一种紧凑型离子导引驱动装置及其自动射频调谐方法、设备、介质

技术领域

本发明涉及质谱离子导引技术领域，特别涉及一种紧凑型离子导引驱动装置及其自动射频调谐方法、设备、介质。

背景技术

质谱仪是一种广泛应用于各个学科领域，通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的高端科学仪器。它在环境检测、国土安全、临床分析、有机合成、药物研发、蛋白质和代谢组学等领域具有极其广泛的应用。

目前，几乎所有商业仪器中的电喷雾都工作在大气压或者近大气压下，而质谱分析器的工作需要较高的真空度，所以需要一系列的真空接口和离子导引装置使得电喷雾产生的离子可以进入分析器。

由于大气压真空接口（通常是毛细管或者取样锥孔）必须保持很小的尺寸来维持后级真空（一般直径小于1mm）。带来的结果是，超过90%的离子损失在了真空界面上。巨大的离子传输损失严重限制了电喷雾质谱的灵敏度。为此，离子漏斗、多级杆等离子导引装置和方法应运而生，这些离子导引可以使得绝大多数离子被传输、聚焦入下级真空，显著提升离子传输效率。

离子漏斗等常见离子导引装置工作时，需要通过高压直流电源和射频电源进行驱动，产生相应的射频电场和直流电场，从而实现对离子的传输和聚焦。就离子漏斗而言，它形成的射频电场对离子产生径向束缚，同时匀强电场对离子施加轴向推进或推斥，可在高气压下降低离子的空间发散度和能量分散度，大幅度提高离子的传输效率，有效提升仪器灵敏度。

随着离子导引技术的发展，多级离子漏斗等更加复杂的组合式离子聚焦导引装置不断产生，对相应驱动电路产生了更多通道的需求，目前尚无设计用于满足多种类型导引机构的离子导引驱动装置，限制了装置使用的灵活性。此外，现有的离子导引驱动装置由于电流原理及PCB设计，连接器选型及机箱结构设计等方面的缺陷，没有充分实现紧凑化，导致无法促进质谱仪整机实现小型化，装置可测试性及可维修性偏低，限制了其适用场景的扩大。最后，目前没有针对离子导引驱动装置自动射频调谐和运行谐振电流实时监测预警的系统方案，限制了该类系统使用过程的安全性和可靠性。

发明内容

为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明的第一目的是提供一种紧凑型离子导引驱动装置自动射频调谐方法，包括以下步骤：

获取谐振频率估算值；

通过所述谐振频率估算值计算谐振频率查找的起始区间；

设定射频驱动起始控制量；

将区间宽度划分为若干等分，将每一等分的区间宽度确定为频率步进值，按所述频率步进值变换导引驱动主控板的DDS频率发生模块输出频率；

依次记录DDS输出频率对应的检测电流值；

依次判断检测电流值是否小于第一预设电流值，否则减小所述起始控制量，并跳转至所述将区间宽度划分为若干等分，将每一等分的区间宽度确定为频率步进值，是则通过检测电流值的变化趋势调整区间端点，得到新区间；

若新区间的宽度达到设定目标，则将新区间的中点作为DDS频率发生模块输出谐振频率的设置值。

进一步地，将DDS输出频率按从小到大顺序进行编号，并按照所述DDS输出频率的编号依次记录DDS输出频率对应的检测电流值。

进一步地，所述通过检测电流值的变化趋势调整区间端点包括以下步骤：

若所述检测电流值呈递减趋势，则记录检测电流最小值，若所述检测电流最小值对应的频率为最大DDS输出频率，则增大频率区间下限和频率区间上限；

若所述检测电流值呈递增趋势，则将频率区间上限改为原区间中点，将频率区间下限减小为原区间下限值的若干倍；

若所述检测电流值呈先递减后递增趋势或先递减后保持不变趋势，则若所述检测电流最小值的编号为初始化值，则记录检测电流最小值及编号，若当前检测电流值相较于所述检测电流最小值的增量达到阈值，则减小频率区间上限。

进一步地，当所述检测电流值呈递减趋势时，判断所述检测电流最小值对应的频率是否为最大DDS输出频率，是则将频率区间下限改为原区间中点，将频率区间上限增大为原区间上限值的若干倍，否则保持原区间的上限值不变；

当所述检测电流值呈先递减后递增趋势或先递减后保持不变趋势时，判断所述检测电流最小值的编号为初始化值，是则记录检测电流最小值及其编号，并判断当前检测电流值相较于所述检测电流最小值的增量是否达到阈值，否则跳转至所述判断当前检测电流值相较于所述检测电流最小值的增量是否达到阈值；

