四极杆质谱仪射频驱动装置模块化设计与实现

张 月 赵学玒,2 汪 曣*

(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2.中国科学院苏州医工所天津工程技术研究院，天津 300399)

1 引言

四极杆质谱仪是目前较为常见的一种质谱仪器，它将样品离子化并依靠四极电场对不同质荷比的离子进行分离，通过检测离子强度来分析物质的组成成分[1]。离子能否通过四极杆到达检测器主要由驱动四极杆的射频电源性能来决定[2-4]。其中射频电压[5]的频率稳定性、幅值稳定性、幅值大小以及相位差稳定性是衡量射频电源性能的重要指标。

本设计将射频电源中的信号源到功率放大电路采用模块化的方式，搭建了电路装置，其结构清晰、功能明确、体积小、成本低。对电路装置的输出信号频率、幅值、相位进行了数据采集，从频率稳定性和相位差稳定性等电子学指标的角度对电路装置的性能进行了评估。

2 射频电源工作原理

四极杆质谱仪射频电源一般由信号源电路、功率放大电路、交直流耦合电路、谐振升压电路以及反馈电路等组成。信号源电路产生频率固定的正弦波小信号，然后经功率放大电路进行多级放大，阻抗匹配网络用于提高功率的传输效率并降低后级电路产生的反射功率对前级电路的影响。射频电压与直流电压在交直流耦合电路中进行耦合，调节可调电容使之与电感线圈发生谐振可将射频电压放大到四极杆工作所需要的电压值，耦合后的电压信号最终加载到四极杆上。为了维持射频电源输出的稳定性，通常采用反馈电路对四极杆上射频电压进行实时监测，反馈信号与幅度控制信号做运算后加载到增益调节电路中。

射频电源整体电路结构如图1所示，本设计对射频电源中的信号源和功率放大电路采用模块化的方式，用STM32单片机控制由AD9959芯片及外围电路构成的DDS模块产生两路频率可调且相位相差180°的正弦波射频信号，通过DA控制可变增益放大模块AD603实现射频信号的幅值调节，电压跟随器模块AD823用于将前后级电路隔离。射频信号在功率放大模块中先经BUF634进行缓冲放大，再经PA功率放大芯片实现大电流输出，以提高带负载能力。

图1 四极杆射频电源原理框图

3 射频电源驱动电路模块化设计

3.1 信号源模块

直接数字频率合成(DDS, Direct Digital Synthesis)技术指的是根据奈奎斯特采样定理从相位的概念出发直接合成所需频率[6，7]。AD9959芯片内置4个DDS内核，4个DDS通道独立控制，每个通道均采用32 bit频率控制字，14 bit相位偏移控制字，10 bit数模转换器。AD9959模块能产生频率、相位、幅值可调的正弦波信号[8，9]，最大输出幅值在500mVp-p左右，外围电路为通频带可达200MHz的九阶巴特沃斯低通滤波器，模块具有体积小、重量轻、功耗低等特点。此模块通过串行I/O口与单片机进行通信，其实物如图2所示。AD9959的系统时钟频率为25MHz，经计算[10]可知模块最高输出频率可达12.5MHz，完全满足四极杆筛选离子对射频电源输出频率的要求。

图2 DDS实物图

3.2 电压跟随器模块

电压跟随器模块电路如图3所示，其主要由钳位保护芯片BAT54S和运算放大器AD823组成。BAT54S将输入电压钳制在±5V之间。AD823用作1:1的电压跟随器，具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点,可以将前后级电路隔离开，避免后级电路对前级信号源电路的影响。

图3 电压跟随器模块电路原理图

3.3 可变增益放大器模块

可变增益放大器(VGA，Variable Gain Amplifier)模块用于对输入的射频信号进行增益调整，模块采用多级放大电路级联的形式设计，模块输入电压范围为±2.25V，其电路如图4所示。AD603是一款宽频带、低噪声、高增益的压控芯片，其增益可调范围为-10～30dB，两级AD603级联后增益可调范围为-20～60dB，带宽为90MHz。由于AD603带内纹波较大，为使通带平坦在两级AD603中间设计了低通滤波电路。末级放大电路采用运放OPA690以固定增益(6dB)进行放大。

