应用Proteus和Keil联调的纳秒脉冲电源的仿真设计

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C10
3.3uF C11 0.01uF
1
7
3+
AD817 2
U3 -
6
8
4
C12 0.01uF
C13 3.3uF
-12V
Output RL
RF
-12V
-12V
图 1 矩形脉冲发生器原理图 Fig.1 Diagram of Rectangle Pulse Generator
由 R2、R3 以及接到芯片 10 脚的电容 C 可以决定脉冲波形
摘 要:微细加工技术是 MEMS 器件加工工艺的关键环节,基于阴极生长成型的电沉积技术由于精度高,可控性强被广 泛应用。微电铸是 MEMS 器件成型过程中的关键工艺步骤,脉冲电源是微电铸步骤中所使用的重要实验设备之一。传统 的脉冲电源利用开关管斩波的方式,控制复杂且成本高,利用 DDS 芯片制作脉冲电源需要复杂的滤波环节。设计了一款 脉冲波形为矩形,脉冲宽度在百纳秒级别的脉冲电源。选择 ICL8038 芯片作为高频脉冲发生器,利用 AT89C51 单片机控 制数字电位器 MAX5413 来调节 ICL8038 芯片所产生的矩形脉冲波频率和占空比等参数,采用液晶显示屏来显示矩形脉 冲波的频率和占空比参数的信息。并采用 Proteus 和 Keil 软件联调的方式,对电源电路进行了仿真设计。结果表明:波形 纯净,脉冲陡峭,控制电路简单,无需复杂的滤波环节,成本较低,适用于微电铸加工。 关键词:微电铸;纳秒脉冲电源;Proteus;数字电位器;C51 单片机 中图分类号:TH16;TQ153.4;TM921.52 文献标识码:A 文章编号:1001-3997(2013)03-0139-04
键盘模块中四个独立按键对应四个不同的数字电位器的阻
值,从而可得到由不同的电阻值相对应的矩形脉冲波的频率和占
Baidu Nhomakorabea
R2/KΩ
R3 /KΩ
C/PF
f/MHz
α/%
9
10
32
1
44
8
9
60
0.5
44
7
10
30
0.8
28
6
9
34
0.8
25
在 ICL8038 矩形脉冲波输出端加上包括电压跟随器(U2)和 电流串联负反馈放大电路(U3)等部分组成的脉冲调理电路。电压 跟随器的输入阻抗高,输出阻抗低,能够起到缓冲、隔离、提高带 载能力的作用。电流串联负反馈电路能够调节输出电流的大小并 维持输出电流的基本恒定。在这里采用 AD817 放大器作为脉冲 调理电路的设计芯片。脉冲调理电路设计,如图 1 所示。
高频脉冲电铸加工试验中,脉冲频率对铸层的质量影响较大,在 一定的范围内,随着脉冲频率的增大,铸层表面平整,组织均匀致 密,晶粒得到细化,铸层的显微硬度、拉伸强度、耐腐蚀性、内应力 等质量指标在一定范围内随着脉冲频率的增大而提高。脉冲频率 超过一定数值后,铸层的孔隙率增大,缺陷增多,质量指标下降, 脉冲电源的频率一般选择在(10~1×106)之间[6-8]。传统的脉冲电源 利用开关管斩波的方式产生矩形脉冲,开关管的导通和关断延迟 时间使得矩形脉冲波形呈现梯形状,控制电路复杂,谐波严重。利 用 DDS 芯片制作脉冲电源需要经过波形幅值放大环节和复杂的
α= t1 = 2R2 -R3 t1 +t2 2R2
(2)
式中:α—矩形脉冲波的占空比大小;R2—连接到芯片第 4 脚的电
阻值;R3—连接到芯片第 5 脚的电阻值。 设计参数,如表 1 所示。由公式(1)和(2)可得,通过调节 R2、 R3 和电容 C 的数值可以调节矩形脉冲频率和占空比的大小。
表 1 矩形脉冲输出频率和占空比参数设计 Tab.1 The Frequency and Duty Ratio of Rectangle Pulse
140
赵 忠等:应用 Proteus 和 Keil 联调的纳秒脉冲电源的仿真设计
第3期
滤波设计环节。这些都会影响微电铸加工的精度和质量。因此,设 计一款频率可调、控制简单、波形纯正、脉冲宽度在百纳秒级的脉 冲电源对于改善电铸层的质量和降低实验成本具有重要意义。这 里基于 Proteus 和 Keil 软件,设计了一款控制简单、成本较低的 脉冲电源,具有一定的实用价值。
的频率和占空比。此电源设计了四种不同频率和占空比的矩形脉
冲波形输出,计算公式如下:
f= 1 =
1
! " t1 +t2 R2 C 1+ R3
0.66
2R2 -R3
(1)
式中:f —矩形脉冲波的频率;C—连接到芯片第 10 脚的电容值;
R2—连接到芯片第 4 脚的电阻值;R3 —连接到芯片第 5 脚
的电阻值。
来稿日期:2012-05-14 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51075057,50675025) 作者简介:赵 忠,(1988-),男,山东人,在读博士研究生,主要研究方向:微模具制造及超声波应用;
杜立群,(1966-),女(满),博士,教授,博士研究生导师,主要研究方向:微机电系统、微器件 UV-LIGA 加工技术、微模具制造及超声波 应用
2.2 控制电路设计
控制电路包括:独立键盘控制模块、液晶显示模块和
MAX5413 数字电位器模块。采用 MAX5413 数字电位器与 R2 串 联,利用 AT89C51 单片机控制 MAX5413 大小的方式来调节串联
电阻的大小。H 和 L 为电位器的固定端(10kΩ),W 是电位器的滑
动端。滑动单元的位置由 CS、SCLK 和 DIN 三个输入端控制。
4 5
1
12 10
S_ADJ1 S_ADJ2
CAP
LCL8038 SQUARE SIN
V- TRIANGLE
9
2 3
11
R4 10k +12V
C6 3.3uF
C5 C4
C3 C2
R1 60pF 34pF 32pF 30pF
82K
C7 0.01uF
1
7
3
+
6
AD8172 U2
-
8
4
C8 0.01uF
C9 3.3uF
2 脉冲电源的硬件电路设计
