用于重金属分析的组合空心阴极灯驱动电路的制作方法

1.本发明属于空心阴极灯驱动技术领域，具体涉及用于重金属分析的组合空心阴极灯驱动电路。


背景技术：

2.在原子吸收和原子荧光分光光度计的应用上，通常使用空心阴极灯，作为一种锐线光源，具有元素特征谱线强，谱线的半宽度窄，辐射强度稳定等优点。但是缺点也非常明显，单元素空心阴极灯只能用于测量单一元素，换一种元素换一种灯，使用不便，而多元素空心阴极灯虽然可以实现一种灯测量多种元素，但是辐射强度、灵敏度、寿命都不如单元素灯，不同谱线间存在干扰，且价格较单元素灯更加昂贵。
3.在实际应用中，可以使用多个单元素空心阴极灯组合构成一个空心阴极灯组，这样可以同时集成单元素灯的优点又避免了更换阴极灯的麻烦，达到了比多元素空心阴极灯更优的效果。但为了驱动组合空心阴极灯需要一个比普通单元素空心阴极灯更精密、更智能的驱动电路。
4.因此，设计一种能同时驱动多路不同单元素空心阴极灯，每一路驱动电压、电流、控制脉冲单独可设，且兼容设计了能驱动普通单元素空心阴极灯和高性能双阴极空心阴极灯两种灯的用于重金属分析的组合空心阴极灯驱动电路，就显得十分必要。
5.例如，申请号为cn200910260201.4的中国专利文献描述的锌元素空心阴极灯专用高压电源，包括安装在壳体内的电源电路，电源电路上焊有连接器、连接器、连接器状态指示灯；电源电路由辅助电路、预稳控制电路、预稳驱动电路、输出控制及反馈电路、输出驱动及输出电路组成闭环电路，预稳控制电路与预稳驱动电路连接；虽然整机对阳极电流(灯电流)具有内部可调及外部监测功能；输出的阳极电流纹波小，稳流精度高；整机的长期稳定性好，温漂小，可靠性高；整体结构紧凑，同比外形尺寸小，重量较轻，易于安装，但是其缺点在于，上述的驱动电路并不能用于驱动组合空心阴极灯，只能单一针对锌元素空心阴极灯。


技术实现要素：

6.本发明是为了克服现有技术中，现有的组合空心阴极灯缺乏更精密、更智能的驱动电路的问题，提供了一种能同时驱动多路不同单元素空心阴极灯，每一路驱动电压、电流、控制脉冲单独可设，且兼容设计了能驱动普通单元素空心阴极灯和高性能双阴极空心阴极灯两种灯的用于重金属分析的组合空心阴极灯驱动电路。
7.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.用于重金属分析的组合空心阴极灯驱动电路，包括mcu、高压输出模块、高压预设模块、高压反馈模块和若干组阴极灯控制电路；各组阴极灯控制电路和高压预设模块均与mcu电连接；所述高压反馈模块与高压预设模块电连接；高压预设模块与高压输出模块电连接；所述高压输出模块与高压反馈模块电连接；所述高压输出模块分别与各组阴极灯控制电路电连接。
9.作为优选，各组阴极灯控制电路均包括电流预设模块、驱动控制模块、阴极驱动模块和空心阴极灯；所述电流预设模块和驱动控制模块均与mcu电连接；所述电流预设模块和驱动控制模块均与阴极驱动模块电连接；所述空心阴极灯与阴极驱动模块；所述空心阴极灯与高压输出模块电连接。
10.作为优选，所述电压激励源包括电源芯片u5、mos管q2、变压器t1、二极管d1、二极管d2、电感l1、电阻r1、电阻r5、电阻r6、电阻r10、电阻r11、电阻r13、电阻r14、电容c1、电容c3、极性电容c4、极性电容c5、电容c6、电容c7、电容c8、电容c9和电容c10；电源芯片u5的型号为uc3843；电源芯片u5的第1引脚、第2引脚和第4引脚分别与电容c6和电容c7电连接；电容c6与电阻r6电连接；电源芯片u5的第3引脚分别与电容c7、电阻r6和高压预设模块电连接；电源芯片u5的第14引脚分别与电阻r13和电容c8电连接；电源芯片u5的第7引脚分别与电阻r13和电容c9电连接；电容c8和电容c9电连接且均接地；电源芯片u5的第6引脚、第13引脚和第10引脚均与电阻r10电连接；电阻r10分别与电阻r11和mos管q2的栅极电连接；电阻r11接地；电源芯片u5的第5引脚分别与电阻r14、电容c10和mos管q2的源极电连接；电阻r14和电容c10均接地；mos管q2的漏极