图4 可变增益放大器电路原理图

AD603的VGC引脚输入电压有效范围为-500～500mV。由STM32单片机控制板输出电压范围为126～2121mV的DA控制信号(VDA)作为增益控制电路的输入，如图5所示，在增益控制电路中DA控制信号先经电压跟随，再做减法运算可得输出电压VGC，其中NE5532是低噪声双运算放大器。

图5 增益控制电路原理图

3.4 高频功率放大模块

高频功率放大模块由两部分构成，第一部分为前置放大器电路，如图6所示。AD811AR为高性能宽带放大器，高速放大器BUF634起缓冲作用。电路的放大倍数理论值为24dB(16倍)，最大输入电压幅值为18Vp-p,最大输出电压幅值为30Vp-p，鉴于本电路最大输出电流仅为250mA，而四极杆质谱仪在扫描高质量数时谐振电路中电流通常在1A左右，为满足四极杆工作需求设计了第二部分即功率放大电路。

图6 前置放大器电路原理图

如图7所示，功率放大电路由高压、大电流运算放大器PA19及外围电路构成，具有较强的带负载能力。供电电压为±18V，R3,R4为两个限流电阻，可将输出电流限制在1.5A以内，R1，R2电阻值相等。为了测试整个射频驱动装置而设计的负载电路为电感线圈、电容和电阻串联接地，使输出功率消耗在负载上，在测试过程中负载电路均处于非谐振状态。PA19运算放大器外面安装APEX专用散热铝来加快散热。整个驱动装置输出测试点为图7的OUT端，图8为搭建的射频驱动装置实物图。

图7 功率放大电路原理图

图8 射频驱动装置实物图

4 硬件性能测试分析

本设计中射频驱动装置的各个模块均使用UNI-T/UTP3305线性直流可调稳压电源进行供电，用KEYSIGHT DSOX2024A四通道示波器观察装置的输出波形，各模块之间采用50Ω的SMA转SMA射频线和SMA转杜邦线相连，易于实现模块的拆装更换。

通过STM32控制板的键盘调整输出信号的频率、幅值和相位，使射频驱动装置在0.2～1.6MHz的频率范围以及1～30Vp-p的幅值范围内输出无失真的正弦波信号并用示波器进行测量。图9为输出波形图，射频驱动装置输出频率均为1.6MHz，幅值均为30Vp-p，相位相差180°的两路正弦波信号。

图9 射频驱动装置输出波形图

4.1 频率稳定性测试分析

(1)

绘制3个典型电压幅值下频率的RSD分布图，如图10所示。经计算可得RSD最大值为0.94×10-7，均小于1×10-7，可知频率稳定性良好。

图10 频率的RSD分布图

4.2 相位差稳定性测试分析

将射频驱动装置的两个输出端连接到频率计数器并对相位差进行数据记录采集。在电压幅值为30Vp-p条件下，每个频率点采集160000个相位差数据，不同频率下相位差及误差情况如图11所示。经计算可得相位差在179.4°～180.6°之间，与理论值非常接近，可知相位差稳定性良好。

图11 相位差分布图

5 结论

对四极杆质谱仪射频电源进行了研究并采用模块化设计方式搭建了射频驱动装置，使用DDS和VGA技术实现了输出信号频率、幅值、相位可调。对射频驱动装置进行长时间的稳定性测试并对输出信号进行数据采集，本设计中射频驱动装置的频率可调范围为0.2～1.6MHz，频率的RSD值小于0.1ppm，幅值可调范围为1～30Vp-p，两路输出信号相位差稳定在180°±0.6°。实验表明，此装置波形失真度小，频率稳定性高，相位差基本实现了反相的工作需要，能满足四极杆质谱仪射频电源的技术需求。