若当前检测电流值相较于所述检测电流最小值的增量达到阈值，则将当前检测电流值对应的输出频率设置为新区间的频率上限值；

若当前检测电流值相较于所述检测电流最小值的增量未达到阈值，则跳转至所述判断所述检测电流最小值是否为最大DDS输出频率。

进一步地，还包括以下步骤：

初始化区间下限平移参数；

获取检测电流最小值对应的编号与所述区间下限平移参数的差值对应的检测电流值，记为第一电流值，判断所述第一电流值与检测电流最小值的差值是否大于第一预设值，是则将所述第一电流值对应的频率作为新区间下限，否则判断检测电流最小值对应的编号与所述区间下限平移参数的差值是否小于第二预设值，是则增加所述区间下限平移参数的值，并跳转至所述获取检测电流最小值对应的编号与所述区间下限平移参数的差值对应的检测电流值。

进一步地，还包括以下步骤：

若新区间的宽度未达到设定目标，则判断新区间的宽度是否小于原始区间宽度的预设倍数，所述预设倍数小于1；

是则将新区间宽度的预设倍数确定为频率步进值，记录DDS输出频率对应的检测电流值，并跳转至所述将区间宽度划分为若干等分，将每一等分的区间宽度确定为频率步进值；

否则判断检测电流最小值是否小于第二预设电流值，是则增加控制量，并跳转至所述将区间宽度划分为若干等分，将每一等分的区间宽度确定为频率步进值，否则将新区间的中点作为DDS频率发生模块输出谐振频率的设置值。

进一步地，还包括以下步骤：

调谐完成后，将DDS输出频率设定为谐振频率；

调节射频驱动控制量至对应检测电流值；

通过射频驱动控制量确定控制量步进值；

将控制量从初始值开始变化，逐一记录控制量及对应检测电流值；

拟合控制量与检测电流的关系曲线，判断匹配程度是否达到目标，否则增加拟合阶数，并跳转至所述拟合控制量与检测电流的关系曲线；

是则确定谐振频率下，控制量与检测电流的关系函数；

获取系统运行中控制量实时值对应的检测电流值；

判断系统运行中控制量实时值对应的检测电流值偏离拟合曲线上控制量实时值对应的估计电流值是否超出预设范围，否则保持正常运行，并跳转至获取系统运行中控制量实时值对应的检测电流值；是则将控制量设置为目标值，启动相应报警机制。

进一步地，所述谐振频率估算值根据离子导引机构的电容值和谐振线圈次级电感值的测量值或估计值，应用并联谐振公式计算得出，或通过调谐记录确定。

本发明的第二目的是提供一种电子设备，包括：存储器，其上存储有程序代码；处理器，其与所述存储器联接，并且当所述程序代码被所述处理器执行时，实现一种紧凑型离子导引驱动方法。

本发明的第三目的是提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现一种紧凑型离子导引驱动方法。

本发明的第四目的是提供一种紧凑型离子导引驱动装置，包括：机箱、导引驱动主控板、直流高压板、射频驱动板、射频谐振及反馈板；所述机箱上设有若干接插槽，所述导引驱动主控板、所述直流高压板、所述射频驱动板均为可插拔的板卡，所述导引驱动主控板、所述直流高压板、所述射频驱动板通过所述接插槽与所述机箱活动连接；

所述导引驱动主控板用于提供若干路独立的DA输出电平，控制所述射频驱动板和所述直流高压板的输出量；配置若干路DDS输出电路，产生DDS频率信号，输出给所述射频驱动板；以及与上级控制系统进行数据和指令交互；

所述直流高压板用于输出AD反馈量至所述导引驱动主控板；输出若干路的高压直流电平，提供给所述射频谐振及反馈板及离子导引机构；

所述射频驱动板用于接收从所述射频谐振及反馈板输入的射频反馈量，比较射频反馈量和射频DA控制量，根据闭环回路的反馈关系，输出相应的射频放大控制电平；输出射频驱动信号至所述射频谐振及反馈板；将所述射频谐振及反馈板输出的射频反馈量转换成AD反馈量，并传输至所述导引驱动主控板；

所述射频谐振及反馈板用于生成射频反馈量，并传输至所述射频驱动板；生成射频高压输出信号，并传输至离子导引机构。

进一步地，所述导引驱动主控板包括第一直流供电模块、信号处理模块，DA转换模块，AD转换模块、DDS频率发生模块和串口通讯模块；所述第一直流供电模块用于电源滤波和电压转换，为其他各模块提供所需的电压和功率；所述信号处理模块用于控制其他功能模块运行，并与之进行数据交互；所述DA转换模块用于将主控的数字指令转换为模拟控制电平，根据应用需求提供若干路独立的DA输出电平，控制所述射频驱动板和所述直流高压板的输出量；所述AD转换模块用于将所述射频驱动板和所述直流高压板输出的模拟反馈量转化为数字信号传送给信号处理模块；所述DDS频率发生模块用于配置若干路DDS输出电路，根据所述信号处理模块输出的控制指令，产生预设峰峰值的DDS频率信号，输出给所述射频驱动板；所述串口通讯模块用于通过接口电路进行通讯，实现与上级控制系统的数据和指令交互。

