脉冲发生装置的制作方法

1.本实用新型涉及质谱分析技术领域，特别是涉及一种脉冲发生装置。


背景技术：

2.基质辅助激光解析离子源是指在一个微小的区域内，在极短的时间间隔，激光对样品提供高的能量，对它们进行极快的加热，这样可以避免热敏感的化合物加热分解，基质分子能有效地吸收激光的能量，并间接地传给样品分子，从而得到电离，由于激光轰击样品的过程是在一个极短时间内完成的，需要一个高压电场和一个纳秒级突变的电场与激光脉冲配合，使得电离后的离子能够在激光轰击后离开样品板，在高压电场中延时，在纳秒级突变电场中快速获得加速，进而传输到质量分析器中，这样高压突变的电场需要相当快速的脉冲电路切换以及高压电源提供。
3.然而，现有的脉冲发生装置结构复杂、反应较慢，导致脉冲发生装置的生产成本偏高，以及产生脉冲信号性能不稳定，无法满足用户需求。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种脉冲发生装置，用于解决现有技术中脉冲发生装置因结构复杂和反应较慢引起的相关问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种脉冲发生装置，包括：
6.直流电源、脉冲驱动电路、脉冲发生电路与负载；所述直流电源的输出端连接脉冲发生电路的直流输入端；所述脉冲驱动电路的输出端连接所述脉冲发生电路的驱动信号输入端；所述脉冲发生电路的输出端连接所述负载，所述脉冲发生电路接收所述脉冲驱动电路发送的尖峰信号，并经所述负载输出脉冲信号；
7.其中，所述脉冲发生电路包括串联高压电阻、储能模块、高压开关管；所述串联高压电阻通过储能模块连通所述高压开关管，所述高压开关管的驱动信号输入端连接脉冲驱动电路的输出端，所述高压开关管的输出端连接负载以输出脉冲信号。
8.结合本实用新型实施例，在实施例的第一方面,所述串联高压电阻包括依次串联的第一电阻与第二电阻，所述直流电源的输出端连接第一电阻的第一端，所述二电阻的第二端接地。
9.结合本实用新型实施例，在实施例的第一方面,所述储能模块连接于第一电阻与高压开关管之间，所述储能模块包括多个并联电容。
10.结合本实用新型实施例，在实施例的第一方面，所述第二电阻并联在高压开关管与负载之间，耦合所述负载输出正脉冲信号。
11.结合本实用新型实施例，在实施例的第二方面,所述串联高压电阻包括依次串联的第一电阻与第二电阻，所述直流电源的输出端连接第一电阻的第一端，所述二电阻的第二端连接高压开关管的输出端。
12.结合本实用新型实施例，在实施例的第二方面，所述储能模块连接于第一电阻与
第二电阻之间，所述储能模块包括多个并联电容。
13.结合本实用新型实施例，在实施例的第二方面，所述高压开关管的一端接地，且耦合所述第二电阻与负载输出负脉冲信号。
14.结合本实用新型实施例，在实施例的第三方面，所述脉冲驱动电路包括：
15.脉冲信号源，用于产生脉冲信号；
16.信号捕捉单元，其连接所述脉冲信号源的输出端，用于根据所述脉冲信号产生幅值相同且相位相反的一组差分信号；
17.功率放大单元，其连接所述信号捕捉单元的输出端，用于放大该组差分信号；
18.信号耦合单元，其连接所述功率放大单元的输出端，用于耦合放大的差分信号产生尖峰信号用于驱动所述高压开关管。
19.结合本实用新型实施例，在实施例的第三方面，所述信号耦合模块至少包括一个耦合电感与两个耦合电容，所述功率放大模块的两个输出端分别连接一个耦合电容的一端，两个所述耦合电容的另一端对应连接耦合电感的两个输入端。
20.结合本实用新型实施例，在实施例的第三方面，所述耦合电容与耦合电感之间具有钳位二极管。
21.结合本实用新型实施例，在实施例的第三方面，所述耦合电感的输出端具有mos管与稳压管，所述耦合电感的负输出端连接所述稳压管的阳极脚与mos管的栅极，所述耦合电感的正输出端连接mos管的源极，所述mos管的漏极连接稳压管的阴极脚。
22.结合本实用新型实施例，在实施例的第三方面，所述信号捕捉单元与功率放大单元之间具有光电耦合单元。
