高頻數字集成電子元件無損檢測儀設計與研制

徐超，李慧，徐健，李波文

（九江職業技術學院，江西九江，332007）

0 引言

傳統的剝離觀察法對被檢測元器件的破壞很大，且不夠直觀。工頻模式設計的集成電子元器件無損檢測設備雖然一定程度解決上述不足，但是其存在“大、笨、重”的缺點，且輻射量大，使用成本高，往往高到幾萬至十幾萬不等，一般中小型電子企業難以配備[1]。與之相比，采用高頻數字技術設計的X 光集成電子元件無損檢測儀，解決了傳統高壓發生器結構設計的不足以及傳統高壓發生器輸出易受電網波動干擾的問題，工作效率高、輻射量小，且在大幅度減小體積、重量的基礎上，使得拍攝更加清晰[2]。隨著新型電子器件、電路拓撲結構和控制技術的發展及應用，研制高性能的高頻化、高效率、小型化、輕型化和模塊化的無損檢測儀電路將是未來發展趨勢[3-4]。

1 外形結構設計

高頻數字集成電子元件無損檢測儀采取符合人性化操作的模仿槍式結構進行設計，主要包括限束器卡扣圈、限束器、機座、充電插口、X 射線發射按鈕、支架接口、轉輪、控制面板等部分組成。其中x 射線發射按鈕用于控制x射線的發射達到拍攝檢測的目的；控制面板主要實現電量顯示、曝光顯示以及參數設置等。

圖1 為高頻數字集成電子元件無損檢測儀的示意圖，其中圖1(a)為結構正視示意圖，圖1(b)為內部結構示意圖，圖1(c)為激光定位燈的布置結構示意圖。示意圖中標號1 為槍式殼體，標號2為定位開關轉輪，標號3 為安裝在殼體上的X 射線發射按鈕，標號4 為LED 顯示屏，標號5 為槍式殼體一端連接的限束器，標號6 為限束器卡扣圈，標號7 為定位支架上安裝的激光定位燈。標號9 為槍式殼體內部安裝的控制電路板，標號8為高壓球頭，標號10 為供電鋰電池。

圖1 高頻數字集成電子元件無損檢測儀的示意圖

2 整機電路設計

圖2 為高頻數字集成電子元件無損檢測儀總體電路原理框圖，主要由高壓球頭模塊、控制驅動電路模塊、顯示屏及開機鍵、曝光鍵和外接電池、充電器等組成。原理框圖上半部分為高壓球頭模塊內部功能原理圖，下半部分為控制驅動電路模塊原理框圖。控制驅動電路模塊中的驅動電路輸出60kHz 高頻電壓至高壓球頭模塊中的高壓變壓器初級線圈，60kHz 高頻電壓經變壓器升壓至5KV 后，再經12倍壓整流電路變換成60KV 的直流高壓，為X 射線管提供陽極高壓。控制電路模塊中的燈絲電流控制器輸出的燈絲電源直接給X射線管燈絲供電。X 射線管在陽極高壓及燈絲電流的共同作用下，生產劑量穩定的X 射線，實現透視無損檢測儀功能。

圖2 高頻數字集成電子元件無損檢測儀總體電路原理框圖

3 模塊電路設計

■3.1 高壓球頭電路模塊

高壓球頭電路模塊如圖3 所示。主要由高壓升壓變壓器、倍壓整流電路、電流采樣電路、電壓采樣電路及射線管組成。升壓變壓器將驅動電路輸出的高頻交流電升壓至5KV，再經12 倍壓整流電路變換成60KV 高壓直流電源為X射線管電場極板供電。燈絲電源控制器輸出2.5V 左右的燈絲電壓直接給X 射線管燈絲供電。電壓采樣電路提供60KV 高壓直流電壓采樣，采樣電壓比率約16KV/V，電壓采樣電壓為正電壓。電流采樣電路提供射線管電流采樣，采樣電流比率約1mA/V，電流采樣電壓為負電壓。射線管在滿足要求的陽極高壓及燈絲電壓激發下，生產劑量穩定的X 射線。