进一步地，所述直流高压板包括第二直流供电模块、高压电源模块，推挽调压模块和AD反馈电路；所述第二直流供电模块用于实现电源滤波和电压转换，为其他各模块提供所需的电压和功率；所述高压电源模块用于为推挽调压模块提供高压上下限输入；所述推挽调压模块包括若干组推挽调压电路，用于接收所述导引驱动主控板的DA转换模块输出的模拟控制电平，转换输出相应的高压直流电平；所述AD反馈电路用于输出AD反馈量，并传输到所述导引驱动主控板的AD转换模块。

进一步地，所述射频驱动板包括第三直流供电模块、若干组射频放大模块、若干组功率放大模块、若干组电流检测模块和AD反馈模块；所述第三直流供电模块用于实现电源滤波和电压转换，为其他各模块提供所需的电压和功率；所述射频放大模块用于比较射频反馈量和射频DA控制量，根据闭环回路的反馈关系，输出相应的射频放大控制电平；所述功率放大模块用于将调幅后的射频信号放大若干倍，产生射频放大信号，通过三同轴BNC接口及线缆输出射频驱动信号至所述射频谐振及反馈板；所述电流检测模块用于采集电流信号，输出相应的电压信号至所述AD反馈模块；所述AD反馈模块用于将所述射频谐振及反馈板输出的射频反馈量，以及所述电流检测模块输出的电压信号，隔离转换成一一对应且电压值不变的AD反馈量，并传输到所述导引驱动主控板的AD转换模块。

进一步地，所述射频谐振及反馈板包括射频谐振模块和射频整流反馈模块，所述射频谐振模块包括变压器，所述射频整流反馈模块包括交流耦合电路、整流电路、直流分压及滤波电路、射频反馈接口；

所述变压器的初级线圈通过三同轴BNC接口及线缆接入射频驱动信号，所述变压器的次级线圈与离子导引机构构成LC谐振电路，所述次级线圈的中间抽头通过交流滤波电路接入所述直流高压板输出的直流高压偏置，所述次级线圈两端引脚通过BNC接口输出给离子导引机构；

所述射频整流反馈模块通过所述交流耦合电路引入次级线圈两端的交流输出电压，通过所述整流电路将射频信号转化成直流信号，再通过所述直流分压及滤波电路产生射频反馈量，通过SMA接口和同轴线传输到所述射频驱动板。

进一步地，还包括背板，所述背板包括直流供电电源接入端口、电源滤波电路和若干组接插件；所述直流供电电源接入端口用于接入外部电源提供的直流电源；所述电源滤波电路用于抑制和消除外部电源中的干扰；所述接插件用于与每块板卡上的接插件对插连接。

进一步地，所述背板上各组接插件的相同位置引脚连接在一起，其中部分引脚与背板的电源网络和地平面相连接；

各板卡通过接插件从背板接入电源网络和地平面的引脚与背板上接插件引脚的位置相对应；

各板卡之间交互的信号连接到各自接插件中相同位置的引脚上。

进一步地，还包括检测转接板，所述检测转接板为可插拔的板卡，所述检测转接板通过所述接插槽与所述机箱活动连接；所述检测转接板上设置有测试点阵列，各测试点与接插件相应引脚连接；所述检测转接板用于接入模拟信号，调试和控制所述射频驱动板、所述直流高压板及所述导引驱动主控板；所述检测转接板也用于接入信号监测设备，监测离子导引驱动装置通过背板传输的信号或电源电压。

进一步地，所述推挽调压电路包括运算放大器、反馈回路、第一分压电路、第一三极管、第二三极管、第一MOS管、第二MOS管，所述运算放大器的第一输入端口和第二输入端口比较模拟控制电平和所述反馈回路的反馈电位，从输出端口输出相应的控制电平，所述控制电平通过所述第一分压电路改变所述第一分压电路中电阻两端的电压值，从而改变所述第一三极管和所述第二三极管的集电极电流，所述第一三极管和所述第二三极管的电流差控制所述第一MOS管和所述第二MOS管的栅源电压，从而调控输出高压，所述输出高压通过接口输出到相应负载，各引脚分别为各组高压输出，且已经回流地线。

进一步地，所述推挽调压电路还包括双向稳压管、输出过流保护电路，所述双向稳压管用于确保所述第一MOS管和所述第二MOS管的栅源电压不超过预设值，所述输出过流保护电路用于限制输出端口流经所述输出过流保护电路中电阻的电流不超过预设值。

进一步地，所述AD反馈电路包括第二分压电路、运放跟随隔离电路，所述第二分压电路将输出高压分压后输入所述运放跟随隔离电路，由运算放大器的输出端输出AD反馈量，并传输到所述导引驱动主控板的AD转换模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种紧凑型离子导引驱动装置，采用PXI机箱的结构，实现硬件系统的紧凑化，有效缩减驱动硬件系统占用空间。

本发明的背板接插槽相同位置引脚相互联通，各组接插槽连接状态一致，实现各板卡任意接插在任意一个接插槽。

本发明设计了一块测试转接板，能够将背板传输的信号和电源转接到板上的测试点，方便系统调试和检修，同时可以通过测试转接板上的测试点接入模拟控制信号，实现调试和控制射频驱动板及直流高压板的输出。