分别与二极管d2的正极和变压器t1的初级线圈电连接；二极管d2的负极分别与电容c3和电阻r5电连接；电容c3和电阻r5并联；电容c3和电阻r5均与变压器t1的初级线圈电连接；二极管d1的正极分别与变压器t1的次级线圈和电阻r1电连接；电阻r1与电容c1串联；二极管d1的负极分别与电容c1、电感l1和极性电容c4的正极电连接；极性电容c5的正极分别与电感l1和高压反馈模块电连接；极性电容c5的负极分别与变压器t1的次级线圈、极性电容c4的负极电连接；变压器t1的次级线圈的一端、极性电容c5的负极和极性电容c4的负极均接地。
11.作为优选，所述高压反馈模块包括运算放大器u9、电容c13、电容c12、电阻r18、电阻r19、电阻r22、电阻r23、电容c12和电容c13；运算放大器u9的同相输入端分别与电阻r18、电阻r19和电容c12电连接；电阻r19和电容c12并联且电阻r19和电容c12均接地；电阻r18与高压输出模块电连接；运算放大器u9的反相输入端分别与电阻r22、电阻r23和电容c13电连接；电阻r23接地；电阻r22和电容c13并联；运算放大器u9的输出端分别与电阻r22、电容c13和高压预设模块电连接。
12.作为优选，所述高压预设模块包括运算放大器u11、运算放大器u12、dac芯片u13、电阻r26、电阻r27、电阻r28、电阻r29、电阻r30、电阻r31、电容c14、电容c15和电容c16；dac芯片u13型号为dac7311；运算放大器u11的同相输入端分别与电阻r28和电阻r29电连接；电阻r29和电容c15串联；运算放大器u11的输出端分别与电容c15和高压输出模块电连接；运算放大器u11的反相输入端与电阻r26电连接；电阻r26与高压反馈模块电连接；运算放大器u12的同相输入端分别与电阻r27和电容c14电连接；电容c14接地；运算放大器u12的反相输入端分别与电阻r30、电阻r31和电容c16电连接；电阻r31接地；电阻r30和电容c16并联；运算放大器u12的输出端分别与电阻r28、电阻r30和电容c16电连接；dac芯片u13的第6引脚与电阻r27电连接；dac芯片u13的第1引脚、第2引脚和第3引脚均与mcu电连接。
13.作为优选，所述电流预设模块包括运算放大器u2、运算放大器u7、dac芯片u1、dac芯片u6、电阻r2、电阻r7、电阻r8、电阻r15、电阻r20、电阻r21、电容c2和电容c11；dac芯片u1和dac芯片u6的型号均为dac7311；运算放大器u2的同相输入端分别与电阻r2和电容c2电连接；电容c2接地；运算放大器u2的反相输入端分别与电阻r7和电阻r8电连接；电阻r7接地；
运算放大器u2的输出端分别与电阻r8和驱动控制模块电连接；dac芯片u1的第6引脚与电阻r2电连接；dac芯片u1的第1引脚、第2引脚和第3引脚均与mcu电连接；运算放大器u6的同相输入端分别与电阻r15和电容c11电连接；电容c11接地；运算放大器u6的反相输入端分别与电阻r20和电阻r21电连接；电阻r20接地；运算放大器u6的输出端分别与电阻r21和驱动控制模块电连接；dac芯片u6的第6引脚与电阻r15电连接；dac芯片u6的第1引脚、第2引脚和第3引脚均与mcu电连接。
14.作为优选，所述驱动控制模块包括模拟开关u4a、模拟开关u10a、电阻r3、电阻r12、电阻r16、电阻r25、mos管q3和mos管q5；模拟开关u4a的输入端与电流预设模块电连接，模拟开关u4a的输出端分别与电阻r3和阴极驱动模块电连接；模拟开关u4a的控制端与mos管q3的漏极电连接；mos管q3的栅极分别与电阻r12和mcu电连接；mos管q3的源极与电阻r12电连接；mos管q3的源极和电阻r12均接地；模拟开关u10a的输入端与电流预设模块电连接，模拟开关u10a的输出端分别与电阻r16和阴极驱动模块电连接；模拟开关u10a的控制端与mos管q5的漏极电连接；mos管q5的栅极分别与电阻r25和mcu电连接；mos管q5的源极与电阻r25电连接；mos管q5的源极和电阻r25均接地。