23.结合本实用新型实施例，在实施例的第四方面，还包括高压合成电路，所述高压合成电路通过负载连接所述脉冲发生电路输出高压脉冲信号。
24.如上所述，本实用新型的脉冲发生装置，具有以下有益效果：
25.本实用新型通过脉冲驱动电路产生尖峰信号，迅速导通高压开关，形成有效的脉冲信号，相较传统高压开关，不需要加热功率或复杂的驱动电路，具有非常短的恢复时间和低抖动优点，同时，本实用新型结构简单、成本低廉、性能也更稳定。
附图说明
26.图1显示为本实用新型提供的一种脉冲发生装置的结构框图；
27.图2显示为本实用新型提供的一种脉冲发生装置产生正脉冲信号一实施例的电路图；
28.图3显示为本实用新型提供的一种脉冲发生装置产生负脉冲信号一实施例的电路图；
29.图4显示为本实用新型提供的一种脉冲发生装置中脉冲驱动电路的电路图；
30.图5显示为本实用新型提供的一种高压合成电路的电路图。
具体实施方式
31.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外
不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
33.术语“脉冲发生装置”是指适于施加电压于加速器的电极的装置。脉冲发生装置通常包含多个电压源(例如，高电压源)及开关(例如，高速(上升时间小于1毫秒)/高电压开关)。
34.请参阅图1，为本实用新型提供的一种脉冲发生电路的结构框图，包括：
35.直流电源1、脉冲驱动电路2、脉冲发生电路3与负载4；所述直流电源1的输出端连接脉冲发生电路2的直流输入端；所述脉冲驱动电路2的输出端连接所述脉冲发生电路3的驱动信号输入端；所述脉冲发生电路3的输出端连接所述负载4，所述脉冲发生电路3接收所述脉冲驱动电路2发送的尖峰信号，并经所述负载4输出脉冲信号；
36.其中，所述脉冲发生电路3包括串联高压电阻31、储能模块32、高压开关管33；所述串联高压电阻31通过储能模块32连通所述高压开关管33，所述高压开关管33的驱动信号输入端连接脉冲驱动电路2的输出端，所述高压开关管33的输出端连接负载4以输出脉冲信号。
37.在本实施例中，根据串联高压电阻31、储能模块32与高压开关管33连接关系不同，可构成负脉冲发生电路与正脉冲发生电路，详述如下：
38.详见图2，为本实用新型提供的一种脉冲发生装置产生正脉冲信号一实施例的电路图，包括：
39.所述串联高压电阻包括依次串联的第一电阻r1与第二电阻r2，所述直流电源piehv的输出端连接第一电阻r1的第一端，第一电阻r1的第二端串联第二电阻r2的第一端，所述第二电阻r2的第二端接地。
40.所述储能模块连接于第一电阻r1与高压开关管q1之间，所述储能模块包括多个并联电容c1
‑
c7。例如，电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6和电容c7依次并联，电容c7的第一端通过串联第一电阻r1连接单极性高压直流电源piehv，电容c7的第二端接地。
41.在本实施例中，第一电阻r1优选阻值为1kω的电阻，且第一电阻r1具有第一端和第二端，根据电路输出脉冲的具体要求，也可以采用其他负载模块(如可变电阻等)，或者增加电阻数量，增大或减小阻值。第二电阻r2优选阻值为750kω的电阻，第二电阻r1具有第一端和第二端，根据电路输出脉冲的具体要求，也可以采用其他负载模块，或者增加电阻数量，增大或减小阻值。
42.另外，电容c1至c7中的七个电容，优选耐压15kv，0.01μf的电容器，能够输出1.5万伏的直流高压，根据电路输出脉冲的具体要求，也可以采用其他储能模块，或者增加电容器数量，增大或减小电容值。
43.所述第二电阻并联在高压开关管与负载之间，耦合所述负载输出正脉冲信号。
44.其中，负载为第三电阻r3，第一电阻r3优选阻值为1kω的电阻，且第一电阻r3具有
第一端和第二端，第一电阻r3的第一端通过高压开关管q1的源极与第二电阻r2的第一端耦合，使得第一电阻r3的第二端输出正脉冲信号，根据电路输出脉冲的具体要求，也可以采用其他负载模块(如可变电阻等)，或者增加电阻数量，增大或减小阻值。
