北京：科学出版社，2006：36-40.

[14]奚大顺.电子技术随笔[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015：17-24.

（编辑：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

国家重大科研仪器设备研制专项（41227802）；成都理工大学中青年骨干教师培养计划项目（KYGG201513）

张 涛（1991-），男，四川广安市人，硕士研究生，专业方向为智能仪器及信号处理。

王洪辉（1985-），男，湖北孝感市人，副教授，博士，主要从事核辐射环境地质灾害监测预警。