一种电子轰击电离源控制系统的制作方法

本实用新型仪器自动化控制技术领域，尤其涉及一种电子轰击电离源控制系统。

背景技术：

质谱分析法是将化合物转换为气态离子，并按不同质荷比(m/z)进行分离，从而分析其结构和成分，所得结果即为质谱图。质谱分析法是通过样品离子质荷比的不同来定性和定量分析的一种方法，所以，质谱仪需有把样品电离为离子的电离装置，把不同质荷比离子分开的质量分析器，并转化成质谱图的检测器。虽然不同化合物的不同分析要求，使得电离装置、质量分析器和检测器会有所不同，但质谱仪的基本组成都类似，主要有进样系统、离子源、真空系统、质量分析器和检测器等，电子轰击电离源(ei)是最为古老和最简单的电离方式之一，它能够提供丰富的结构信息和可供对照的标准nist质谱数据库。优点是较低成本即可实现，并且可靠性和灵敏度都非常高，质谱图也具有非常好的再现性，碎片离子信息丰富，有利于推测未知物的结构，应用非常广泛。ei源的部件主要包括：灯丝，电子推斥极、电子接收极、离子推斥极等。其中，灯丝用电流源驱动，并附在电子推斥极之上，而电子推斥极加载一负直流电压信号。灯丝发热产生的电子与有机物进行反应，产生的电子被电子接收极收集并形成电流。

ei源电路在以前的设计中，常采用pwm芯片控制电流，其可调范围较小，精度也较低，无反馈电路，整个电路较为复杂，且不易于模块化，小型化。控制精度较低，会产生比较大的电流，电压波动，缩短灯丝使用寿命，加速灯丝老化，导致减缩灯丝发射电子能力，影响仪器整体的分辨率，并且灯丝频繁更换，需要拆卸仪器，较为繁琐，成本较高。

以前结构中，ei源不能够实时监测发射电子电流、灯丝电流、推斥极电压。尤其是发射电子电流，它的大小反应该灯丝在施加不同电流的电子发射能力，电子流的强度会直接影响样品分子的电离程度，在以往需要用皮安表去测发射电子电流，然后在通过不断调节推斥极电压和灯丝电流来找到电子电流最大的情况。这种调节方式比较麻烦，不容易操作。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于高精度，低功耗，同时又可以实时监控的电子轰击电离源控制系统。

本实用新型是这样实现的，一种电子轰击电离源控制系统，该系统包括：电源模块，控制器，直流电流源模块，直流电压源模块，微电流检测模块，通信模块和上位机；电源模块需控制器3.3v的工作电压，为各个芯片提供工作电压，控制器通过串口通信由上位机进行电压值，电流值的预置，控制器输出相应的数字信号，分别通过直流电流源模块和直流电压源模块来控制流过灯丝的电流以及推斥极电压，同时直流电流源模块和直流电压源模块将灯丝的电流以及推斥极电压反馈给控制器，通过微电流检测模块采集电子发射电流传递至控制器，控制器通过对预设值和反馈值进行pid调节，构成电压、电流闭环控制。

进一步地，所述直流电流源模块i2c的sda总线与控制器连接，直流电流源模块包括第一光电隔离与驱动电路、d/a转换电路、滤波放大电路、v/i转换电路、负载灯丝、采样电路、a/d转换电路、以及第二光电隔离与驱动电路，其中直流电流源模块接收到i2c的sda总线传进来的数字量后，第一光电隔离与驱动电路经由d/a转换电路转换成相应的电压模拟量，再经过滤波放大模块，进入到v/i转换模块，把电压转换成电流，施加给负载灯丝两端，以提供直流电流；用采集电路对灯丝实际的电流进行采集，到a/d转换电路转换成数字量经由第二光电隔离与驱动电路传入到控制器。

进一步地，所述直流电压源模块i2c的sda总线与控制器连接，直流电压源模块包括数模转换模块、精密缓冲模块、信号放大模块、排斥极、排斥极电压采集电路以及模数转换模块，直流电压源模块接收到i2c的sda总线传进来的数字量后，通过数模转换模块转换成相应的电压模拟量，再经过精密缓冲模块精密缓冲，经过信号放大模块得到想要的电压值，施加给推斥极两端，以提供电子的初始动能，将推斥极电压通过推斥极电压采集电路采集后经由数模转换模块，将模拟量转换成数字量传入到控制器。

进一步地，所述v/i转换电路采用两级负反馈增益放大电路，经由两级负反馈增益放大电路后连接mos管，mos管导通并产生v/i转换，终输出主电流为灯丝供电。

进一步地，mos管输出后连接电阻rc是作为灯丝电流的采集电阻，将电阻rc采集到的电压输入给采样电路，再转换成数字量，采集回控制器中。

进一步地，精密缓冲电路和信号放大电路中，采用一运算放大器a31作为电压跟随，用来精密缓冲，精密缓冲后经由一运算放大器a32作为反向比例放大器。

进一步地，推斥极电压采集电路中，包括两级串联的运算放大器a41和运算放大器a42，运算放大器41的反相输入端连接电阻r41，反相输入端与输出端之间连接电阻r42，使r41＝r42，运算放大器a42中使得同相输入端同时连接的两个电阻r44和电阻r45，反相输入端连接电阻rf42，以及反相输入端与输出端连接电阻rf41。

