一種新型窄脈寬脈沖電源的設(shè)計與實現(xiàn)

林 偉，張春林

(武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

在航空航天、精密儀器和生物醫(yī)學(xué)等精密機(jī)械加工領(lǐng)域，隨著加工精度要求的提高，電化學(xué)微細(xì)加工的研究越來越受到重視。然而，電解加工存在雜散腐蝕問題，極大影響微細(xì)加工的精度[1]。為此SCHUSTER等就電化學(xué)微細(xì)加工問題指出，加工所需脈沖電源輸出的脈沖寬度越窄，加工效果越好[2]。最新的研究結(jié)果表明:當(dāng)加工所需脈沖電源輸出脈沖為納秒級的超窄脈寬時，結(jié)合超窄脈沖電源與低濃度電解液、加工間隙的實時檢測及調(diào)整等相關(guān)技術(shù)，可以減少加工雜散腐蝕的影響，提高微細(xì)加工精度，滿足納米、亞微米級微細(xì)加工的要求[3]?？傊谖⒓?xì)電化學(xué)加工中，實現(xiàn)脈沖電源的超窄脈寬是提高加工精度的關(guān)鍵因素之一。

傳統(tǒng)實現(xiàn)脈沖的方法大多采用開關(guān)斬波形式，要求開關(guān)器件的開關(guān)速度快，器件上升沿及下降沿的時間短，且具有一定的驅(qū)動能力[4－5]。而常規(guī)的開關(guān)器件不易達(dá)到以上要求，難以實現(xiàn)超窄脈寬的特性。當(dāng)開關(guān)器件高速工作時，容易發(fā)熱，工作時間不宜過長。針對上述傳統(tǒng)脈沖電源存在的缺陷，筆者提出了一種新型的超窄脈寬脈沖電源設(shè)計與實現(xiàn)方案。

1 超窄脈寬脈沖電源設(shè)計

1.1 電源總體設(shè)計

根據(jù)微細(xì)加工需要，筆者設(shè)計的超窄脈寬脈沖電源主要用來在5 μm或10 μm厚的鎳片上按一定編碼形式打孔，孔徑要求不大于30 μm。實踐表明超窄脈沖電源功率mW級即可達(dá)到要求，為此設(shè)計中采用了DDS技術(shù)，即直接數(shù)字頻率合成技術(shù)。它是一種應(yīng)用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生信號的方法，具有頻率分辨率高、頻率切換速度快(可達(dá)μs量級)、頻率范圍寬和可全數(shù)字化實現(xiàn)等優(yōu)點。設(shè)計中以單片機(jī)微處理器控制DDS芯片產(chǎn)生基本正弦波信號，配合外部脈沖調(diào)理電路，實現(xiàn)脈沖信號的超窄脈寬，脈寬最小可達(dá)10 ns，并且脈寬和占空比可調(diào)，輸出的脈沖信號電壓幅值在3～5 V，輸出電流為mA級。

超窄脈寬脈沖電源總體框圖如圖1所示，其中DDS信號產(chǎn)生單元主要產(chǎn)生正弦波信號，通過單片機(jī)控制DDS信號產(chǎn)生單元電路，實現(xiàn)頻率在5～10 MHz范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，再通過外部整形電路實現(xiàn)超窄脈寬的脈沖信號輸出。

圖1 超窄脈寬脈沖電源總體框圖

1.2 信號產(chǎn)生單元電路

為了獲得加工所需的高頻正弦波信號，設(shè)計中選用美國Analog Device公司生產(chǎn)的AD9851芯片，可實現(xiàn)數(shù)字化的高頻正弦波信號。AD9851是一種高集成度芯片，最高工作頻率可達(dá)180 MHz，由于內(nèi)部集成了32位頻率累加器和10位高速D/A轉(zhuǎn)換器，在最高180 MHz系統(tǒng)時鐘工作時，輸出正弦波信號的頻率精度可達(dá)0.04 Hz，且可以11.25°為單位對相位步進(jìn)調(diào)節(jié)。

為方便頻率調(diào)節(jié)，采用Atmel公司的51系列單片機(jī)AT89S51控制AD9851產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波信號。AT89S51單片機(jī)內(nèi)部為增強(qiáng)型的RISC結(jié)構(gòu)，具有每1 MHz實現(xiàn)1MI/s的數(shù)據(jù)處理能力，為方便使用，AT89S51還支持在線編程。AT89S51單片機(jī)與AD9851的連接示意圖如圖2所示。

圖2 AT89S51單片機(jī)與AD9851連接示意圖

AT89S51單片機(jī)將鍵盤輸入的信號頻率和相位轉(zhuǎn)換為控制字，來控制AD9851產(chǎn)生所需的相位和頻率。AD9851以并行和串行兩種方式加載控制字，并行加載方式通過D0～D7這8位數(shù)據(jù)線實現(xiàn)40位控制數(shù)據(jù)的輸入，控制字包括5個字節(jié)，第一個8位字節(jié)中5個字節(jié)控制輸出相位，1位字節(jié)為6倍參考時鐘倍乘器(6×REFCLK)使能控制，1位字節(jié)為電源關(guān)閉啟用和裝載模式控制以及1位邏輯0;其余4個8位字節(jié)組成32位頻率轉(zhuǎn)換字[6]。AD9851的系統(tǒng)時鐘與調(diào)諧字輸出頻率之間的關(guān)系表達(dá)式為:

式中:fs為時鐘頻率;N為相位累加器的位數(shù);FTW為十進(jìn)制值的32位頻率控制字，由鍵盤輸入設(shè)定。

當(dāng)時鐘頻率fs與N一定時，輸出頻率fout僅由控制字FTW的值決定。當(dāng)FTW=1時，AD9851產(chǎn)生正弦信號最低頻率，即頻率分辨率為:

而AD9851輸出的最高頻率由Nyquist采樣定理決定，為 fs/2[7]。

為使輸出正弦信號不受高頻諧波的干擾，設(shè)計中選用了兩級π型LC低通濾波器。由于設(shè)計的輸出正弦波信號的頻率要求最高可達(dá)10 MHz，因此設(shè)計的π型LC低通濾波器的截止頻率為12 MHz，其中電感采用手動繞制漆包線電感[8]。

兩級π型LC低通濾波器的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 兩級π型LC低通濾波器的電路結(jié)構(gòu)

1.3 信號整形電路

為得到所需的超窄脈沖信號，需利用快速光耦結(jié)合脈沖整形電路。將AD9851產(chǎn)生的5～10 MHz的正弦波信號，通過快速光耦及脈沖整形電路變換為超窄脈沖信號。根據(jù)需要，快速光耦選用高速光電耦合器6N137，其工作速率典型值可達(dá)10 MHz。利用6N137的單向?qū)ㄐ?，可濾掉正弦波的負(fù)半周信號;快速光耦一方面具有單向整流功能，另一方面可以防止在加工過程中由于短路或者其他原因損壞前端電路部分，起到信號隔離及濾波作用。6N137在應(yīng)用中，為了抗干擾，在電源端需接0.1 μf的去耦電容;為了限流，還需在光耦的2腳與3腳之間串接一個 470 Ω 的電阻[9－10]。

為了對脈沖整形，得到所需的超窄脈沖信號，利用6N137的上升沿較為緩慢的特點，將其輸出信號通過后端脈沖整形芯片74HC14，經(jīng)兩次反相整形輸出得到。由于74HC14為六反相施密特觸發(fā)器，其工作速率最高可達(dá)40 MHz，能滿足設(shè)計要求。脈沖信號整形電路原理圖如圖4所示。

圖4 脈沖信號整形電路原理圖

由于6N137為集電極開路輸出OC門結(jié)構(gòu)形式，通過調(diào)節(jié)其上拉電壓VCC，不僅能調(diào)節(jié)輸出方波信號的電壓幅值，還能調(diào)節(jié)輸出脈沖信號的脈沖寬度及占空比。以下給出占空比為1∶10，輸出脈寬分別為20 ns和10 ns時的輸出脈沖信號波形，其波形分別如圖5和圖6所示。

2 脈沖電源軟件系統(tǒng)設(shè)計

脈沖電源系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化的C51設(shè)計，主要實現(xiàn)單片機(jī)對AD9851的控制，分別完成系統(tǒng)初始化、鍵盤掃描及鍵值讀取、控制AD9851頻率更新和LCD液晶顯示及輸出等。以10 MHz信號為例，具體軟件程序流程如圖7所示。

圖5 輸出脈寬為20 ns時的脈沖電源輸出信號

圖6 輸出脈寬為10 ns時的脈沖電源輸出信號

圖7 系統(tǒng)軟件程序流程圖

3 加工試驗結(jié)果

為實現(xiàn)在5 μm厚的鎳片上的打孔試驗，超窄脈沖電源的工作參數(shù)如表1所示。

分別在5 μm厚鎳片上進(jìn)行單孔及連續(xù)打孔試驗，試驗效果分別如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可以看出，脈沖電源輸出的脈沖信號在輸出電壓為3.5 V、脈寬為10 ns、占空比為1∶10的工作參數(shù)下，所加工的小孔雜散腐蝕程度較小，加工孔徑在30 μm范圍內(nèi)，滿足了對加工精度的要求。

表1 脈沖電源工作參數(shù)

圖8 單孔效果圖

圖9 連續(xù)孔效果圖

4 結(jié)論

加工試驗表明，所設(shè)計的超窄脈沖電源，基于DDS技術(shù)，利用快速光耦以及脈沖整形電路，其輸出脈沖信號滿足了電化學(xué)加工的超窄脈寬要求，能提高電化學(xué)加工精度，減小電化學(xué)加工的雜散腐蝕程度，具有一定的實用價值。若該電源能將頻率檢測電路對輸出信號頻率的檢測結(jié)果反饋給單片機(jī)，形成閉環(huán)控制，設(shè)計過流過壓保護(hù)電路，將電源的輸出與電化學(xué)加工狀態(tài)結(jié)合起來，則加工效果將會進(jìn)一步提高。

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