本发明的导引驱动主控板实现AD和DA模块的控制，从而实现对直流高压输出和射频驱动输出的程序闭环控制。

本发明的导引驱动主控板实现DDS频率发生模块的控制，能够根据射频驱动反馈量，调节DDS输出的频率，从而达到导引机构与驱动装置的LC并联谐振状态，实现导引驱动谐振的程序控制。

本发明的直流高压板能够实现4~8路的可调高压输出，直流高压可调范围不小于-200V至+200V，0到上下限输出的相应时间在205μ以内。

本发明为实现上述调压功能设计了推挽调压电路，并按输出要求定义了关键器件的耐压要求，确保电路工作的可靠性和安全性。

本发明为推挽调压电路设计了栅源电压保护双向稳压管，确保栅源电压不超过正负10V，同时避免只使用单向稳压可能造成正向导通拉低栅源电压的问题。

本发明为推挽调压电路设计了过流保护电路，确保MOS管漏极电流不超过12mA，防止漏极电流过大。

本发明在直流高压板中设计了AD反馈电路，实现高压输出的衰减和反馈，以免实现程序自动调节和输出监测，同时采用双向稳压器件避免反馈电压过大损坏运放或AD芯片。

本发明直流高压板的高压输出接口采用BD15，包含高压输出和回流引脚，并能方便的实现对高压传输线束的屏蔽层与接口外壳搭接，减少干扰耦合风险。

本发明的射频驱动板射频驱动信号输出采用三同轴BNC接口和线缆，能够在最内层和中间层传输射频谐振及反馈板的变压器初级线圈的输入及回流信号，最外层实现接通地层屏蔽，从而实现传输阻抗的稳定，避免阻抗波动影响谐振状态，同时屏蔽线缆，避免射频驱动信号干扰其他电路。

本发明设计了射频谐振及反馈板，所有接口采用带屏蔽的同轴接口及线缆，保证射频信号不在传输中干扰其他电路。

本发明的射频谐振及反馈板通过变压器实现射频升压和谐振限流，实现高效驱动电容特性的离子高压机构。

本发明的射频谐振及反馈板通过射频整流反馈模块中的交流耦合隔直，射频整流和分压滤波衰减等功能电路，将加载在导引机构的射频信号反馈到射频驱动板及其AD反馈电路，为闭环控制和程序自动监控提供重要信号支撑。

本发明的射频谐振及反馈板将谐振驱动和射频反馈电路集成在一起，有效缩减了硬件电路的体积。

本发明设计了离子导引驱动装置自动射频调谐方法，能够快速修正和确定谐振频率，确保谐振效率最高。

本发明设计了电流超限保护机制流程，有效预警系统调谐状态的偏离，避免器件损坏或功能异常。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例1的一种紧凑型离子导引驱动装置结构示意图；

图2为实施例1的一种紧凑型离子导引驱动装置原理示意图；

图3为实施例1的背板原理示意图；

图4为实施例1的推挽调压电路图；

图5为实施例1的AD反馈电路图；

图6为实施例1的射频谐振及反馈板原理示意图；

图7为实施例2的紧凑型离子导引驱动装置自动射频调谐方法流程图一；

图8为实施例2的紧凑型离子导引驱动装置自动射频调谐方法流程图二；

图9为实施例2的电流超限保护机制流程图；

图10为实施例2的DDS频率设置值与检测电流值的关系示意图；

图11为实施例3的电子设备示意图；

图12为实施例4的计算机可读存储介质示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例1

一种紧凑型离子导引驱动装置，如图1、图2所示，包括：机箱、导引驱动主控板、直流高压板、射频驱动板、射频谐振及反馈板、检测转接板、背板；机箱上设有若干接插槽，导引驱动主控板、直流高压板、射频驱动板、检测转接板均为可插拔的板卡，导引驱动主控板、直流高压板、射频驱动板、检测转接板通过接插槽与机箱活动连接。

本实施例中，机箱选用PXI机箱，PXI (PCI extensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展) 是一种由PXI联盟发布的坚固的基于PC的测量和自动化平台。PXI结合了PCI（Peripheral Component Interconnection-外围组件互连）的电气总线特性与CompactPCI（紧凑PCI）的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。制订PXI规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。

PXI机箱采用标准的PXI机箱，机箱外尺寸在20cm*12cm*18cm（长*宽*高）以内。该机箱上部3U的空间，安装有4块可插拔的板卡和1块背板电路，下部接近1U的空间安装散热风扇。

