一种基于滤波电路的雾化芯片驱动控制电路
技术领域
本实用新型属于驱动控制电路技术领域，尤其涉及一种基于滤波电路的雾化芯片驱动控制电路。
背景技术
近年来，在全球控烟形式和公众健康舆论的双重压力下，传统卷烟的发展受到越来越多的制约，电子烟作为一类极具发展潜力的非燃烧性卷烟替代品，在世界范围内掀起了产品研发、危害研究、市场拓展及健康消费的热潮。
目前，国内外市售主流的电子烟一般采用电热式雾化。该方式基于热传导原理，通过气流传感器、机械按键或触控按键等激发电子烟工作，导通电路给金属发热丝或陶瓷发热片等供电，加热烟油雾化产生气溶胶。尽管电热式雾化方式导热速率快、雾化效率高，但却普遍存在如下问题：雾化技术核心专利由帝国烟草公司掌控，具有较大知识产权侵权风险；电子烟连续抽吸过程中，发热组件持续升温可高达500～600 ℃，存在潜在安全风险的同时，烟油高温热解会释放醛类等有害成分，健康隐患大；属于接触式雾化，烟油容易在发热组件表面烧结粘附并产生积碳，进而热解释放CO等有害成分、发出焦糊味或引起发热组件阻值发生变化；此外，烟油与发热组件长期接触，重金属会浸出并转移至气溶胶。为了改善或解决电热式雾化方式存在的技术缺陷，许多新型的电子烟雾化方式相继被提出，如超声波雾化、电磁感应雾化、声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)雾化、磁悬浮离心雾化、光子雾化等。在前述的这些雾化方式中，SAW雾化凭借能量定向集中、驱动功率低、激励频率高、发热量小等特点，为能连续稳定地产生有害物质释放量少、粒径小且分布均匀的气溶胶提供了新思路，其在电子烟烟油雾化领域应用前景十分广阔。然而，值得一提的是，SAW雾化芯片的激励频率高达兆赫兹级及以上，属于高频射频信号范畴，驱动控制电路的集成化、小型便携化研发是一大挑战。此外，鉴于驱动功率对烟雾量、激励频率对气溶胶粒径的直接影响，拟开发的驱动控制电路还应具备功率及频率调节功能。
考虑到电子烟是一种手持式设备，且驱动功率和激励频率分别与烟雾量和气溶胶粒径密切相关，因此开发出一款尺寸小巧、满足驱动功率需求且功率和频率可调的高频驱动控制电路是SAW技术在电子烟雾化领域得到成功应用的关键。
为减少噪声信号干扰，通常需要设计滤波电路。但是现有技术的滤波电路结构复杂，滤波效果不佳。故，针对现有技术存在的缺陷，实有必要提供一种技术方案以克服现有技术存在的缺陷。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种基于滤波电路的雾化芯片驱动控制电路，其基驱动控制电路除能连续稳定地输出高频正弦波交流电信号外，还有效满足小尺寸以及功率、频率可调的需求，采用运放LM324实现二阶巴特沃斯滤波器，利用高通滤波器和低通滤波器结合，构成了带通滤波器，从而降低了噪声对差频信号的干扰。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种基于滤波电路的雾化芯片驱动控制电路，包含用于将烟油雾化成气溶胶的雾化芯片，以及用于给雾化芯片施以高频交流电信号的驱动控制电路；
所述驱动控制电路包含单片机控制模块、信号发生模块、信号处理模块、人机交互模块和电源模块；
其中，单片机控制模块用于作为整个系统的控制单元，完成各模块之间的数据管理与信号传输；信号发生模块用于产生目标高频正弦交流电信号；信号处理模块的用于实现信号滤波与信号放大；人机交互模块用于根据用户实际抽吸需求，进行功率、频率设定，以及信息显示；电源模块用于为各模块电路提供电力支持；
所述信号处理模块包含滤波器电路和功率放大电路；所述10位D/A转换器的输出端与滤波器电路的输入端连接，所述滤波器电路的输出端连接功率放大电路的输入端；所述滤波器电路包含二阶低通滤波电路和二阶高通滤波电路，二阶低通滤波电路的输入端与信号输入端相连接，二阶低通滤波电路的输出端与二阶高通滤波电路的输入端相连接，二阶高通滤波电路的输出端作为滤波电路的输出端；
