引言
高壓電源是核輻射探測儀器中不可缺少的一部分,供給核輻射探測器件(如:正比計數(shù)管,、GM計數(shù)管,、光電倍增管以及半導(dǎo)體探測器等)高壓,配合其它儀器做能譜分析或放射性強(qiáng)度測量之用,。此外,高壓直流電源也廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也有應(yīng)用,例如農(nóng)業(yè)環(huán)境靜電除塵,靜電噴霧殺蟲,農(nóng)業(yè)物料靜電噴涂包裹,農(nóng)產(chǎn)品加工中的靜電植絨、農(nóng)業(yè)生物靜電效應(yīng)研究,、靜電殺菌,、農(nóng)業(yè)種子靜電處理等等。
目前產(chǎn)生高壓電源的方法大致分為兩種:一種是模擬方法,另一種是數(shù)字方法,。前者的穩(wěn)壓電路,、調(diào)節(jié)電路和顯示電路均采用模擬電路控制,而后者則是通過數(shù)字電路進(jìn)行自動控制。傳統(tǒng)的高壓電源一般通過調(diào)整十圈電位器和波段開關(guān)預(yù)置所需電壓,電壓值由電壓表頭指示,這種手工控制和指示方式有很多缺點(diǎn):調(diào)整麻煩,不能很快獲得所需電壓,指針讀數(shù)不精確,也不能在大負(fù)載和其他異常情況下自動監(jiān)測和自身保護(hù),。另外,實(shí)驗(yàn)室中的儀器或設(shè)備,有些同學(xué)難免會亂動旋鈕和開關(guān),造成下次開機(jī)時因電壓過高而損壞儀器,。本文所介紹的數(shù)字系統(tǒng)采用鍵盤輸入、程序控制,、數(shù)碼顯示,可以很好的解決以上問題,。
1 硬件電路的設(shè)計
根據(jù)設(shè)計要求,采用數(shù)模結(jié)合, 智能控制方案完成數(shù)字式高壓直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計。系統(tǒng)可分為數(shù)字和模擬兩部分,數(shù)字部分發(fā)揮單片機(jī)智能控制功能,并結(jié)合顯示模塊,、按鍵控制模塊,、APD轉(zhuǎn)換模塊、DPA轉(zhuǎn)換模塊,使其完成對系統(tǒng)的智能控制,達(dá)到能自動控制電源輸出電壓的大小,實(shí)時測量電壓并顯示,。模擬部分包括波形產(chǎn)生電路,倍壓整流電路,取樣電路,控制電路及外圍元件組成,。系統(tǒng)控制采用單片機(jī)完成,單片機(jī)結(jié)合軟件編程完成LED顯示、DPA轉(zhuǎn)換,、APD轉(zhuǎn)換,、鍵盤控制、實(shí)時電壓測量等,。單片機(jī)采用Atmal公司的AT89C52芯片,軟件編程應(yīng)用匯編語言,。
方案的原理與系統(tǒng)框圖如圖1所示。電路由兩個PNP型三極管構(gòu)成推挽型開關(guān)電路,波形發(fā)生電路產(chǎn)生兩個幅度相等,、相位相反的方波,分別加在兩個開關(guān)管的基極,使得兩個三極管輪流導(dǎo)通,。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間在Q、C,、T組成的回路中產(chǎn)生一個很大的電流,根據(jù)楞次定律,由于電感兩端電流不能突變,使變壓器次極產(chǎn)生感應(yīng)電壓,這樣初級的能量通過變壓器傳送到了次極,由于變壓器是升壓型,這樣次極電壓高于初級,經(jīng)倍壓整流達(dá)到設(shè)計所要求的電壓,。取樣電路和鍵盤輸入數(shù)據(jù)通過單片機(jī)處理后,經(jīng)DPA轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)電壓控制電路,使變壓器初級電壓大小發(fā)生變化,從而使得輸出電壓也相應(yīng)的發(fā)生變化,達(dá)到所需要的電壓值。
1.1 振蕩電路
振蕩電路的原理圖如圖2所示,電路采用555定時器接成的多諧振蕩器來產(chǎn)生所需一定大小的方波信號,。從圖中可以看到:R2,、R3、C2是振蕩電路的定時元件,調(diào)節(jié)它們可以得到不同的振蕩頻率;C1的作用是防止干擾電壓對電路的影響,。
1.4 倍壓整流電路的設(shè)計
倍壓整流電路適用于輸出直流高電壓,、小電流的小功率整流。倍壓整流有半波倍壓整流和全波倍壓整流,。根椐本電路的設(shè)計要求,采用了圖4所示的電路,。
它是由高壓整流堆D1,、D2、D3,、D4及倍壓電容C5,、C6、C7,、C8構(gòu)成的四倍壓整流電路,。
1.5 控制電路的設(shè)計
圖5為89C52單片機(jī)系統(tǒng)框圖,單片機(jī)通過APD采樣直流高壓輸出電壓值,CPU對此值與預(yù)值電壓比較,調(diào)整相應(yīng)DPA轉(zhuǎn)換,使實(shí)際輸出電壓與預(yù)值電壓相同。
2 軟件設(shè)計
程序設(shè)計主要包括鍵盤處理程序模塊,、APD轉(zhuǎn)換程序設(shè)計模塊,、DPA轉(zhuǎn)換程序設(shè)計模塊、誤差處理程序設(shè)計模塊,、報警狀態(tài)輸出模塊等等,。
3 總結(jié)
不同類型的探測器,所需要的供電高壓的大小不同。例如閃爍探測器光電倍增管的供電高壓一般在幾百伏到1500伏的范圍,。而正比計數(shù)器GM計數(shù)管所需要的高壓則多在1500伏以上,因此為了使儀器具有通用性,高壓電源輸出電壓應(yīng)能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié),經(jīng)測試本系統(tǒng)高壓連續(xù)調(diào)節(jié)的范圍為300～ 3000伏,達(dá)到了設(shè)計要求,。