如图3所示，背板包括直流供电电源接入端口、电源滤波电路和若干组接插件；直流供电电源接入端口（图3中的电源接口）用于接入外部电源提供的±15V、5V和24V直流电源；电源滤波电路用于抑制和消除外部电源中的干扰；接插件用于与每块板卡上的接插件对插连接。图3中，接插件为4组CPCI接插口。CPCI接插口不仅让诸如CPU、硬盘等许多原先基于PC的技术和成熟产品能够延续应用，也由于在接口等地方做了重大改进，使得采用CPCI技术的服务器、工控电脑等拥有了高可靠性、高密度的优点。CPCI是基于PCI电气规范开发的高性能工业总线，适用于3U和6U高度的电路插板设计。CPCI电路插板从前方插入机柜，I/O数据的出口可以是前面板上的接口或者机柜的背板。它的出现解决了多年来电信系统工程师与设备制造商面临的棘手问题，比如传统电信设备总线VME(Versa Module Eurocard)与工业标准PCI(Peripheral Component Interconnect)总线不兼容问题。每组CPCI接插口是上下两个CPCI公座（例如：ERNI914796、 ERNI923190），用于与每块板卡上的两个CPCI母座（例如：ERNI354148、ERNI354142）对插连接。

背板上各组CPCI接插件（ERNI914796、 ERNI923190）的相同位置引脚连接在一起，如通过PCB上的铜导线连接在一起。因此，背板上的4组CPCI接插口在背板上的电气连接完全相同。其中部分引脚与背板的电源网络和地平面想连接，其余相同位置的引脚只是用PCB走线相互连接。

相应地，各板卡通过接插件从背板接入电源网络和地平面的引脚与背板上接插件引脚的位置相对应，显然各板卡接入电源和地平面的引脚在接插件的相同位置。此外，各板卡之间交互的信号连接到各自CPCI母座（ERNI354148、ERNI354142）中相同位置的引脚上。这样各板卡接插在背板的任意一组CPCI公座接口后，都可以通过背板建立CPCI接口相同位置引脚的电气连接，实现插板间的信号传输。

由于上述背板和板卡的CPCI接插件连接方式实现了四组插槽的完全等价，板卡可以插在任意插槽中，都可以实现系统的设计功能，这极大的便利了系统的安装使用和检修工作。

检测转接板上设置有测试点阵列，通过在该板卡PCB上设置测试点阵列，将各测试点与接插件相应引脚连接，从而与背板上传输的各种电源、信号和地平面连接在一起，以方便万用表、示波器等仪表通过连接测试点集中检测板卡输出信号的正确性和准确性。即检测转接板用于接入信号监测设备，监测离子导引驱动装置通过背板传输的信号或电源电压。此外，通过该测试转接板还可以接入模拟信号如模拟控制信号等，通过手动等方式调试和控制射频驱动板、直流高压板及导引驱动主控板。

导引驱动主控板用于提供若干路独立的DA输出电平，控制射频驱动板和直流高压板的输出量；配置若干路DDS输出电路，产生DDS频率信号，输出给射频驱动板；以及与上级控制系统进行数据和指令交互；

具体地，导引驱动主控板包括第一直流供电模块、信号处理模块，DA转换模块，AD转换模块、DDS频率发生模块和串口通讯模块；第一直流供电模块用于电源滤波和电压转换，为其他各模块提供所需的电压和功率；信号处理模块用于控制其他功能模块运行，并与之进行数据交互；本实施例中，信号处理模块以FPGA芯片为核心（如：xilinx zynq 7010）。DA转换模块以DA芯片为核心（如：DAC7728），用于将主控的数字指令转换为模拟控制电平，该电平设计在正负10V之间，可根据应用需求提供若干路（如8~16路）独立的DA输出电平，控制射频驱动板和直流高压板的输出量；AD转换模块以AD芯片为核心（如：ADS8578S），用于将射频驱动板和直流高压板输出的模拟反馈量（正负10V范围内）转化为数字信号传送给信号处理模块；DDS频率发生模块以DDS频率合成芯片为核心（如：AD9851），配置若干路（如1~4路）DDS输出电路，根据信号处理模块输出的控制指令，产生预设峰峰值（如1V左右）的DDS频率信号，输出给射频驱动板；串口通讯模块用于通过接口电路以485和SPI协议等进行通讯，实现与质谱仪主控等上级控制系统的数据和指令交互。

直流高压板用于输出AD反馈量至导引驱动主控板；输出若干路的高压直流电平，提供给射频谐振及反馈板及离子导引机构；

具体地，直流高压板包括第二直流供电模块、高压电源模块，推挽调压模块和AD反馈电路；第二直流供电模块用于实现电源滤波和电压转换，为其他各模块提供所需的电压和功率；高压电源模块以两组DCDC升压模块为核心，由24V供电输入，分别输出正负200V到正负225V，为推挽调压模块提供高压上下限输入；推挽调压模块包括若干组推挽调压电路，用于接收导引驱动主控板的DA转换模块输出的模拟控制电平，转换输出相应的高压直流电平；AD反馈电路用于输出AD反馈量，并传输到导引驱动主控板的AD转换模块。