在微电铸工艺中,微电铸图形尺寸主要在几个 μm 到几百 个 μm,电流密度在几 A/m2 到十几 A/m2,电源输出脉冲波形的电 压一般在十几伏、平均电流在十几毫秒,电源功率较小。利用集成 芯片产生矩形脉冲加波形调理的方式,能够较好的满足微电铸工 艺的要求。整个系统包括键盘控制模块、单片机(MCU)控制模块、 脉冲产生电路、脉冲调理电路和检测电路五部分。键盘模块设置 数字电位器的阻值,单片机接到指令并向数字电位器输送相应的 电阻值,从而控制脉冲发生器 ICL8038 产生的矩形脉冲的频率和 占空比参数,液晶显示相应的波形参数信息。通过脉冲调理模块 来调节矩形脉冲波的电压和电流大小,同时利用电流传感器进行 电流检测形成反馈,实现对加工状态的实时检测和对电路的保护 作用。
第3期
机械设计与制造
2013 年 3 月
Machinery Design & Manufacture
139
应用 Proteus 和 Keil 联调的纳秒脉冲电源的仿真设计
赵 忠 1,杜立群 1,2
(1.大连理工大学 辽宁省微纳米及系统重点实验室,辽宁 大连 116024; 2.大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁 大连 116024)
1 引言
在微机电系统(MEMS)制造技术中,微细加工技术是面向非硅 材料制造高深宽比微结构的主要加工技术,在微齿轮、微模具和微 流控芯片等加工中广泛应用,推动了以金属结构为基础的微机电系 统的发展[1]。微电铸是 MEMS 器件光刻成型的关键加工步骤,其中 高频脉冲电源是微细电铸加工最重要的试验设备之一。高频脉冲电 铸是采用一种新型的施电方式,能够增加阴极的活化极化与降低阴 极的浓差极化,改善铸层结构性能的作用[2]。对于高频脉冲电源的 因素对电铸试验的影响,一些研究者做了相关的研究工作[3-5]。在
Abstract:Micro-fabrication technology is the crucial procedure in MEMS devices design. For the advantages of high degree accuracy and easy to control,the cathode electro-deposition technology is widely used in MEMS area. During the process of the micro-electroforming,pulse power is an important experimental facility for the technology of molding MEMS devices. The form of switching chopper is used by the traditional pulse power,and the control mode is complicated and the cost is high,so the pulse power based on DDS chip required complex filter circuit. This design is proposed to build an advanced square pulse power,and the pulse width can reach hundred nanoseconds. Used ICL8038 for the pulse generator,based on the chips of AT89C51 and MAX5413 to control ICL8038,the frequency and duty ratio of this power is adjusted by the control system which is made up of single-chip microcomputer and digital regulation resistance,and information of frequency and duty ratio for this pulse power is displayed by LCD. Proteus and Keil software are used simultaneously for this pulse power circuit design. The simulation results show that the square wave is pure,the pulse is step,control circuit is simple and the cost is lower, without any complex filter circuit,which is suitable for micro-electroforming Key Words:Micro-Electroforming;Nanosecond Pulses Power;Proteus;Digital Potentiometer;C51MCU
2.1 矩形脉冲发生器设计
脉冲信号发生器采用 ICL8038 芯片。本设计利用此芯片产 生高质量的矩形脉冲波。在 Proteus 软件里建立矩形脉冲发生器 仿真模型,如图 1 所示。
+12V
+12V
R2
R3
6
9k
10k
SW-ROT-4 SW
8
7
SWEEP FM_BIAS
V+ U1
D_ADJ1 D_ADJ2
Proteus and Keil Based Simulation Design of Nanoseconds Pulse Power
ZHAO Zhong1,DU Li-qun1,2
(1.Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province,Dalian University of Technology,Liaoning, Dalian 116024,China;2.Key Laboratory for Precision & Non-Traditional Machining Technology of Ministry of Education, Dalian University of Technology,Liaoning Dalian 116024,China)
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