进一步地，所述微电流检测电路中，选择用两级运算放大器对电流进行放大,运算放大器a51对电流进行转换成电压，运算放大器a52对电压再次放大。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本新型电子轰击电离源控制系统使得电子轰击电离源的控制变得简单，直观，可以对离子源高精度的控制，并且可以直观看到各个参数的变化，以便于及时调整。

附图说明

图1是本实用新型的模块框图；

图2是本实用新型实施例提供的v/i转换电路的电路图；

图3是精密缓冲模块和信号放大模块的电路图；

图4是推斥极电压采集电路的电路图；

图5是微电流检测电路的电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1，一种电子轰击电离源控制系统，其中包括电源模块1，直流电流源模块2，直流电压源模块3，微电流检测模块4，上位机51和通信模块52，stm32f103型号的控制器6，采用stm32f103模块单片机；电源模块1为需要提供控制器3.3v的工作电压，还要给d/a，a/d器件提供参考电压，各个芯片的工作电压。上位机51通过通信模块给控制器6设置灯丝电流和推斥极电压参数，数值转换成数字量，用i2c总线方式传输到直流电流源模块2和直流电压源模块3。

直流电流源模块2包括第一光电隔离与驱动电路、d/a转换电路、滤波放大电路、v/i转换电路、负载灯丝、采样电路、a/d转换电路、以及第二光电隔离与驱动电路，其中直流电流源模块2接收到i2c的sda总线传进来的数字量后，第一光电隔离与驱动电路经由d/a转换电路转换成相应的电压模拟量，再经过滤波放大模块，进入到v/i转换模块，把电压转换成电流，施加给负载灯丝两端，以提供直流电流；用采集电路对灯丝实际的电流进行采集，到a/d转换成数字量经由第二光电隔离与驱动电路传入到控制器6，并且对预设值和实际值进行pid调节，不断调节输出值，已达到最准确的电流值。

直流电压源模块3包括数模转换模块、精密缓冲模块、信号放大模块排斥极以及模数转换模块，直流电压源模块3接收到i2c的sda总线传进来的数字量后，通过16位dadac8571数模转换模块转换成相应的电压模拟量，再经过精密缓冲模块精密缓冲，信号放大得到想要的电压值，施加给推斥极两端，以提供电子的初始动能，将推斥极电压通过数模转换模块，将模拟量转换成数字量传入到控制器6，并且对预设值和实际电压值进行pid调节，不断调整输出值，以至于达到一个更准确的电压值。

微电流检测模块将电子电流收集到控制器6里，在通过上位机进行显示。

灯丝电流，推斥极电压，发射电子电流收集到控制器6中，再通过串口模块传输到上位机，上位机对三个数值的实时显示。

参见图2所示，v/i转换电路中，采用两级负反馈增益放大电路，在保证其信号相位不变的前提下，可以实现信号放大和滤波，vin经一级负反馈增益放大电路调整后输出电压信号v2，因为r22＝r21||r23，所以运算放大器a23实现的是同比例放大，v2＝-vin，v2进入二级负反馈增益放大电路，在经信号调整后输出电压信号v4，因为r28＝r25||r29，所以a4也是同比例放大，v4＝-v2＝vin，导通mos管并产生v/i转换，i＝vin/r26，最终输出主电流i是为灯丝供电。

进一步地mos管输出后连接电阻rc是作为灯丝电流的采集电阻，将电阻rc采集到的电压输入给采样电路，再转换成数字量，采集回控制器6中。

参见图3所示，精密缓冲电路和信号放大电路中，运算放大器a31作为电压跟随，用来精密缓冲，v1＝vin，运算放大器a32作为反向比例放大器，放大倍数为k＝-rf/r31，vout＝(-rf/r31)*vin，放大倍数只需要改变电阻rf和电阻r31电阻值，即可得到想要的电压量程。

参见图4所示，推斥极电压采集电路中，包括两级运算放大器a41和运算放大器a42，运算放大器a41的反相输入端连接电阻r41，反相输入端与输出端之间连接电阻r42，使r41＝r42，放大系数k1＝-1，v2＝-vin，运算放大器a42中使得同相输入端同时连接的两个电阻r44和电阻r45，反相输入端连接电阻rf42，以及反相输入端与输出端连接电阻rf41，r44＝69*r42，rf42＝rf41，电阻r44对按比例采集电压分压，所以vout＝2*(1/70)*v2＝2*(1/70)*(-vin)，推斥极板才回来的电压是负直流电压，所以vout输出的电压是正电压，在经过ad器件，输入回控制器6。

参见图5所示，微电流检测电路中，选择用两级运算放大器对电流进行放大,运算放大器a51对电流进行转换成电压，v0＝-i*rf1，运算放大器a52对v0电压再次放大成v1，v1＝(-rf52/r51)*v0＝(rf52/5)*rf1*i，所以只要改变(rf52/r51)*rf51值，也就是改变三个电阻的阻值就可以对电流进行放大，得到想要的输出电压范围。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。