根据应用需求与PCB空间限制，推挽调压模块包括4~8组推挽调压电路。如图4所示，推挽调压电路包括运算放大器U1、反馈回路、第一分压电路、第一三极管Q1、第二三极管Q6、第一MOS管Q2、第二MOS管Q5，反馈回路包括电阻R20和电阻R13，第一分压电路包括电阻R2、电阻R4、稳压二极管D1、稳压二极管D4、稳压二极管D8、稳压二极管D9、电阻R17、电阻R22，运算放大器U1的第一输入端口（2号引脚）和第二输入端口（3号引脚）比较模拟控制电平（DA_IN）和反馈回路的反馈电位，从输出端口（6号引脚）输出相应的控制电平，控制电平通过第一分压电路改变第一分压电路中电阻R2和电阻R22两端的电压值，从而改变第一三极管Q1和第二三极管Q6的集电极电流，第一三极管Q1和第二三极管Q6的电流差控制第一MOS管Q2和第二MOS管Q5的栅源电压，从而调控输出高压（HV_Out），输出高压通过DB15接口输出到相应负载，各引脚分别为各组高压输出，且已经回流地线。此外，线束外侧可以增加屏蔽层通过DB15外壳连接参考地层，避免干扰。

需要特别指出的是，电路输出在-200V~+200V之间调节时，第一三极管Q1、第二三极管Q6的发射极与集电极，以及第一MOS管Q2、第二MOS管Q5的源极与漏极最高会承受400V以上的压差，因此选用了相应耐压值不小于450V的器件（如：STN9360、PBHV8560Z、BRD5N50、2P50G-TN3-R）。

推挽调压电路还包括双向稳压管SMF10CA、输出过流保护电路，双向稳压管用于确保第一MOS管Q2和第二MOS管Q5的栅源电压不超过预设值如10V，不仅能够防止不使用保护器件时，器件的栅极与源极过压损坏，同时能够防止采用单向稳压管可能因正向导通拉低MOS栅极和源极电压。第三三极管Q3、电阻R8与第四三极管Q4、电阻R12构成输出过流保护，限制输出端口流经电阻R8或电阻R12的电流不能超过12mA，电流过大对应的三极管会开启，从而拉低栅源电压，减小MOS管的源极电流。

如图5所示，AD反馈电路包括第二分压电路、运放跟随隔离电路，第二分压电路包括电阻R15和电阻R19，第二分压电路将输出高压（HV_Out）分压后输入由U2A构成的运放跟随隔离电路，由运算放大器的输出端输出AD反馈量AD_IN，并通过背板传输到导引驱动主控板的AD转换模块。特别的，本实施例通过TVS二极管D11（如：SMF10CA）使输入运放的反馈电压在正负10V以内，以确保该电压不会超限，避免损坏AD芯片。

射频驱动板用于接收从射频谐振及反馈板输入的射频反馈量，比较射频反馈量和射频DA控制量，根据闭环回路的反馈关系，输出相应的射频放大控制电平；输出射频驱动信号至射频谐振及反馈板；将射频谐振及反馈板输出的射频反馈量转换成AD反馈量，并传输至导引驱动主控板；

具体地，射频驱动板包括第三直流供电模块、若干组射频放大模块、若干组功率放大模块、若干组电流检测模块和AD反馈模块。其中，根据导引所需射频驱动的数量，射频驱动板上的射频放大模块、功率放大模块和电流检测模块可设计1-4组，AD反馈模块的反馈采样引脚也相应增加。第三直流供电模块由电压转换芯片、滤波电容、滤波电感和保险丝等组成，用于实现电源滤波和电压转换，为其他各模块提供所需的电压和功率；射频放大模块用于通过运放电路比较射频反馈量和射频DA控制量，根据闭环回路的反馈关系，输出相应的射频放大控制电平；其中，射频反馈量通过SMA接口和同轴线从射频谐振及反馈板输入，射频DA控制量由导引驱动主控板的DA转换模块通过背板输入。射频放大控制电平和固定幅值的DDS频率信号分别输入乘法器（AD834JR），从而通过乘法器电路输出调幅后的射频信号。功率放大模块用于通过高频运放电路将调幅后的射频信号放大若干倍如4~6倍，产生射频放大信号，该信号通过电容耦合输入的功率放大MOS管的栅极，并通过其漏极输出射频驱动信号，射频驱动信号通过三同轴BNC接口和三同轴线缆传输到射频谐振及反馈板。三同轴BNC接口及线缆的最内层和中间层连接着射频谐振及反馈板的谐振变压器初级线圈两端，最外层连接参考地层，一方面避免线缆分布电容等分布参数变化引起谐振状态不稳定的情况，另一方面将射频驱动信号屏蔽在线缆中，避免通过该传输线缆对外辐射，显著减小对外辐射干扰，提高系统电磁兼容性。

电流检测模块用于通过大功率小阻值的采样电阻采集输入到MOS管漏极的电流信号I0，通过电流感应放大芯片（例如：INA180B4IDBVT）电路输出相应的电压信号U0至AD反馈模块，其中U0=k*I0,k的数值按设计需求，根据电路参数选择确定。