15.作为优选，所述阴极驱动模块包括运算放大器u3、运算放大器u8、mos管q1、mos管q4、电阻r4、电阻r9、电阻r17和电阻r24；运算放大器u3的同相输入端与驱动控制模块电连接；运算放大器u3的反相输入端分别与电阻r9和mos管q1的源极电连接；电阻r4的一端与运算放大器u3的输出端电连接，电阻r4的另一端与mos管q1的栅极电连接；mos管q1的漏极与空心阴极灯的主阴极电连接；运算放大器u8的同相输入端与驱动控制模块电连接；运算放大器u8的反相输入端分别与电阻r24和mos管q4的源极电连接；电阻r17的一端与运算放大器u8的输出端电连接，电阻r17的另一端与mos管q4的栅极电连接；mos管q4的漏极与空心阴极灯的辅阴极电连接；所述空心阴极灯的阳极与高压输出模块电连接。
16.作为优选，还包括通信模块和数据存储模块；所述通信模块和数据存储模块均与mcu电连接。
17.本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明能驱动多种单元素空心阴极灯的组合，实现多元素空心阴极灯的效果，集成了单元素灯元素特征谱线强、谱线的半宽度窄、辐射强度稳定、价格便宜和多元素灯可测量多种元素等，无需手动更换灯具的优点，规避了多元素空心阴极灯价格昂贵、辐射强度、灵敏度、寿命都不如单元素灯的缺点；(2)本发明中的驱动电压、电流、控制脉冲等可单独设置、存储，应用灵活，可以驱动市面上绝大多数空心阴极灯；(3)本发明通过数据存储模块的数据，可以对阴极灯使用寿命进行预警，方便使用人员维护更换。
附图说明
18.图1为本发明用于重金属分析的组合空心阴极灯驱动电路的一种原理框图；
19.图2为本发明中高压输出模块、高压预设模块和高压反馈模块的一种电路图；
20.图3为本发明中阴极灯控制电路的一种电路图。
21.图中：mcu 1、高压输出模块2、高压预设模块3、高压反馈模块4、阴极灯控制电路5、电流预设模块6、驱动控制模块7、阴极驱动模块8、空心阴极灯9、通信模块10、数据存储模块11。
具体实施方式
22.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
23.实施例1：
24.如图1所示，本发明提供的用于重金属分析的组合空心阴极灯驱动电路，包括mcu 1、高压输出模块2、高压预设模块3、高压反馈模块4和6组阴极灯控制电路5；各组阴极灯控制电路和高压预设模块均与mcu电连接；所述高压反馈模块与高压预设模块电连接；高压预设模块与高压输出模块电连接；所述高压输出模块与高压反馈模块电连接；所述高压输出模块分别与各组阴极灯控制电路电连接。
25.各组阴极灯控制电路均包括电流预设模块6、驱动控制模块7、阴极驱动模块8和空心阴极灯9；所述电流预设模块和驱动控制模块均与mcu电连接；所述电流预设模块和驱动控制模块均与阴极驱动模块电连接；所述空心阴极灯与阴极驱动模块；所述空心阴极灯与高压输出模块电连接。
26.进一步的，如图2所示，所述电压激励源包括电源芯片u5、mos管q2、变压器t1、二极管d1、二极管d2、电感l1、电阻r1、电阻r5、电阻r6、电阻r10、电阻r11、电阻r13、电阻r14、电容c1、电容c3、极性电容c4、极性电容c5、电容c6、电容c7、电容c8、电容c9和电容c10；电源芯片u5的型号为uc3843；电源芯片u5的第1引脚、第2引脚和第4引脚分别与电容c6和电容c7电连接；电容c6与电阻r6电连接；电源芯片u5的第3引脚分别与电容c7、电阻r6和高压预设模块电连接；电源芯片u5的第14引脚分别与电阻r13和电容c8电连接；电源芯片u5的第7引脚分别与电阻r13和电容c9电连接；电容c8和电容c9电连接且均接地；电源芯片u5的第6引脚、第13引脚和第10引脚均与电阻r10电连接；电阻r10分别与电阻r11和mos管q2的栅极电连接；电阻r11接地；电源芯片u5的第5引脚分别与电阻r14、电容c10和mos管q2的源极电连接；电阻r14和电容c10均接地；mos管q2的漏极分别与二极管d2的正极和变压器t1的初级线圈电连接；二极管d2的负极分别与电容c3和电阻r5电连接；电容c3和电阻r5并联；电容c3和电阻r5均与变压器t1的初级线圈电连接；二极管d1的正极分别与变压器t1的次级线圈和电阻r1电连接；电阻r1与电容c1串联；二极管d1的负极分别与电容c1、电感l1和极性电容c4的正极电连接；极性电容c5的正极分别与电感l1和高压反馈模块电连接；极性电容c5的负极分别与变压器t1的次级线圈、极性电容c4的负极电连接；变压器t1的次级线圈的一端、极性电容c5的负极和极性电容c4的负极均接地。
