新型超窄脈寬脈沖電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林 偉,張春林

(武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院,湖北武漢 430070)

隨著對加工精度要求的提高,微細(xì)加工的研究越來越受到人們的重視。而在微細(xì)加工領(lǐng)域,電化學(xué)加工由于是以離子形式對材料進(jìn)行蝕除,具有刀具無損耗,加工后工件無殘余應(yīng)力、無變形,加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。因此,在工業(yè)生產(chǎn)中,尤其是在航空航天、精密儀器、生物醫(yī)學(xué)等精密機(jī)械加工領(lǐng)域具有重要的意義。然而,電解加工存在雜散腐蝕問題。對微細(xì)電解來說,雜散腐蝕對微細(xì)加工的精度有極大影響。根據(jù)德國Fritz Haber研究所的RSchuster等人提出了超窄脈沖電微細(xì)電解加工技術(shù)理論,要求脈沖電源輸出的脈寬越小越好。最新研究表明:當(dāng)電解加工電源輸出納秒級的超窄脈沖時,可大大減小加工雜散腐蝕,加工間隙可縮小到微米級。將超窄(ns或ps)脈沖電流與低濃度電解液、加工間隙的實(shí)時檢測及調(diào)整等技術(shù)結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)納米、亞微米級精度的加工,完全能滿足微細(xì)加工的要求。所以在電化學(xué)加工中,脈沖電源的性能是影響加工精度的至關(guān)重要的原因。

本文設(shè)計(jì)的脈沖電源以單片機(jī)控制DDS芯片產(chǎn)生基本正弦波信號為基礎(chǔ),加上外部脈沖調(diào)理電路,實(shí)現(xiàn)超窄脈沖寬度,最小可達(dá)10 ns,且脈寬和占空比可調(diào),電壓在3～5 V,mA級電流,主要是用來在5μm或者10μm的鎳片上進(jìn)行光學(xué)小孔碼板的加工,要求孔徑不大于30μm。

1 電源設(shè)計(jì)

1.1 電源總體設(shè)計(jì)

由前面的電源參數(shù)可得出,要得到10 ns的脈寬以及1∶10的占空比,得出信號的周期應(yīng)該為100 ns,即信號的頻率應(yīng)該達(dá)到10MHz。傳統(tǒng)的以開關(guān)斬波形式來實(shí)現(xiàn)脈沖,對開關(guān)器件的開關(guān)速度要求很嚴(yán)格,對器件上升及下降沿速度要求很高,并對開關(guān)器件的驅(qū)動也有很高的要求。對于超窄脈寬,常用的開關(guān)器件很難達(dá)到要求,且開關(guān)器件易發(fā)熱,不適應(yīng)長期工作。這里以DDS芯片為基礎(chǔ),來產(chǎn)生5～10 MHz的基礎(chǔ)信號頻率,再結(jié)合相應(yīng)的脈沖調(diào)理電路,實(shí)現(xiàn)超窄脈寬。超窄脈沖電源總體框圖見圖1。

圖1 超窄脈沖電源總體框圖

1.2 信號產(chǎn)生單元電路

單片機(jī)主要是用來控制DDS芯片產(chǎn)生信號的類型以及頻率。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)采用的是AT89S51,該單片機(jī)采用增強(qiáng)的RISC結(jié)構(gòu),每MHz可實(shí)現(xiàn)1M IPS的處理能力。AT89S51支持在線編程,非常方便,能滿足本設(shè)計(jì)需要。

本設(shè)計(jì)中首先要獲得高頻正弦波或者方波信號,這里采用DDS芯片AD9851來實(shí)現(xiàn)高頻基礎(chǔ)信號。AD9851是一種高度集成的設(shè)備,采用先進(jìn)的DDS技術(shù),可以產(chǎn)生一個穩(wěn)定的頻率和相位,且可數(shù)字化編程的模擬信號輸出。

AD9851與單片機(jī)相連,通過輸入控制字來控制AD9851輸出信號的相位和頻率。AT89S51與AD9851圖連接見圖2。單片機(jī)將控制字加載到AD9851,并通過并行或串行方式載入。并行負(fù)載格式包括5個字節(jié)。第一個8位字節(jié)控制輸出相位,6×REFCLK倍乘器,電源關(guān)閉啟用和裝載模式;其余4字節(jié)組成32位頻率控制字。在+5 V電源供電時,AD9851供電電源僅555 mW,功率耗散,功耗小,適應(yīng)長期工作。