45.具体地，高压开关管为igbt型晶体管q1，igbt型晶体管q1优选型号为ixyx25n250cv1hv的快速开关管，也可以选择其他符合条件的开关部件，在本实施例里中以下所述的q1指ixyx25n250cv1hv快速开关管。
46.在本实施例中，直流电源通过第一电阻r1进入储能模块，该储能模块通过多个相同电容并联储能、放电的工作方式，一方面，提高储能模块的能量储能容量、使其具有高耐压强度与低成本的优点，另一方面，并联后电容进行充放电，提高输出能量脉冲的高压放电大小，通过脉冲驱动电路产生的尖峰信号导通高压开关管q1，使得放电电压通过高压开关管q输出至负载(第三电阻r3)，从而形成正脉冲信号，其中，采用igbt型晶体管，缩短了开关的切换时间，从而提高了脉冲信号的频率，相比于传统高压开关，不需要加热功率或复杂的驱动电路，具有非常短的恢复时间和低抖动优点，同时，本实用新型结构简单、成本低廉、性能也更稳定。
47.另外，优选型号为ixyx25n250cv1hv的高压开关管q1，采购成本只需两百元左右，而相对于其他高压开关而言，动辄需要近万元的购买成本，本实施例中的脉冲发生装置的制造成本更低，大大降低了脉冲发生装置生产成本。
48.详见图3，为本实用新型提供的一种脉冲发生装置产生负脉冲信号一实施例的电路图，包括：
49.所述串联高压电阻包括依次串联的第一电阻r1与第二电阻r1，所述直流电源piehv的输出端连接第一电阻r1的第一端，所述二电阻r2的第二端连接高压开关管q1的输出端。
50.所述储能模块连接于第一电阻r1与第二电阻r2之间，所述储能模块包括多个并联电容。
51.所述高压开关管q1的一端接地，且耦合所述第二电阻r2与负载(第三电阻r3)输出负脉冲信号。
52.与上述实施例的不同之处在于，在本实施例中，高压开关管q1的连接在第二电阻r2的第二端与负载(第三电阻r3)之间，例如，高压开关管q1的栅极连接脉冲驱动电路的输出端接收产生的尖峰信号，高压开关管q1的源极接地，高压开关管q1的漏极连接在第二电阻r2的第二端与第三电阻r3的第一端之间，使得高压开关管q1导通后可迅速接地，接地信号耦合至第三电阻r3形成下拉电阻，使得第三电阻r3的第二端输出负脉冲信号。
53.请参阅图4，为本实用新型提供的一种脉冲发生装置中脉冲驱动电路的电路图，详述如下：
54.脉冲信号源，用于产生脉冲信号；
55.信号捕捉单元，其连接所述脉冲信号源的输出端，用于根据所述脉冲信号产生幅值相同且相位相反的一组差分信号；
56.功率放大单元，其连接所述信号捕捉单元的输出端，用于放大该组差分信号；
57.信号耦合单元，其连接所述功率放大单元的输出端，用于耦合放大的差分信号产生尖峰信号用于驱动所述高压开关管。
58.其中，脉冲信号源为图4中的ttl trig，信号捕捉单元为信号捕捉芯片u1，优先型号为sn74lv3gu04；功率放大单元为功率放大芯片u2，优选型号为sn75372，脉冲信号源ttl trig通过并联的续流二极管d4与第六电阻r6构成一续流回路连接信号捕捉芯片的引脚1a，通过捕捉脉冲信号源产生的上升沿信号触发产生幅值(电压)相同且相位相反的一组信号，通过引脚1y连接功率放大芯片的引脚1a放大该组差分信号，功率放大芯片u2的输出端连接信号耦合单元后产生尖峰信号驱动高压开关管q1。
59.需要说明的是，上述二极管d4优选型号为byv968，第六电阻r6优先阻值为1.5kω。
60.所述信号耦合单元包括两个耦合电容(电容c8和电容c9)与耦合电感t1，所述功率放大芯片u2两个输出端(引脚1out、引脚2out)各连接一个耦合电容(电容c8、电容c9)的一端，两个所述耦合电容(电容c8和电容c9)的另一端对应连接耦合电感t1的输入级两端。
61.具体地，耦合电感t1与两个耦合电容并联组成lc耦合电路，将功率放大单元u2放大输出端的两个信号通过该耦合电路连接到耦合电感t1的初级线圈的输入端，方便耦合电感t1的次级线圈输出尖峰信号。
