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【第三届原创参赛】关于某型车载四极质谱仪的射频电源电路分析提纲

气质联用(GCMS)

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    十年前参与过某型车载四极质谱仪的研发工作,本文是对其中一个难点-射频电源电路的分析提纲,分享给大家。虽然没有细节和计算过程,但是对分析人员理解四极工作原理还是非常有帮助的。
    几点说明:
    1.其中第四部分我有详细的计算过程,只是没有做任何说明,非研发人员用处不大,所以就不提供了。
    2.请大家重点关注其中的几个公式,非常有意义。
    欢迎大家批评指正!

    听从版主的意见,对提纲做了一些补充说明和修改,重新发附件。真心希望能给需要的人提供些许帮助。

    运用四极质谱物理原理对某型车载质谱仪射频电源工作机理的分析

    1. 关于四极质谱设计的几个基本公式

    V =7.220Mf2r02 M-amuf-MHzr0-cm

    这个公式实际上是马绍方程的解的一种表达方式,有兴趣的可以自己推演,需要注意单位和V是零峰值。V是射频幅值,VM是线性关系,确定fr0后,VM一一对应。

    V=KvV基准+V0

    这个公式是峰位调节公式,明白这个公式就会很清楚峰位是怎么调节的,V基准是数字量质量基准0-10VKv就是峰位增益(就是斜率),V0就是峰位补偿

    U=KuV+U0

    这个公式是分辨调节公式,明白这个公式就会很清楚分辨是怎么调节的,Ku就是峰宽增益(就是斜率),U0就是峰位补偿(就是截距)

    现有常规四极质谱仪的驱动电路由变压器/LC振荡回路构成,工作频率固定。电容C由四极杆杆间电容,槽路电容和导线寄生电容决定,L由变压器电感决定。


    2. 射频电源框图


    3. 射频电源各个模块功能分析

    平衡放大器,射频调制器,功率振荡器,射频调谐输出和直流发生功能电路,电容衰减器,检波器,峰位调节电路,分辨调节电路


    4. 射频电路负反馈放大倍数和直交比的计算

    V= KvUMASS+VM0

    负反馈电路放大倍数Kv范围:90.27-110.22

    VM0范围:-0.005-+0.005(伏)

    U=KuV+(UA0+UAUF)

    直交比Ku调节范围:0.15-0.16

    UA0范围:-2.5-+2.5(伏)

    UAUF范围:


    5. 导致射频电源不线性的因素分析

    A:射频放大电路

    B:反馈回路

    C:关键因素


    6. 射频电源的重要调节参数的物理意义

    M0(峰位补偿电位器),M400(峰位增益电位器),UMASS(质量基准,计算机给出)

    A0(峰宽补偿电位器),A400 (峰宽增益电位器)UAUF(峰宽补偿,数字量,计算机给出)

    C40C41(调谐时使用的两个可变电容)

    GLR107),GLSYMR104)直流对称电位器,HFSYMR105)射频对称电位器


    7. 射频电路设计改进的建议

    增加合理的测试点

    减少调节参数

    射频线路的屏蔽
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  • symmacros

    第1楼2010/09/04

    应助达人

    帮老高的附件帖出来,不会反对吧?

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  • buckbee

    第2楼2010/09/04

    非常好的资料,细微处见功力!
    不过这些年能够沉下心来做模电的好手不多了。

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  • 老高

    第3楼2010/09/04

    多谢了!就是让大家指正的,贴出来更鲜明

    symmacros(jimzhu) 发表:帮老高的附件帖出来,不会反对吧?

    运用四极质谱物理原理对某型车载质谱仪射频电源工作机理的分析

    1. 关于四极质谱设计的几个基本公式
    V =7.220Mf2r02 M-amu,f-MHz,r0-cm
    U=KuV+U0
    V=Kv(V基准+V0)
    现有常规四极质谱仪的驱动电路由变压器/LC振荡回路构成,工作频率固定。电容C由四极杆杆间电容,槽路电容和导线寄生电容决定,L由变压器电感决定。

    2. 射频电源框图

    3. 射频电源各个模块功能分析
    平衡放大器,射频调制器,功率振荡器,射频调谐输出和直流发生功能电路,电容衰减器,检波器,峰位调节电路,分辨调节电路

    4. 射频电路负反馈放大倍数和直交比的计算
    V= Kv(UMASS+VM0)
    负反馈电路放大倍数Kv范围:90.27-110.22
    VM0范围:-0.005-+0.005(伏)
    U=KuV+(UA0+UAUF)
    直交比Ku调节范围:0.15-0.16
    UA0范围:-2.5-+2.5(伏)
    UAUF范围:

    5. 导致射频电源不线性的因素分析
    A:射频放大电路
    B:反馈回路
    C:关键因素

    6. 射频电源的重要调节参数的物理意义
    M0,M400,UMASS
    A0,A400 ,UAUF
    C40,C41
    GL(R107),GLSYM(R104),HFSYM(R105)

    7. 射频电路设计改进的建议
    增加合理的测试点
    减少调节参数
    射频线路的屏蔽

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  • 阿宝

    第4楼2010/09/04

    写的专业性很强,说实话,我没看懂,主要是我这方面的专业知识欠缺
    关于四极杆 不是还有个玛绍方程吗?