27.进一步的，所述高压反馈模块包括运算放大器u9、电容c13、电容c12、电阻r18、电阻r19、电阻r22、电阻r23、电容c12和电容c13；运算放大器u9的同相输入端分别与电阻r18、电阻r19和电容c12电连接；电阻r19和电容c12并联且电阻r19和电容c12均接地；电阻r18与高压输出模块电连接；运算放大器u9的反相输入端分别与电阻r22、电阻r23和电容c13电连接；电阻r23接地；电阻r22和电容c13并联；运算放大器u9的输出端分别与电阻r22、电容c13和高压预设模块电连接。
28.进一步的，所述高压预设模块包括运算放大器u11、运算放大器u12、dac芯片u13、电阻r26、电阻r27、电阻r28、电阻r29、电阻r30、电阻r31、电容c14、电容c15和电容c16；dac
芯片u13型号为dac7311；运算放大器u11的同相输入端分别与电阻r28和电阻r29电连接；电阻r29和电容c15串联；运算放大器u11的输出端分别与电容c15和高压输出模块电连接；运算放大器u11的反相输入端与电阻r26电连接；电阻r26与高压反馈模块电连接；运算放大器u12的同相输入端分别与电阻r27和电容c14电连接；电容c14接地；运算放大器u12的反相输入端分别与电阻r30、电阻r31和电容c16电连接；电阻r31接地；电阻r30和电容c16并联；运算放大器u12的输出端分别与电阻r28、电阻r30和电容c16电连接；dac芯片u13的第6引脚与电阻r27电连接；dac芯片u13的第1引脚、第2引脚和第3引脚均与mcu电连接。
29.mcu通过spi控制外置dac芯片u13进行预设高压输出，dac芯片输出0-2.5v，对应高压输出0-1000v。dac芯片输出经过后级运算放大器u12放大、运算放大器u11比较之后输出给电源芯片u5，电源芯片u5控制高压输出电路产生对应的电压vout。高压反馈模块将输出电压vout分压取样、放大滤波后输出到运算放大器u11进行负反馈调节，形成闭环控制，使输出的高压vout更加稳定、准确，高达1000v的输出电压足以驱动目前市面上常用的空心阴极灯。
30.进一步的，如图3所示，所述电流预设模块包括运算放大器u2、运算放大器u7、dac芯片u1、dac芯片u6、电阻r2、电阻r7、电阻r8、电阻r15、电阻r20、电阻r21、电容c2和电容c11；dac芯片u1和dac芯片u6的型号均为dac7311；运算放大器u2的同相输入端分别与电阻r2和电容c2电连接；电容c2接地；运算放大器u2的反相输入端分别与电阻r7和电阻r8电连接；电阻r7接地；运算放大器u2的输出端分别与电阻r8和驱动控制模块电连接；dac芯片u1的第6引脚与电阻r2电连接；dac芯片u1的第1引脚、第2引脚和第3引脚均与mcu电连接；运算放大器u6的同相输入端分别与电阻r15和电容c11电连接；电容c11接地；运算放大器u6的反相输入端分别与电阻r20和电阻r21电连接；电阻r20接地；运算放大器u6的输出端分别与电阻r21和驱动控制模块电连接；dac芯片u6的第6引脚与电阻r15电连接；dac芯片u6的第1引脚、第2引脚和第3引脚均与mcu电连接。