62.另外，在上述电路基础上，还包括设在耦合电感t1输入端的两个钳位二极管，例如，在电容c8和耦合电感t1的一输入端之间具有第一钳位二极管d1，第一钳位二极管d1的阴极脚联接在电容c8和耦合电感t1的一输入端之间，第一钳位二极管d1的阳极脚接地；在电容c9和耦合电感t1的另一输入端之间具有第二钳位二极管d2，第二钳位二极管d2的阳极脚联接在电容c9和耦合电感t1的另一输入端之间，第二钳位二极管d2的阴极脚接地。
63.具体地，当第二钳位二极管d2阴极脚接地时，则第二钳位二极管d2的阳极脚的电位比地高时，第二钳位二极管d2会导通将其电位拉下来，即阳极脚电路被钳位零电位或零电位以下；当第一钳位二极管d1的阳极脚接地时，则第一钳位二极管d1的阴极脚的电位比地高时，第一钳位二极管d1会截至，其电位将不会受第一钳位二极管d1的任何作用。
64.在另一些实施例中，所述信号捕捉单元与功率放大单元之间具有光电耦合单元，如图4所示，光电耦合单元u3为型号hcpl
‑
0600的光电耦合芯片，实现直流电路与交流电路隔离，兼容ttl信号。
65.具体地，所述光电耦合芯片的引脚a通过第七电阻r7连接在信号捕捉单元与信号捕捉单元之间，实现光电耦合，同时，信号捕捉单元的引脚3y与光电耦合芯片的引脚k相连，为其提供捕捉的脉冲信号，光电耦合芯片的引脚out外接into接口与第八电阻r8，该第八电阻r8并联有接地的去耦电容c22，去耦电容c22可以抑制因负载变化而产生的噪声。
66.在本实施例中，利用光电耦合芯片u3的外接into接口来反映信号捕捉芯片u1一引脚3y输出的脉冲信号源，实现对脉冲信号源的实时检测，例如，通过外接into接口根据脉冲信号源能够生成工作日志，防止发生故障时无法有效处理。
67.在另一些实施例中，所述mos管q2为耗近型n沟道，其中，mos管q2的栅极和源极对应连接耦合电感t1输出级的负端(负输出端)、正端(正输出端)，mos管q2的漏极连接电阻r4，使用mos管q2隔离耦合电感t1与开关极管q1，通过调节mos管q2的栅极电压控制漏极电流大小，该电流通过电阻r4起到限流作用，避免流经管基极的电流过大，利用电阻r4的电流导通开关极管q1。
68.具体地，二极管d3并联在mos管q2的栅极与漏极之间，其中，二极管d3的阳极脚连接mos管q2的栅极，二极管d3的阴极脚连接mos管q3的漏极，用于稳压。当高压开关管q1不导
通时，其栅极连接下拉电阻r5，确保高压开关管q1能够截止，当导通时，第四电阻4与第五电阻r5形成分压；同时，高压开关管q1的发射结并联第五电阻r5，避免微小电流通过该管基极造成误导通。
69.在本实施例中，通过mos管q2与二极管d3，使得耦合电感t1的次级线圈输出下降沿脉冲信号时，能够通过二极管d3将该下降沿脉冲信号回流至mos管q2，确保mos管q2截止，从而使得mos管q2只对上升沿脉冲信号有效，而当耦合电感t1的次级线圈输出上升沿脉冲信号时，mos管q2单向导通特性通过第四电阻r4导通高压开关管q1。
70.需要说明的是，本实施例中开关采用光电隔离的驱动方式，能够避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰；抑制噪声、干扰能力强；具有耐用、可靠性高和速度快等优点。另外，高压开关管对应的脉冲驱动模块采用无源驱动方式，例如，无需直流高压电源，即可驱动高压开关管q1。
71.请参阅图5，为本实用新型提供的一种高压合成电路的电路图，所述高压合成电路包括：
72.脉冲输入端、第一直流电源、双极性高压脉冲输出端与高压电源输出端；所述脉冲输入端与脉冲发生电路的输出端联接，所述脉冲输入端通过第一滤波模块与第一分流器和第二分流器的第一端联接，所述第一直流电源通过串联电阻与第一分流器和第二分流器的第一端联接，所述第一分流器的第二端与所述双极性高压脉冲输出端联接，所述第二分流器的第二端与所述高压电源输出端联接。
73.其中，第一滤波模块由第十电容c10、第十一电容c11、第十二电容c12和第十三电容c 13构成，第十电容c10、第十一电容c11、第十二电容c12和第十三电容c13依次串联连接，第一滤波模块的第一端即第十电容c10的第一端连接脉冲输入端(图2或图3中的脉冲输出端hvpo)，根据电路的输出要求，也可以采用其他的滤波模块结构，或选用其他数量及大小的电容器，优选耐压40kv，4000pf的电容器。
