电子显微镜稳流电源研究 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

2 0 1 3 年1 1 月2 5 日第3 0 卷第6 期 通馋电潦技术 T e l e c o mP o w e rT e c h n o l o g y N o v 2 5 ，2 0 1 3 ，V 0 1 3 0N o 6 文章编号：1 0 0 9 3 6 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 1 7 - 0 3 电子显微镜稳流电源研究 ! 撼黼薹 袁水平 ( 中国人民解放军9 1 2 4 5 部队，辽宁葫芦岛1 2 5 0 0 1 ) 摘要：论述了透射电子显微镜透镜线圈稳流电源的组成与工作原理，分析稳流控制电路的特点，查找到影响线圈电 流稳定度的主要因素，通过改进现有电路结构，设计出高稳定度的透镜线圈稳流电路，使其电流稳定度达到2p p m m i n ，符 合实际需要。 关键词：电子显微镜；透镜线圈；高精度稳流电路 中图分类号：T H 7 4 2文献标识码：A R e s e a r c ho nt h eR e g u l a t i o nP o w e rS u p p l yo fa nE l e c t r o nM i c r o s c o p e Y U A NS h u i p i n g ( 9 1 2 4 5U n i to fP L A ，H u l u d a o1 2 5 0 0 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h i sa r t i c l er e s e a r c h e do nt h ec o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fr e g u l a t i o np o w e rs u p p l yo fl e n sc o i lo f t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ，a n a l y z e dt h et h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e g u l a t i o nc o n t r o lc i r c u i t s ，f o u n dt h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo ft h ec o i lc u r r e n t T h r o u g hi m p r o v i n ge x i s t i n gc i r c u i ts t r u c t u r e ，d e s i g n e dl e n sc o i lr e g u l a t i o nc i r c u i t w i t hh i g hs t a b i l i t y ，m a k i n gt h ec u r r e n ts t a b i l i t yu pt O2p p m m i n ，m e e t i n gt h ea c t u a ln e e d s K e yw o r d s ：e l e c t r o nm i c r o s c o p e ；l e n sc o i l ；h i g h - p r e c i s i o nr e g u l a t o r sc i r c u i t O 引言 电子显微镜使用电子束作为成像光束，克服可见 光的衍射极限，能放大原子级别的微观物质结构，可以 观察到物质原子尺寸的排列结构。因此，透射电子显 微镜在国民生产、科学研究中作用巨大，是材料、生物 等领域必不可少的工具。电子显微镜成像原理与光学 显微镜类似，如光学透镜对光束的折射作用一样，对电 子束产生折射作用的是磁透镜。磁透镜就是螺旋线圈 再加某些形状的软铁壳包裹，当线圈通电流后，形成一 定空间分布磁场，磁场对电子束的折射作用，也就是磁 透镜。若需要高质量、高放大倍数的显微图片，其励磁 电流的性能要求非常高。 线圈激磁稳流电源的特性是电流大，如物镜线圈 电流达N 1 0A 以上；稳定度要优于1 0p p m m i n 。目前 在日本和美国的新型电镜中，透镜励磁线圈的电流稳 定度最高已达到1p p m m i n 。我国在2 0 世纪9 ( ) 年代 生产的电子显微镜其物镜线圈电流稳定度能达到数 1 0p p m m i n 量级。目前中科院电工所为北航透射电 子显微镜项目生产的线圈电源，其电流稳定度通过测 试最高已达到5p p m m i n ，这与高放大倍数的透射电 收稿日期：2 0 1 3 0 7 一叭 基金项目：国家科技支撑计划课题( 2 0 0 6 B A K 0 3 A 2 4 ) 。 作者简介：袁水平( 1 9 8 0 一) ，男，湖南邵阳人，硕士研究生，研究 方向为电力电子技术。 子显微镜电流稳定度的2p p m m i n 的要求还有很大差 距。 本课题通过研究国内外线圈稳流电源的结构和组 成，改进电路结构，使用市场上能购买的有关器件，通 过测试数据显示，设计出稳定度达到2p p m m i n 的线 圈稳流电路。 1 透镜线圈电源的组成 整个电源系统主要由稳压电路和稳流电路，光电 隔离电路、P L C 模块与计算机组成。各部分的结构关 系如图1 所示。 计P L C 光 叫i 司 L 算模 一 电 机块 隔 离 堂皇竺l +变压T TT 整流 刊一电路 滤波 图1线圈稳流电源组成框图 市电通过变压整流滤波输入给各稳压电路，然后 输出1 0 0V ，1 5V ，+ 5V 与+ 2 4V 等几种电压源，其 万方数据 2 0 1 3 年1 1 月2 5 日第3 0 卷第6 期 匝镶电潦技术 T e l e c o mP o w e rT e c h n o l o g y N o v 2 5 ，2 0 1 3 ，V 0 1 3 0N o 6 中1 0 0V 给线圈供电，其余给稳流电路板与光电隔离 电路供电。