所述二阶低通滤波电路包括芯片IC1、电容C8、电容C15、电容C16、电容C18、电容C20、电阻R8、电阻R12；电容C15的一端与信号输入端连接，电容C15的另一端、电容C8的一端、电容C16的一端、电阻R12的一端连接，电容C16的另一端、电阻R8的一端、芯片IC1的第2引脚连接，电容C8的另一端、电阻R8的另一端、芯片IC1的第1引脚连接后作为二阶低通滤波电路的输出端；芯片IC1的第11引脚接地，电阻R12的另一端与芯片IC1的第3引脚连接后接地，芯片IC1的第4引脚、电容C18的一端、电容C20的一端连接后接5V电源，电容C18的另一端、电容C20的负极连接后接地；所示的芯片IC1型号为LM324，电容C8、电容C15、电容C16、电容C18为瓷片电容，电容C20为电解电容；
所述二阶高通滤波电路包括芯片IC1、电容C22、电容C24、电阻R13、电阻R14、电阻R15；电阻R14的一端与二阶低通滤波电路的输出端连接，电阻R14的另一端、电阻R13的一端、电容C13的一端、电容C24的一端连接，电阻R15的另一端、电容C22的一端、芯片IC1的第6引脚连接，电阻R13的另一端、电容C22的另一端、芯片IC1的第7引脚连接后作为二阶高通滤波电路的输出端，电容C24的另一端与芯片IC1的第5引脚连接后接地；所示的芯片IC1型号为LM324，电容C22、电容C24为瓷片电容。
作为本实用新型一种基于滤波电路的雾化芯片驱动控制电路的进一步优选方案，所述信号发生模块包含数据输入寄存器、频率/相位寄存器、直接数字频率合成DDS芯片，其中，直接数字频率合成DDS芯片内部集成有32位相位累加器、正弦函数功能查找表、10位D/A转换器、6倍频参考时钟倍乘器；所述数据输入寄存器和频率/相位寄存器的输出端分别与32位相位累加器的输入端连接，所述32位相位累加器的输出端连接正弦函数功能查找表的输入端，所述正弦函数功能查找表的输出端连接10位D/A转换器的输入端，10位D/A转换器的输出端连接信号处理模块，所述6倍频参考时钟倍乘器的输出端分别与32位相位累加器、正弦函数功能查找表的输入端。
作为本实用新型一种基于滤波电路的雾化芯片驱动控制电路的进一步优选方案，所述雾化芯片包含压电基底和叉指换能器，所述叉指换能器一侧的压电基底表面上分散有烟油，叉指换能器另一侧涂有用于消除反射波影响的吸声胶，叉指换能器换能器利用压电基底自身的逆压电效应，用于将驱动控制电路产生的电信号转变为声信号，进而形成沿压电基底表面传播的SAW。
作为本实用新型一种基于滤波电路的雾化芯片驱动控制电路的进一步优选方案，所述单片机控制模块采用TPFQ型AT89S52单片机。
作为本实用新型一种基于滤波电路的雾化芯片驱动控制电路的进一步优选方案，所述人机交互模块包含用于实时监测键盘输入的键盘，以及用于接收并读取外部信号的液晶显示单元。
作为本实用新型一种基于滤波电路的雾化芯片驱动控制电路的进一步优选方案，所述功率放大电路采用两级级联电压信号放大电路，第一级采用高动态范围的AG603-89通用缓冲射频放大器，第二级采用三菱场效应高频管RD06HVF。
作为本实用新型一种基于滤波电路的雾化芯片驱动控制电路的进一步优选方案，所述信号发生模块还包含外部时钟参考模块，所述外部时钟参考模块与6倍频参考时钟倍乘器连接。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本实用新型公开一种基于滤波电路的雾化芯片驱动控制电路，其基于SAW技术实现电子烟烟油雾化的应用，将AT89S52单片机、AD9851高频信号发生电路、七阶椭圆低通滤波电路、两级级联电压信号放大电路等有效集成，实现了一款输出频率和功率范围分别从0~65 MHz和0~4.5 W连续可调、信号输出稳定可靠、结构紧凑、体积小巧的驱动控制电路；
2、驱动控制电路主要由单片机控制模块、信号发生模块、信号处理模块、人机交互模块和电源模块组成，其中，单片机控制模块作为整个系统的控制单元，完成各模块之间的数据管理与信号传输；信号发生模块用于产生目标高频正弦交流电信号；信号处理模块的作用是实现信号滤波与信号放大；人机交互模块用于根据用户实际抽吸需求，进行功率、频率设定，以及信息显示；电源模块为各模块电路提供电力支持；驱动控制电路除能连续稳定地输出高频正弦波交流电信号外，还有效满足小尺寸以及功率、频率可调的需求；
3、本实用新型采用七阶椭圆低通滤波电路，用以去除基频外的杂波分量，有效抑制谐波和杂散，获得稳定的、噪声尽量小的目标正弦波交流电信号。