74.第一分流器包括并联的第九电阻r9和第十电阻r10，第一滤波模块(电容c13)的第二端连接第九电阻r9和第十电阻r10(第一分流器)的第一端，第九电阻r9和第十电阻r10(第一分流器)的第二端输出双极性高压脉冲信号，第九电阻r9和第十电阻r10的阻值均优选1kω。
75.第二分流器由3个依次串联的第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13组成，3个电阻分别有第一端和第二端，第十一电阻r11、第十二电阻r12的阻值均优选35mω，第十三电阻r13的阻值为1kω，该第十三电阻r13(第二分流器)的输出端为高压电源输出端。
76.由此，本实施例中，图2或图3中的脉冲输出端hvpo通过脉冲输入端hvp pls in输入正脉冲或负脉冲到第十电容c10的一端，通过第十三电容c13的另一端分为两路，其中一路联接第一分流器的第一端，其中另一路联接第二分流器的第一端，第一分流器的第二端联接双极性高压脉冲输出端hvp pulse out，输出高压负脉冲或者高压正脉冲；第一直流电源输入端hvp in与第二分流器第一端联接，第二分流器第二端联接高压电源输出端hvp out，从而输出高压直流电。
77.最后，在第二输出端hvp out之前设置第二滤波模块(滤波器)，过滤电压的脉冲部分，使第二输出端hvp out能输出稳定的直流电压。
78.本实施例的第二滤波模块优选8个相同电容量的电容器并联组成，第十四电容c14、第十五电容c15、第十六电容c16、第十七电容c17依次串联构成第一串联组，第十八电容c18、第十九电容c19、第二十电容c20、第二十一电容c21依次串联构成第二串联组，两个串联组之间并联，且第十四电容c14与，第十八电容c18的一端并联接地，第十七电容c17与第二十一电容c21的一端并联接在第十五电阻r15和第十六电阻r16之间，所选8个电容器均为精度等级为102m的电容。
79.另外，还可以在第二分流器的第一端设置保护电路。详细的可参见依次串联的保护电阻(第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16、第十七电阻r17)、电感l1的布置，此外还有多种电路布置方式，为行业内常用的结构，本实施例中不再赘述。
80.另外，还在可以在第二分流器的第一端与第一直流电源输入端hvp in之间串联第十八电阻r18和第十九电阻r19。
81.当脉冲输入端向hvp_pls_in输入的0～
±
15kv、10us级脉冲信号，第一直流电源输入端hvp_in输入0～30kv可调直流高压，通过第一滤波模块中4个串联的电容耦合进一个下拉脉冲，其中，下拉脉冲与高压混合，再通过第一分流器输出即hvp_pulse_out(hvp_pulse_out＝hvp_in
‑
hvp_pls_in，hvp_pls_in为脉冲幅值)，hvp_out输出仍为hvp_in不变。
82.当第一直流电源输入端hvp_in输入30kv的高压时，若脉冲输入端耦合进10kv
→
0的脉冲信号，则高压电源输出端hvp_out输出30kv的直流高压，双极性高压脉冲输出端hvp_pulse_out输出30kv
→
20kv的脉冲高压。
83.通过调节脉冲输入端的正负极性脉冲信号，最终使得双极性高压脉冲输出端hvp pulse out输出高压正脉冲或/和高压负脉冲。
84.综上所述，本实用新型通过脉冲驱动电路产生尖峰信号，迅速导通高压开关，形成有效的脉冲信号，相较传统高压开关，不需要加热功率或复杂的驱动电路，具有非常短的恢复时间和低抖动优点，同时，本实用新型结构简单、成本低廉、性能也更稳定。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
85.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。