AD反馈模块用于通过运放构成的跟随隔离电路将射频谐振及反馈板输出的射频反馈量，以及电流检测模块输出的电压信号U0，隔离转换成一一对应且电压值不变的AD反馈量，并通过背板传输到导引驱动主控板的AD转换模块。

射频谐振及反馈板用于生成射频反馈量，并传输至射频驱动板；生成射频高压输出信号，并传输至离子导引机构。

射频谐振及反馈板独立于导引驱动装置的PXI机箱，一般可以就近安装在导引机构（如：离子漏斗）附近，并用金属外壳进行屏蔽，避免射频信号外泄干扰其他电路或设备。如图6所示，射频谐振及反馈板包括射频谐振模块和射频整流反馈模块，射频谐振模块包括变压器，射频整流反馈模块包括交流耦合电路、整流电路、直流分压及滤波电路、射频反馈接口；

变压器的初级线圈通过三同轴BNC接口及线缆接入射频驱动信号，变压器的次级线圈与离子导引机构构成LC谐振电路，在谐振状态下初级线圈可以用最小的射频功率驱动导引机构达到预设值。离子导引机构的射频电压峰峰值与射频驱动信号的峰峰值之比和次级线圈与初级线圈的匝数比相同或相近，次级线圈的中间抽头通过交流滤波电路接入直流高压板输出的直流高压偏置，次级线圈两端引脚通过BNC接口输出给离子导引机构；

射频整流反馈模块通过交流耦合电路引入次级线圈两端的交流输出电压，通过整流电路将射频信号转化成直流信号，再通过直流分压及滤波电路产生射频反馈量，通过SMA接口和同轴线传输到射频驱动板。

实施例2

一种紧凑型离子导引驱动装置自动射频调谐方法，如图7所示，包括以下步骤：

获取谐振频率估算值；本实施例中，根据导引机构的电容值和谐振线圈次级电感 值等参数的测量值或估计值，应用并联谐振公式

通过谐振频率估算值计算谐振频率查找的起始区间；如可以根据经验，将谐振频率估算值f0的0.8~1.2倍确定为谐振频率查找的起始区间，即起始区间为0.8 f0~1.2 f0。

设定射频驱动起始控制量d；本实施例中，设定较小射频驱动控制量，确保在起始区间内，检测电流不超过保险丝限定的最大值Imax的90%。

将区间宽度划分为若干等分如十等分，将每一等分的区间宽度，即将区间宽度的10%确定为频率步进值，在该频率范围内按频率步进值变换导引驱动主控板的DDS频率发生模块输出频率；本实施例中，在该频率范围内按区间宽度的10%从区间起点（不含）开始以依次递增步进的方式变换DDS频率发生模块输出频率。应当理解的是，可以根据实际情况采用其他变换方式。

将DDS输出频率按从小到大顺序进行编号fn(n=1,2,3,…,10),并按照DDS输出频率的编号依次记录DDS输出频率fn对应的检测电流值In(n=1,2,3,…,10)。

如图8所示，依次判断检测电流值In是否小于第一预设电流值如0.9Imax，否则减小起始控制量如减小至原控制量的一半，即d=0.5d，并跳转至将区间宽度划分为若干等分，将每一等分的区间宽度确定为频率步进值，是则通过检测电流值的变化趋势调整区间端点，得到新区间，能够自动分类处理各种初始频率区间可能出现的问题，及时调整初始谐振区间，并加快区间缩小迭代的速度，确保获取预设的与最小谐振电流对应的最佳谐振频率点。具体地，包括以下步骤：

若检测电流值呈递减趋势，即I1-I2≥0，且In-In-1＜0，则记录检测电流最小值，即将n的值赋给m，判断检测电流最小值对应的频率是否为最大DDS输出频率，即判断m=10是否成立，是则将频率区间下限改为原区间中点，将频率区间上限增大为原区间上限值的若干倍，如将频率区间上限改为原上限值的120%，否则保持原区间的上限值不变；

如果电流值一直递减，电流最小值与最大DDS输出频率对应，可以判定初始区间上限偏小，可以将原下限设为原区间中点，上限增大至原区间若干倍，提高谐振频率确定效率。

若检测电流值呈递增趋势，即I1-I2<0，则将频率区间上限改为原区间中点，将频率区间下限减小为原区间下限值的若干倍，如将频率区间下限改为原下限值的80%；

通过前几个DDS输出频率对应的检测电流不呈现递减趋势，可以立即判定初始区间不合适，谐振点在下限频率以下，能够快速调节上限频率到原区间中点，下限频率再减小到原频率的若干倍。

若检测电流值呈先递减后递增趋势或先递减后保持不变趋势，即I1-I2≥0，且In-In-1≥0，如图10所示，说明已查询区间包含谐振频率点；则判断检测电流最小值的编号是否为初始化值，本实施例中m的初始化值为“1”，即判断m=1是否成立，是则记录检测电流最小值及其编号，即将n-1的值赋给m，并判断当前检测电流值相较于检测电流最小值的增量是否达到阈值如0.01A，即判断In-Im>0.01A是否成立，否则跳转至判断当前检测电流值相较于检测电流最小值的增量是否达到阈值；

