[发明专利]一种电子束高精度高频偏转扫描装置

摘要

一种电子束高精度高频偏转扫描装置，包括数字信号处理即DSP控制电路、功率放大器PA93，偏转扫描线圈等；DSP控制电路通过高速高精度D/A转换电路产生两路电压信号，再经信号隔离电路后分别作为X轴和Y轴方向偏转扫描线圈的扫描电流波形给定；同时，分别采集X轴和Y轴方向的线圈电流，作为扫描电流波形反馈；然后，扫描电流给定和反馈信号再分别输入X轴和Y轴方向的外环PID调节电路和内环功率放大器PA93，放大后的信号驱动偏转扫描线圈产生电磁场使电子束偏转扫描。本发明不仅提高了电子束偏转扫描的控制精度,而且实现了线圈驱动电流高频变化，从而提高了偏转扫描速度,实现了电子束的高速、高精度、大范围偏转扫描。 1

主权项

1.一种电子束高精度高频偏转扫描装置，其特征在于：包括：工控机、串行通讯电路、数字信号处理即DSP控制电路、高速高精度D/A转换电路Ⅰ、高速高精度D/A转换电路Ⅱ、信号隔离电路Ⅰ、信号隔离电路Ⅱ、外环比例‑积分‑微分即PID调节电路Ⅰ、外环PID调节电路Ⅱ、功率放大器PA93‑Ⅰ、功率放大器PA93‑Ⅱ、X轴和Y轴方向的偏转扫描线圈、电流传感器Ⅰ、电流传感器Ⅱ和±160V直流电压源；位置连接关系是：工控机通过串行通讯电路连接至DSP控制电路，实现偏转扫描数据的传输；DSP控制电路将接收到的数字信号进行处理后，发送给高速高精度D/A转换电路Ⅰ和高速高精度D/A转换电路Ⅱ转换成两路模拟电压信号输出，然后高速高精度D/A转换电路Ⅰ再经过信号隔离电路Ⅰ后传输至外环PID调节电路Ⅰ，作为X轴方向偏转扫描线圈的扫描电流波形输入给定I_Xg；外环PID调节电路Ⅰ的输出作为内环PA93‑Ⅰ高压大电流功率放大器的电压给定U_Xg，功率放大器PA93‑Ⅰ的输出再连接至X轴方向偏转扫描线圈，驱动X轴向偏转扫描线圈按照给定扫描波形进行偏转扫描，电流传感器Ⅰ串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅰ，实现X轴方向线圈驱动电流的闭环调节；同时，高速高精度D/A转换电路Ⅱ再经过信号隔离电路Ⅱ后传输至外环PID调节电路Ⅱ，作为Y轴方向偏转扫描线圈的扫描电流波形输入给定I_Yg；外环PID调节电路Ⅱ的输出作为内环PA93‑Ⅱ高压大电流功率放大器的电压给定U_Yg，功率放大器PA93‑Ⅱ的输出再连接至Y轴方向偏转扫描线圈，驱动Y轴方向偏转扫描线圈按照给定扫描波形进行偏转扫描，电流传感器Ⅱ串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅱ，实现Y轴方向线圈驱动电流的闭环调节；

所述的工控机包括工业显示器；该工控机通过视频电缆与工业显示器相连；

所述的串行通讯电路采用的是工控机上485串行总线即RS‑485接口，通过该串行总线将工控机的偏转扫描数据传输至DSP控制电路；

所述的DSP控制电路主要功能是接收工控机传输的偏转扫描数据，然后进行数据处理，转换成对应的偏转扫描线圈驱动电流值，并传输至高速高精度D/A转换电路；

所述的高速高精度D/A转换电路将其转换为±5V电压信号输出，作为偏转扫描线圈扫描波形的电流给定，其输出电压分辨率为150μV；

所述的信号隔离电路，能实现DSP控制电路与功率放大电路之间电隔离，提高DSP控制电路的抗干扰能力；

所述的外环PID调节电路是由采用运放、比例放大电阻、积分电容和微分电容组成，用来调节偏转扫描线圈上的驱动电流，其输出连接至功率放大组件，作为功率放大组件的电压给定输入；