附图说明
图1是本实用新型驱动控制电路的结构原理图；
图2是本实用新型信号发生模块的结构原理图；
图3是本实用新型滤波器电路电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
一种基于滤波电路的雾化芯片驱动控制电路，包含用于将烟油雾化成气溶胶的雾化芯片，以及用于给雾化芯片施以高频交流电信号的驱动控制电路；
驱动控制电路主要用于给雾化芯片施以高频交流电信号，雾化芯片的作用是将烟油雾化成气溶胶，芯片由压电基底和叉指换能器组成，换能器一侧的压电基底表面上分散有烟油，另一侧涂有吸声胶以消除反射波影响。对电子烟的工作过程描述如下：启动驱动控制电路，雾化芯片通过信号接口加载高频交流电信号并传递给叉指换能器，换能器利用压电基底自身的逆压电效应，将电信号转变为声信号，形成沿压电基底表面传播的SAW。当SAW与置于压电基底上的烟油相接触时，SAW携带的能量会以漏声表面波的形式以特定角度衍射进入烟油，并使其自由表面产生强烈扰动。当烟油自身的表面张力不足以保持其几何形态的稳定时，便可产生气溶胶。显然，驱动控制电路是确保雾化芯片正常工作以连续稳定产生气溶胶的前提。此外，考虑到电子烟是一种手持式设备，且驱动功率和激励频率分别与烟雾量和气溶胶粒径密切相关，因此开发出一款尺寸小巧、满足驱动功率需求且功率和频率可调的高频驱动控制电路是SAW技术在电子烟雾化领域得到成功应用的关键。
如图1所示，所述驱动控制电路包含单片机控制模块、信号发生模块、信号处理模块、人机交互模块和电源模块；其中，单片机控制模块用于作为整个系统的控制单元，完成各模块之间的数据管理与信号传输；信号发生模块用于产生目标高频正弦交流电信号；信号处理模块的用于实现信号滤波与信号放大；人机交互模块用于根据用户实际抽吸需求，进行功率、频率设定，以及信息显示；电源模块用于为各模块电路提供电力支持。
如图2所示，所述信号发生模块包含数据输入寄存器、频率/相位寄存器、直接数字频率合成DDS芯片，其中，直接数字频率合成DDS芯片内部集成有32位相位累加器、正弦函数功能查找表、10位D/A转换器、6倍频参考时钟倍乘器；所述数据输入寄存器和频率/相位寄存器的输出端分别与32位相位累加器的输入端连接，所述32位相位累加器的输出端连接正弦函数功能查找表的输入端，所述正弦函数功能查找表的输出端连接10位D/A转换器的输入端，10位D/A转换器的输出端连接信号处理模块，所述6倍频参考时钟倍乘器的输出端分别与32位相位累加器、正弦函数功能查找表的输入端。
单片机控制模块是整个驱动控制电路的核心，一方面需要实时监测键盘输入，接收并读取外部信号，实现信号传输并控制AD9851完成相应功能设置，另一方面需要读取整个电路的数据并与LCD通信向用户展示信息。选用TPFQ型AT89S52单片机。
AD9851由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、直接数字频率合成DDS芯片和内部高速比较器等组成，其中DDS芯片内部集成有32位相位累加器、正弦函数功能查找表、10位D/A转换器、6倍频参考时钟倍乘器等。DDS芯片利用数字方式累加相位，再以相位之和作为地址来查询正弦函数功能表得出正弦波幅度的离散数字序列，最后经D/A转换后输出模拟正弦波交流电信号。高速DDS芯片的时钟频率可达180 MHz，输出频率可达70 MHz，分辨率为0.04 Hz。
经过AD9851信号发生电路输出的正弦波交流电信号很不稳定、噪声偏大，并且有阶梯状锯齿，不是标准的正弦波信号，因此需要在后级增加低通滤波电路，用以去除基频外的杂波分量，有效抑制谐波和杂散，获得稳定的、噪声尽量小的目标正弦波交流电信号。
如图3所示，滤波器电路包括二阶低通滤波电路和二阶高通滤波电路，二阶低通滤波电路的输入端与信号输入端相连接，二阶低通滤波电路的输出端与二阶高通滤波电路的输入端相连接，二阶高通滤波电路的输出端作为滤波电路的输出端。