各路稳压电路都采用线性稳压电路，其电 压调整率小于1 ，纹波U 一小于1 0m V 。 在前置稳压电路的供电下，通过计算机输人某一 电流值，经过P L C 与光电隔离电路，输入到稳流电路 的D A 芯片上，稳流电路根据输入的数据输出一定的 电流值给线圈。A D 采样电路输出采样的电流值给 计算机以供监视线圈电流。本系统使用计算机与 P L C 模块组合的控制方式具有高可靠、易操作等特 点。由于P L C 输入、输出数据都是通过光电隔离输入 到稳流电路的，因此该系统具有很强的抗干扰能力。 2 稳流电路的组成 通过有关资料可知：在闭环负反馈稳定控制电路 中，对稳定性影响最大的因素有：输入的稳定性，反馈 参数的稳定性，初级比较放大器的噪声特性及开环的 放大倍数。由于高的开环放大倍数，必须使用多级放 大电路串联，而在闭环中使用多级放大，容易引起振 荡，电路的稳定性不好等问题。针对这些问题，结合现 有电子元器件的实际，根据有关资料，进行相关电路改 进，设计出如图2 所示的稳流电路。 该稳流电路主要由基准电压芯片A D 5 8 8 ，D A 芯 片A D 7 8 4 6 ，两级运放电路，功率放大电路，以及相关 的电阻电容组成。它们的组成关系如图2 所示。稳流 电路采用深度负反馈稳定控制原理，具体的工作原理 是：在前置稳压电源的供电下，输入的数字电压通过 D A 转变成模拟电压值，然后给比较放大的正相输入 端；取样电阻与线圈串联，它们的电流相同，取样电阻 一端接地，一端电压给比较放大的反相输入端；因此在 电路稳定时，可根据输人的电压控制取样电阻的电流， 从而得到线圈的电流值。其中电流放大电路起着功率 放大的作用，能给线圈提供数安培大小的电流。采样 电压还可以通过模数转换输出给操控面板显示。 图2 稳流电路简图 3 线圈电源电流稳定度分析 线圈稳流电路采用的是闭环负反馈稳定控制的原 理，此结构可以大大提高输出电流的稳定度、灵敏度与 准确度，可以有效地抑制线性电源的波动、线圈等元件 因发热而产生的参数漂移和环境中的噪声干扰。 3 1 稳流电路的传递函数分析 通过对稳流电路中各组成部件进行分析，可以建 立如图3 所示的稳流电路传递函数系统框图。其中 U - N 为输入电压，A ，、A ：分别为第一级、第二级运放 O P 0 7 的电压放大倍数，A 。为多级三极管的电压放大 倍数，1 ( 承C + 1 ) 为电路中电阻电容的传递函数，1 ( s L + R 。，) 为线圈的传递函数，R r 为采样电阻值。 图3 稳流电路传递函数系统框图 则有输出电流的公式： T A l A 2 A 3 U l N ，1 、 10UT一(sRCq - 1 ) ( s Lq-RL)A-A1AzAaRF 。1 设开环放大倍数为： K A 1 A 2 A 3( 2 ) 由于在电路中A 1 = A 2 = 1 0 0 ，A 3 1 0 ，K 1 ( ) 5 ，则 J c 岍一嚣 ( 3 ) 这是由于开环放大倍数足够大，电路为深度负反 馈，输出电流等于输人电压与反馈电阻的比值。在前 置稳压电源的功率驱动范围内，只要输入电压和反馈 电阻大小确定，不管线圈负载的电阻为多少，线圈输出 电流的大小是一定的，因此这是典型的稳流电源。 根据J B T9 3 5 2 1 9 9 9 透射电子显微镜试验方 法，使用下面的公式计算线圈电源分钟电流稳定度。 S L 一可A U s L ( 4 ) 式中，S 。为透镜线圈电流稳定度；U 为首先得到取 样电压每分钟的变化量，然后把1 ( ) 分钟内1 0 个变化 量取平均值；U s L 为取样电压的平均值。 根据式( 1 ) 与式( 4 ) ，可以得到线圈电流的分钟稳 定度： s I 镣+ 譬I 由式( 5 ) 可以知道线圈电流稳定度主要由输人电 万方数据 通馋屯潦技术 袁水平：电子显微镜T e l e c o mP o w e rT e c h n o l o g y 2 1 1 3 年1 1 月2 5 日第3 0 卷第6 期 稳流电源研究N o v 2 5 ，2 0 1 3 ，V 0 1 3 0N o 6 压的稳定性和反馈电阻的稳定性两个因素决定。其中 输入电压与采样反馈电压分别输入初级比较放大器正 相、负相输入端。由于O P 0 7 的输入失调电压与失调 电流的温度系数都比较小，因此若要提高稳流电源的 稳定性，就必须提高输入电压与反馈电阻的稳定性。 3 2 影响线圈电流稳定度因素的分析 在稳流电路中，输入电压的组成是由基准电压芯 片A D 5 8 8 与D A 芯片A D 7 8 4 6 组成，它们的输出电 压的温度漂移最大值分别为1 5p p m ，1p p m 。 使用计算机采集A g i l e n t 公司的八位半3 4 5 8 A 数字多 用表的电压测试系统，在办公室环境下测试得到两个 芯片组合的电压输出的稳定度数据。如图4 所示，该 电压稳定度已小于1p p m m i n 。假如稍加保温措施， 则可以得到更高稳定度的输出电压。 图4 输入电压稳定度曲线 由于电阻的温度系数一般比较大，且在电镜中要 使用数安培的电流，采样电阻发热功率很大，因此这是 一个很棘手的问题。通过参考相关资料，使用温度系 数低( 约1 0 。5 ) 的锰铜材料电阻，采用多个电阻并联 连接作为一个采样电阻，且其电阻功率冗余5 8 倍， 把采样电阻置于油箱中，通以恒温水冷却，这样可以使 采样电阻的温度漂移很小。因此可以得到非常真实反 映电流大小的采样电压。通过实际测试，此结构的采 样电阻可以达到指标要求，具体数据见第4 节结论。 在前向通路中，由于高达1 0 5 的开环放大倍数，电 路有关参数的小变化基本不影响输出电流的稳定度。 如A ，、A ：、A ，都是由电阻值决定的，因此变化很小。 线圈也采用水冷结构，线圈的电阻R 。因发热而产生 的变化有限。前置电压采用线性稳压电源，也给线圈 提供稳定的电