所述的功率放大组件包括APEX公司的功率放大器PA93、反馈电阻R_F、输入电阻R_IN和限流电阻R_CL；该PA93是高电压、大电流功率放大器，能实现输出高电压的快速变换，并且输出电流最大达8A；位置连接关系是：输出电压U_XYf通过反馈电阻R_F连接至PA93的反相输入端，同时电压给定信号U_g通过输入电阻R_IN连接反相输入端，二者通过功率放大器PA93进行误差运算后，其输出连接至偏转扫描线圈，驱动线圈内的电流按照扫描波形变化；

所述的偏转扫描线圈包括X轴方向和Y轴方向的线圈；X轴方向偏转扫描线圈由一对形状和匝数相同、共轴平行的空心矩形线圈x1和x2串联而成，并且线圈x1和x2的间距等于矩形边长的一半，用来调节X轴方向上的电子束偏转量；同样，Y轴方向偏转扫描线圈也是由一对形状和匝数相同、共轴平行的空心矩形线圈y1和y2串联而成，并且线圈y1和y2的间距等于矩形边长的一半，用来调节Y轴方向上的电子束偏转量；

所述的X轴方向偏转扫描线圈和Y轴方向偏转扫描线圈安装在电子枪中；在电子枪中，阴极灯丝受热激发产生大量自由电子，在栅极和阳极的作用下形成电子束，该电子束再经聚焦线圈聚焦，然后通过由X轴方向偏转扫描线圈和Y轴方向偏转扫描线圈组成的偏转扫描线圈实现电子束的偏转扫描；消像散线圈由两组线圈绕制而成，主要用来控制偏转后的像散，提高电子束束斑形状和品质；

所述的电流传感器，用来采集偏转扫描线圈中的电流信号并传输至外环PID调节电路，用来调节偏转扫描线圈中的驱动电流；

所述的±160V直流电源包括+160V直流电源和‑160V直流电源，+160V直流电源的输出负端与‑160V直流电源的输出正端连接，作为功率放大器PA93的输入地即GND，+160V直流电源的输出正端连接至功率放大器PA93的正电源输入端+VCC，‑160V直流电源的输出负端连接至功率放大器PA93的负电源输入端‑VCC；

所述的+160V直流电源和‑160V直流电源具有相同的电路结构，包括整流滤波电路、半桥逆变电路、高频变压器、二次整流滤波电路、电压霍尔传感器、电流霍尔传感器、电流闭环调节电路、电压闭环调节电路、PWM产生电路、驱动电路和保护电路；位置连接关系是：AC220V交流电经整流滤波电路整流滤波后变成310V直流电并连接至半桥逆变电路再次变换成20kHz的交流方波，该交流方波再连接至高频变压器TR1和二次整流滤波电路后变成160V的直流输出；电压霍尔传感器连接在160V电源输出端采集输出电压反馈信号U_f，与电压给定信号U_g一起连接至电压闭环调节电路，然后电压闭环调节电路的输出连接至脉冲宽度即PWM产生电路，调节PWM波形的脉冲宽度，再通过驱动电路控制半桥逆变电路功率开关管的导管与关断，从而实现直流电源输出电压的调节；同理，电流霍尔传感器串联在160V电源的输出回路中采集输出电流反馈信号I_f，与电流给定信号I_g一起连接至电流闭环调节电路，然后电流闭环调节电路的输出连接至PWM产生电路，调节PWM波形的脉冲宽度，再通过驱动电路控制半桥逆变电路功率开关管的导管与关断，从而实现直流电源输出电流的调节；

该整流滤波电路包括二极管全桥整流桥电路及其滤波电容，用来将AC220V交流电整流变换成310V直流电；

该半桥逆变电路包括半桥电容C1、C2，功率开关管Q1和Q2，用来将直流电再次变换成20kHz的交流方波；

该高频变压器采用纳米晶铁芯和漆包线绕制而成，用来实现原边电压和副边电压的电压变换和隔离；

该二次整流滤波电路由快恢复二极管全桥整流桥电路及滤波电感L1和电容C3组成，将高频变压器TR1输出的高频交流电再次变换成160V的直流输出；

该电压霍尔传感器采用的是，用来采集160V直流电源的输出电压；

该电流霍尔传感器是，用来采集160V直流电源的输出电流；

该电流闭环调节电路由运放、比例放大电阻、积分电容和微分电容组成的，用来调节160V直流电源的输出电流的大小；

该电压闭环调节电路由运放、比例放大电阻、积分电容和微分电容组成的，用来调节160V直流电源的输出电压的大小；

该PWM产生电路由芯片SG2525A及其外围电路组成，用来产生脉冲宽度可调的PWM波形；