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  • 老高

    第5楼2010/09/05

    呵呵,我只是学过电路基础,模电和数电,工作中只做过一块板。那时对原理性的东西很有兴趣,这个分析是从四极质谱原理的角度来看射频电源的。不过,确实跟几个电子老专家讨论过无数次,凝聚了他们的心血。正如你所说,现在肯定找不到能达到他们水平的模电好手了。

    buckbee(buckbee) 发表:非常好的资料,细微处见功力!
    不过这些年能够沉下心来做模电的好手不多了。

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  • symmacros

    第6楼2010/09/05

    应助达人

    说道模电,本人还在西安交大培训一年(业余),可惜都忘的差不多,惭愧。想请教老高,现有一台HP5972(1994年)的老的MS的射频电路有问题,射频电压无法调节,不知有没有修理的可能(原硬件手册及service manual可能找不到)?

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  • 老高

    第7楼2010/09/05

    应该有修理的的可能,关键是值不值。那时候的老机器一般都给原理图和PCB图,找到就比较好办。如果确认只是射频的问题,你有兴趣可以自己试试,有些器件可能会找不到。北分组装过5970,他们和东西都有5970的图纸。

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  • symmacros

    第8楼2010/09/05

    应助达人

    谢谢回复。我试试看,先找找原理图,你说的对,有些元器件可能是个问题。

    老高(gaoweimass) 发表:应该有修理的的可能,关键是值不值。那时候的老机器一般都给原理图和PCB图,找到就比较好办。如果确认只是射频的问题,你有兴趣可以自己试试,有些器件可能会找不到。北分组装过5970,他们和东西都有5970的图纸。

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  • 老高

    第9楼2010/09/06

    第一部分的第一个公式实际上是马绍方程的解的一种表达方式,有兴趣的可以自己推演,需要注意单位和
    V是零峰值。
    第二个公式是分辨调节公式,明白这个公式就会很清楚分辨是怎么调节的,所谓的峰宽增益和补偿是什么含义
    第三个公式是峰位调节公式,明白这个公式就会很清楚峰位是怎么调节的,所谓的峰位增益和补偿是什么含义

    阿宝(lpr20) 发表:写的专业性很强,说实话,我没看懂,主要是我这方面的专业知识欠缺
    关于四极杆 不是还有个玛绍方程吗?

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  • 徐好狗

    第10楼2010/09/06

    KYKY的吧,北分的也差不多。

    那个电路我3年前研究过,比较老,还算经典,并且和张工关系搞的不错,老头指点了不少调谐的技巧。算是复旦这边四极杆起步时候最早的技术来源。

    后来我们还是学习了老外的,安捷伦、布鲁克、Sciex、Finnigan、inficon的。感觉KYKY这个电路是60年代的德系的技术,后来也问了问KYKY的老人,的确是MAT的过来的。08年底,还有幸见到过德国原版的。

    这个电路主要问题是:

    1、RF电压太低了,只有2kVpp,德国人现在有10kVpp;
    2、信号发生的过程很老,繁琐,三极管竟然用了5个,感觉像红灯;
    3、调制原理上有一点相位错误,功耗就比较大,对那个中周印象很深刻!铁壳421也很暴力!中周后来琢磨出怎么绕了吧?是有技巧的。
    4、调谐原理上简单,但工艺上难以保证。后来做的人损耗做的大了,那个原件用的呀,不行,怎么能和WIMA比。
    5、DC的产生是由RF整流过来的,DC不高、不稳定、不对称,而且导致扫描速度上不去
    6、AGC部分有点老,没保护
    7、TUNE还行,印象深刻,会反过来影响RF反馈的
    8、8051。。。
    9、那个玻璃四极杆就算了,成本高,不如316的

    感觉国有企业不是很能与时俱进,高校研究所培养也和时代脱节。后来应用做的也比较少,价钱是进口的2倍。恒平那个工业质谱就是这个玩意呀,差不多,应用做的多,卖的挺好的。

    anyway,是个70年代的好东西。如果能把应用做好,这个一年也能上几千万的。现在工业质谱市场还是挺好的,就是没什么人做。

    不过据那边邹工说现在做电的很少,特别是做电磁和模拟的,所以线圈绕的都是老的,模拟电路的改进不行。其实都差不多,聚光的模电也一般,离子阱才折腾了那么久还不给劲。

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