圖2 AT89S51與AD9851并行連接

AD9851系統(tǒng)時鐘和調(diào)諧字輸出頻率之間的關(guān)系表示:

其中:Phase為十進(jìn)制值的32位頻率控制字;SystemClock為直接輸入?yún)⒖紩r鐘或6倍頻的輸入時鐘(6倍乘法器啟動)。

為了使輸出的頻率不受高頻斜波的干擾,所以選用了兩級的π型LC低通濾波器。π型 LC低通濾波器如圖3所示。

圖3 π型LC低通濾波器

本設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)信號的頻率最大為10 MHz,π型LC低通濾波器的截止頻率為12 MHz。其中電感用手動繞制漆包線電感。

1.3 信號調(diào)理電路

由上面的單片機(jī)與AD9851電路,可得到一個5～10 MHz的正弦波基本信號,通過外部調(diào)理電路,將正弦波信號變成超窄脈沖信號。這里主要利用快速光耦以及脈沖整形芯片來實(shí)現(xiàn)對基本信號的變換。快速光耦選用6N137,這是一款高速光電耦合器,其內(nèi)部有一個850 nm波長的LED和一個集成檢測器組成,具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能,高的輸入輸出隔離,高的工作速率,典型可達(dá) 10 MHz,為集電極開路輸出。6N137在本設(shè)計(jì)中主要有以下作用:利用光耦的單向?qū)ㄐ匀コ也ǖ南掳氩糠?起到單向整流作用和信號隔離濾波的作用,防止在加工過程中由于短路或者其他原因損壞脈沖電源。6N137為集電極開路輸出,其上拉電壓可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié),從而調(diào)節(jié)輸出方波信號的電壓。且6N137的上升沿較為緩慢,利用這一特點(diǎn),可與脈沖整形芯片74HC14的門限比較電壓相比較,從而實(shí)現(xiàn)超短脈寬。使用6N137時要注意,電源端一定要接0.1μF的去耦電容,光耦的2腳和3腳之間為一LED,必須接一限流電阻。

74HC14為六反相斯密特觸發(fā)器,主要用于脈沖整形,與其工作速率可達(dá)40 MHz,滿足設(shè)計(jì)要求。將光耦的輸出信號輸入74HC14,經(jīng)過兩次反相,即可得到所需的脈沖信號。調(diào)理電路原理圖見圖4。

圖4 調(diào)理電路原理圖

在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光耦的集電極開路輸出的上拉電壓 VCC,可調(diào)節(jié)輸出脈沖電壓信號的脈寬及占空比。圖5、圖6為脈沖電源輸出脈寬20 ns和10 ns的信號波形圖,占空比均為1∶10。

圖5 脈沖電源輸出信號20 ns

圖6 脈沖電源輸出信號10 ns

2 加工試驗(yàn)結(jié)果

利用上述超窄脈沖電源,在5μm厚的鎳片上利用鎢絲工具進(jìn)行打孔試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:10 MHz頻率,3.5 V電壓,10 ns脈寬,1∶10占空比。利用此參數(shù)在5μm鎳片上進(jìn)行單個孔及連續(xù)打孔試驗(yàn),結(jié)果分別見圖7和圖8。

由圖7和圖 8可看出,在 10 ns、1∶10占空比的工作參數(shù)下,所加工的小孔周圍雜散腐蝕范圍小,孔徑小于30μs,符合加工精度要求。

3 結(jié)束語

圖7 單孔效果圖(10 ns,10MHz)

圖8 連續(xù)孔效果圖(10 ns,10 MHz)

利用DDS芯片基本信號產(chǎn)生電路,結(jié)合脈沖整形電路,設(shè)計(jì)電化學(xué)加工超窄脈沖電源,輸出信號穩(wěn)定,且對于電化學(xué)加工所要求的窄脈寬、占空比均能滿足需要。通過加工試驗(yàn),證明了該電源效果良好,提高了電化學(xué)加工精度,減小了電化學(xué)加工的雜散腐蝕,具有一定的實(shí)用價值。

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