若当前检测电流值相较于检测电流最小值的增量达到阈值，则将当前检测电流值对应的输出频率设置为新区间的频率上限值，即将n的值赋给t，并将ft设置为新区间频率上限；

若当前检测电流值相较于检测电流最小值的增量未达到阈值，则跳转至判断检测电流最小值是否为最大DDS输出频率。

如果判断电流先减小后增加或不变，可以根据相对最小值电流的预设增量限值，缩小谐振频率获取区间，并不断迭代直到满足区间宽度预设值要求或控制量上限限制。

然后再初始化区间下限平移参数s=1；

获取检测电流最小值对应的编号m与区间下限平移参数s的差值m-s对应的检测电流值，记为第一电流值Im-s，判断第一电流值Im-s与检测电流最小值Im的差值是否大于第一预设值如0.01A，是则将第一电流值Im-s对应的频率fm-s作为新区间下限，否则说明出现电流检测值在最小值附近数值接近，且相差小于0.01A，视为电流无显著差别，近似相等，这种情况下判断检测电流最小值对应的编号m与区间下限平移参数s的差值是否小于第二预设值如1，即判断s

判断新区间的宽度是否达到设定目标fmin，如0.05MHz，即判断（fm+t-fm-s）

若新区间的宽度达到设定目标，则将新区间的中点作为DDS频率发生模块输出谐振频率的设置值，即谐振频率设为（fm+t+fm-s）/2，该频率能够保证谐振电流最小，谐振升压效率最高。

若新区间的宽度未达到设定目标，则判断新区间的宽度是否小于原始区间宽度的预设倍数，预设倍数小于1，如设置0.7倍，即判断（fm+t-fm-s）<0.7（f10-f1）是否成立；

是则将新区间宽度的预设倍数如10%确定为频率步进值，记录DDS输出频率fn对应的检测电流值In(n=1,2,3,…,10)，并跳转至记录检测电流最小值，并初始化区间下限平移参数和区间上限平移参数步骤；

否则判断当前等分区间的检测电流值是否小于第二预设电流值如0.5Imax，是则增加控制量，如成倍增加射频驱动控制量，即d=2d，达到增加各频率点之间电流差异的目的，并跳转至新区间宽度的预设倍数如10%确定为频率步进值步骤，否则将新区间的中点作为DDS频率发生模块输出谐振频率的设置值，即谐振频率设为（fm+t+fm-s）/2。

如图9所示，电流超限保护机制流程包括以下步骤：

调谐完成后，将DDS输出频率设定为谐振频率fx；

调节射频驱动控制量d至对应检测电流值如达到保险丝限定值的80%，即Id=0.8Imax；

通过射频驱动控制量确定控制量步进值；如将5%~10%d作为控制量步进值。

将控制量从初始值开始变化，如从零开始按步进值增加控制量，逐一记录控制量及对应检测电流值，获得一系列射频驱动控制量与检测电流值一一对应的点。应当理解的是，可以根据实际情况选择其他的控制量变化方式。

拟合控制量与检测电流的关系曲线，如采用线性至多项式拟合控制量与检测电流的关系曲线，判断匹配程度R

是则确定谐振频率fx下，控制量与检测电流的关系函数I=p(d)；

判断系统运行中控制量实时值e对应的检测电流值Ie偏离拟合曲线估计电流值是否在预设范围内，如判断｜Ie- p(e)｜>0.2A或｜Ie- p(e)｜>0.2 p(e)是否成立，否则保持正常运行，并跳转至获取系统运行中控制量实时值对应的检测电流值Ie；是则将控制量设置为目标值如0，启动相应报警机制。即当射频驱动系统运行时，射频控制量对应的实际检测电流值偏离拟合曲线估计电流值超过其±20%或0.2A，则判定谐振偏离或系统异常，自动将射频驱动控制调为0，并启动相应报警机制。

本发明在自动调谐过程中先设定较小控制量，避免DDS输出偏离谐振频率太多，造成检测电流值（射频驱动信号的输出电流）过大造成器件损坏，并根据检测电流值是否超限，调整初始控制量大小。控制量过小会导致在DDS在较宽输出频段内对应的检测电流值近似相等，所以相应的需要不断提高控制量到合适值，增加谐振频率附近频点之间的电流差异，来进一步缩小谐振频率搜寻区间，提高最终谐振频率设置值的准确度。

本发明通过合理设置控制量，能够在保证系统装置安全的前提下，提高最终确定谐振频率的准确度。

实施例3

一种电子设备200，如图11所示，包括但不限于：存储器201，其上存储有程序代码；处理器202，其与存储器联接，并且当程序代码被处理器执行时，实现一种紧凑型离子导引驱动方法。关于方法的详细描述，可以参照上述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

实施例4

一种计算机可读存储介质，如图12所示，其上存储有程序指令，程序指令被执行时实现的一种紧凑型离子导引驱动方法。关于方法的详细描述，可以参照上述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变换。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例。