二阶低通滤波电路包括芯片IC1、电容C8、电容C15、电容C16、电容C18、电容C20、电阻R8、电阻R12；电容C15的一端与信号输入端连接，电容C15的另一端、电容C8的一端、电容C16的一端、电阻R12的一端连接，电容C16的另一端、电阻R8的一端、芯片IC1的第2引脚连接，电容C8的另一端、电阻R8的另一端、芯片IC1的第1引脚连接后作为二阶低通滤波电路的输出端；芯片IC1的第11引脚接地，电阻R12的另一端与芯片IC1的第3引脚连接后接地，芯片IC1的第4引脚、电容C18的一端、电容C20的一端连接后接5V电源，电容C18的另一端、电容C20的负极连接后接地；所示的芯片IC1型号为LM324，电容C8、电容C15、电容C16、电容C18为瓷片电容，电容C20为电解电容。
二阶高通滤波电路包括芯片IC1、电容C22、电容C24、电阻R13、电阻R14、电阻R15；电阻R14的一端与二阶低通滤波电路的输出端连接，电阻R14的另一端、电阻R13的一端、电容C13的一端、电容C24的一端连接，电阻R15的另一端、电容C22的一端、芯片IC1的第6引脚连接，电阻R13的另一端、电容C22的另一端、芯片IC1的第7引脚连接后作为二阶高通滤波电路的输出端，电容C24的另一端与芯片IC1的第5引脚连接后接地；所示的芯片IC1型号为LM324，电容C22、电容C24为瓷片电容。
为减少噪声信号干扰，本实用新型设计带通滤波器，使用通频带的频率响应曲线平滑的巴特沃斯滤波器。本实用新型利用LM324设计了一个二阶低通滤波器和一个二阶高通滤波器，从而形成带通滤波器。经过滤波的信号提供给单片机直接采样分析。
本实用新型采用LM324，LM324为一款常规运放，其适用范围广，可工作在3-32V的电源电路中，偏置电流小，可以内部补偿。因此，在较多电路中都有应用。其中，元件的功率需要查询数据手册确定，防止超过输出功率造成元件损坏。一般情况下，滤波器所需的最大功率受所需信号的功率和多余噪声信号的影响。由于噪声可能受到各种干扰，可能会出现不需要的高功率信号，所以要选择一个功率略大的元件来构成滤波器。至于滤波器引起的信号衰减，处于通频带之内的有用信号往往衰减很小，从0 .5分贝到2 .5分贝不等，主要受滤波器的类型影响。而通频带之外的不需要的信号会受到很大影响，有效的减小了频段外的干扰。在设计过程中，应该保证信号在通频带中的衰减尽可能小，通频带之外衰减尽可能高，并保证通频带的平坦。
本实用新型设计了基于运放LM324的二阶巴特沃斯滤波器，该类型滤波器通频带平坦，并且通频带之外频率响应逐渐变化。利用高通滤波器和低通滤波器结合，构成了带通滤波器，降低了噪声对差频信号的干扰。
AD9851直接合成的正弦波频率信号幅值较小、驱动能力弱，不足以满足后续负载的驱动需求，同时电路的最大输出频率高达70 MHz，一般的运算放大器频摆已不能满足要求，进而输出波形会严重失真，为此进行两级级联电压信号放大处理，第一级采用高动态范围的AG603-89通用缓冲射频放大器，在高频时信号增益高且输出电流低；第二级采用三菱场效应高频管RD06HVF，电位器R31用于设置放大电路的静态工作点。
本实用新型公开一种基于滤波电路的雾化芯片驱动控制电路，其基于SAW技术实现电子烟烟油雾化的应用，将AT89S52单片机、AD9851高频信号发生电路、七阶椭圆低通滤波电路、两级级联电压信号放大电路等有效集成，实现了一款输出频率和功率范围分别从0~65 MHz和0~4.5 W连续可调、信号输出稳定可靠、结构紧凑、体积小巧的驱动控制电路；
驱动控制电路主要由单片机控制模块、信号发生模块、信号处理模块、人机交互模块和电源模块组成，其中，单片机控制模块作为整个系统的控制单元，完成各模块之间的数据管理与信号传输；信号发生模块用于产生目标高频正弦交流电信号；信号处理模块的作用是实现信号滤波与信号放大；人机交互模块用于根据用户实际抽吸需求，进行功率、频率设定，以及信息显示；电源模块为各模块电路提供电力支持；驱动控制电路除能连续稳定地输出高频正弦波交流电信号外，还有效满足小尺寸以及功率、频率可调的需求。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本实用新型公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本实用新型同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