31.进一步的，所述驱动控制模块包括模拟开关u4a、模拟开关u10a、电阻r3、电阻r12、电阻r16、电阻r25、mos管q3和mos管q5；模拟开关u4a的输入端与电流预设模块电连接，模拟开关u4a的输出端分别与电阻r3和阴极驱动模块电连接；模拟开关u4a的控制端与mos管q3的漏极电连接；mos管q3的栅极分别与电阻r12和mcu电连接；mos管q3的源极与电阻r12电连接；mos管q3的源极和电阻r12均接地；模拟开关u10a的输入端与电流预设模块电连接，模拟开关u10a的输出端分别与电阻r16和阴极驱动模块电连接；模拟开关u10a的控制端与mos管q5的漏极电连接；mos管q5的栅极分别与电阻r25和mcu电连接；mos管q5的源极与电阻r25电连接；mos管q5的源极和电阻r25均接地。
32.进一步的，所述阴极驱动模块包括运算放大器u3、运算放大器u8、mos管q1、mos管q4、电阻r4、电阻r9、电阻r17和电阻r24；运算放大器u3的同相输入端与驱动控制模块电连接；运算放大器u3的反相输入端分别与电阻r9和mos管q1的源极电连接；电阻r4的一端与运算放大器u3的输出端电连接，电阻r4的另一端与mos管q1的栅极电连接；mos管q1的漏极与空心阴极灯的主阴极电连接；运算放大器u8的同相输入端与驱动控制模块电连接；运算放大器u8的反相输入端分别与电阻r24和mos管q4的源极电连接；电阻r17的一端与运算放大器u8的输出端电连接，电阻r17的另一端与mos管q4的栅极电连接；mos管q4的漏极与空心阴极灯的辅阴极电连接；所述空心阴极灯的阳极与高压输出模块电连接。
33.普通空心阴极灯只有一个阴极，只需连接上图3中一路驱动电路即可，这里以双阴极空心阴极灯为例。
34.空心阴极灯的阳极连接高压输出vout，主阴极和辅阴极分别连接两组驱动电路，两组驱动电路构成相同，参数单独可设。主阴极控制方式：mcu通过spi控制外置dac芯片u1进行主阴极驱动电流预设，输出0-2.5v，对应0-100ma。驱动控制模块由第一级驱动mos管q3和第二级控制模拟开关u4a组成，控制阴极灯的工作：亮灭占空比、闪烁频率。阴极驱动模块主要由运放u3、驱动mos管q1、采样电阻r9等构成一个恒流驱动电路，控制流过阴极灯的电流，并由采样电阻r9反馈到运放u3的4脚进行调节，确保实际电流与预设电流一致。
35.辅阴极控制方式与主阴极一致。
36.整个电流预设模块共有6路，可以同时驱动6种不同元素空心阴极灯，且电压、电流参数单独可以设置，相互不影响。阴极灯控制数量可根据实际需求进行增减，不局限于6路。
37.进一步的，用于重金属分析的组合空心阴极灯驱动电路还包括通信模块10和数据存储模块11；所述通信模块和数据存储模块均与mcu电连接。
38.数据存储模块由存储芯片与mcu组成。使用者在第一次使用时将空心阴极灯的相关参数配置后，mcu自动将数据写入存储芯片中，如将第一路阴极驱动模块配置为铅元素空心阴极灯、电压550v、电流峰值40ma,将第二路阴极驱动模块配置为汞元素空心阴极灯、电压500v、电流峰值35ma,第三路配置为砷元素，第四路配置为硒元素等等，该参数将自动写入到存储芯片中，在元素测定过程中，mcu可以自动选择对应的驱动电路加以控制，点亮对应元素的空心阴极灯，实现了多种元素空心阴极灯切换的效果。空心阴极灯在频繁使用时，随着使用时长的增加，辐射强度会有一定程度下降，数据存储模块还将保存各个阴极灯的使用情况，包括点亮次数、使用时长等，用以估算阴极灯使用寿命结束，方便维护。
39.通信模块由mcu控制，与外界进行信息交互，包括：对各路阴极灯参数的配置写入、修改和读取；对各路阴极灯状态进行监控，使用寿命到期预警，发出提醒信息；配合其他部件工作，接收外部点灯命令等。
40.本发明能驱动多种单元素空心阴极灯的组合，实现多元素空心阴极灯的效果，集成了单元素灯元素特征谱线强、谱线的半宽度窄、辐射强度稳定、价格便宜和多元素灯可测量多种元素等，无需手动更换灯具的优点，规避了多元素空心阴极灯价格昂贵、辐射强度、灵敏度、寿命都不如单元素灯的缺点；本发明中的驱动电压、电流、控制脉冲等可单独设置、存储，应用灵活，可以驱动市面上绝大多数空心阴极灯；本发明通过数据存储模块的数据，可以对阴极灯使用寿命进行预警，方便使用人员维护更换。
41.以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。