圖3 高壓球頭電路框圖

■3.2 控制驅動電路模塊

控制驅動電路模塊如圖4 所示。主要由PWM 控制電路、電壓反饋信號調理運算電路、電流反饋信號調理運算電路、燈絲電源控制器電路、微處理器控制電路及輔助電源等組成。

圖4 控制驅動電路模塊

PWM 控制電路采用UC28025DW 為主控芯片，產生PWM 信號控制功率MOS 管Q6、Q7 驅動球頭內的升壓變壓器產生高壓。UC28025DW 受微處理器輸出的控制信號控制，保證高壓產生的時間。球頭反饋的高壓反饋電壓經運放電路調理后經R55 電阻送入UC28025DW 用于穩定高壓輸出。UC28025DW 的16 腳輸出一個5V 參考電壓，該電壓被用作高壓穩壓和管電流穩流的參考電壓源。C25 和R38是構成UC28028DW 振蕩器的主要外圍元件，它們決定了PWM 控制電路的工作頻率，PWM 控制電路設計的工作頻率為60kHz。PWM 控制電路原理圖如圖5 所示。

圖5 PWM 控制電路原理圖

電壓反饋信號調理運算電路由C8、C13、R19、C17 構成的阻容濾波網絡和K5A 構成的電壓跟隨器組成，調理后的電壓經R55 送入UC28025DW 的1 腳，同時電位器R31和K5B 構成的電壓跟隨器組成高壓反饋的參考電壓調節電路，調節后的參考電壓經Q4、R32、R16、C44 組成的控制電路，再送入圖5 所示PWM 控制電路中UC28025DW 的2腳。這兩路信號是高壓生成的關鍵信號，直接決定高壓的穩定性。電壓反饋信號調理運算電路原理圖如圖6 所示。

圖6 電壓反饋信號調理運算電路圖

電流反饋信號調理運算電路由K1 的四個運放組成，由于管電流的反饋電壓是負值，所以管電流反饋信號IP-FB 與控制參考電壓IPREF 做加法運算后經半波整流電路變換為正電壓（以K1A 運放構成的電路），經K1D 構成的電壓跟隨器后，再與燈絲電壓做加法后輸出IP-CTRL 信號，控制燈絲電壓控制電路，最終達到控制管電流的目的。電流反饋信號調理運算電路原理圖如圖7 所示。

圖7 電流反饋信號調理原理圖

高頻數字集成電子元件無損檢測儀的微處理器控制電路采用PIC16F1937 集成芯片設計，實現整個電路的操控和顯示，控制著放電時間、放電時間設置、檢測電池電壓、檢測燈絲電壓、顯示放電時間、驅動蜂鳴器等各項功能。

高頻數字集成電子元件無損檢測儀的+5V 電源是以DC-DC 轉換芯片EUP3458VIR1 為主控芯片，將24V 電源輸入電壓轉換為+5V 電源，供微處理器使用。+12V 電源是采用78L12G-AB3-R 線性穩壓芯片，將24V 電源輸入電壓轉換為+12V 電源，供PWM 控制器UC280251(K2)和運放LM324(K1)、LM2904(K5)使用。

高頻數字集成電子元件無損檢測儀采用高頻數字技術設計，克服了傳統工頻集成電子元件無損檢測設備體積大、質量重、效率低、清晰度不夠等缺陷，具有使用輕便、圖像清晰的特點。實驗檢測效果圖如圖8 所示。

圖8 高頻數字集成電子元件無損檢測儀實驗檢測效果圖

4 結束語

隨著集成電子元器件產業的迅猛發展，集成電子元件的無損檢測設備市場規模將呈現增長趨勢[5]。通過詳細介紹整體方案和系統硬件模塊的設計，成功研制出具有先進、實用、分辨率高、透視清晰、操作靈活、定位準確、性價比高的高清集成電子元件無損檢測儀，填補國內市場的空白，也打破國外產品的長期壟斷，滿足廣大的中小型電子器件生產廠家、電子產品生產廠家的使用需求，將具有良好的應用價值和市場潛力。