文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182083
中文引用格式： 李廷華，朱東來，韓熠，等. 一種SAW電子煙霧化芯片驅動控制電路設計與實現[J].電子技術應用，2019，45(3)：113-117.
英文引用格式： Li Tinghua，Zhu Donglai，Han Yi，et al. Design and implementation of driving control circuit of a SAW electronic cigarette atomization chip[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(3)：113-117.
0 引言
近年來，在全球控煙形式和公眾健康輿論的雙重壓力下，傳統卷煙的發展受到越來越多的制約，電子煙作為一類極具發展潛力的非燃燒性卷煙替代品，在世界范圍內掀起了產品研發、危害研究、市場拓展及健康消費的熱潮[1-2]。
目前，國內外市售主流的電子煙一般采用電熱式霧化。該方式基于熱傳導原理，通過氣流傳感器、機械按鍵或觸控按鍵等激發電子煙工作，導通電路給金屬發熱絲或陶瓷發熱片等供電，加熱煙油霧化產生氣溶膠[3-4]。盡管電熱式霧化方式導熱速率快、霧化效率高，但卻普遍存在如下問題[5-9]：霧化技術核心專利由帝國煙草公司掌控，具有較大知識產權侵權風險；電子煙連續抽吸過程中，發熱組件持續升溫可高達500～600 ℃，存在潛在安全風險的同時，煙油高溫熱解會釋放醛類等有害成分，健康隱患大；屬于接觸式霧化，煙油容易在發熱組件表面燒結粘附并產生積碳，進而熱解釋放CO等有害成分、發出焦糊味或引起發熱組件阻值發生變化；此外，煙油與發熱組件長期接觸，重金屬會浸出并轉移至氣溶膠。為了改善或解決電熱式霧化方式存在的技術缺陷，許多新型的電子煙霧化方式相繼被提出，如超聲波霧化[10]、電磁感應霧化[11]、聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)霧化[12]、磁懸浮離心霧化[13]、光子霧化[14]等。在前述的這些霧化方式中，SAW霧化憑借能量定向集中、驅動功率低、激勵頻率高、發熱量小等特點[15-16]，為能連續穩定地產生有害物質釋放量少、粒徑小且分布均勻的氣溶膠提供了新思路，其在電子煙煙油霧化領域應用前景十分廣闊。然而，值得一提的是，SAW霧化芯片的激勵頻率高達兆赫茲級及以上，屬于高頻射頻信號范疇，驅動控制電路的集成化、小型便攜化研發是一大挑戰。此外，鑒于驅動功率對煙霧量、激勵頻率對氣溶膠粒徑的直接影響，擬開發的驅動控制電路還應具備功率及頻率調節功能。
本文基于SAW技術實現電子煙煙油霧化的應用，將AT89S52單片機、AD9851高頻信號發生電路、七階橢圓低通濾波電路、兩級級聯電壓信號放大電路等有效集成，設計并實現了一款輸出頻率和功率范圍分別從0~65 MHz和0~4.5 W連續可調、信號輸出穩定可靠、結構緊湊、體積小巧的驅動控制電路。該電路的成功研制，為推進SAW霧化技術應用并引領電子煙創新發展提供了重要技術支撐。
1 電路設計
1.1 需求分析
SAW霧化型電子煙的基本結構如圖1所示，主要包括驅動控制電路和霧化芯片兩部分。驅動控制電路主要用于給霧化芯片施以高頻交流電信號，霧化芯片的作用是將煙油霧化成氣溶膠，芯片由壓電基底和叉指換能器組成，換能器一側的壓電基底表面上分散有煙油，另一側涂有吸聲膠以消除反射波影響。對電子煙的工作過程描述如下：啟動驅動控制電路，霧化芯片通過信號接口加載高頻交流電信號并傳遞給叉指換能器，換能器利用壓電基底自身的逆壓電效應，將電信號轉變為聲信號，形成沿壓電基底表面傳播的SAW。當SAW與置于壓電基底上的煙油相接觸時，SAW攜帶的能量會以漏聲表面波的形式以特定角度衍射進入煙油，并使其自由表面產生強烈擾動。當煙油自身的表面張力不足以保持其幾何形態的穩定時，便可產生氣溶膠。顯然，驅動控制電路是確保霧化芯片正常工作以連續穩定產生氣溶膠的前提。此外，考慮到電子煙是一種手持式設備，且驅動功率和激勵頻率分別與煙霧量和氣溶膠粒徑密切相關，因此開發出一款尺寸小巧、滿足驅動功率需求且功率和頻率可調的高頻驅動控制電路是SAW技術在電子煙霧化領域得到成功應用的關鍵。
1.2 電路方案
由上述分析可知，擬開發的SAW霧化芯片配套驅動控制電路除能連續穩定地輸出高頻正弦波交流電信號外，還應滿足小尺寸以及功率、頻率可調的需求。圖2是驅動控制電路的結構框圖，電路主要由單片機控制模塊、信號發生模塊、信號處理模塊、人機交互模塊和電源模塊組成。其中，單片機控制模塊作為整個系統的控制單元，完成各模塊之間的數據管理與信號傳輸；信號發生模塊用于產生目標高頻正弦交流電信號；信號處理模塊的作用是實現信號濾波與信號放大；人機交互模塊用于根據用戶實際抽吸需求，進行功率、頻率設定，以及信息顯示；電源模塊為各模塊電路提供電力支持。
2 電路實現
2.1 硬件部分
2.1.1 單片機控制及人機交互電路
單片機是整個驅動控制電路的核心，一方面需要實時監測鍵盤輸入，接收并讀取外部信號，實現信號傳輸并控制AD9851完成相應功能設置，另一方面需要讀取整個電路的數據并與LCD通信向用戶展示信息。選用TPFQ型AT89S52單片機，端口連線圖見圖3。P0為8位漏極開路雙向I/O口，每位能驅動8個TTL邏輯電平，P1、P2、P3均為具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平[17]。串行輸入RXD和串行輸出TXD與外部CH340T連接用于下載程序，P3.2~P3.6分別與一個獨立按鍵連接，供用戶調節并設置目標激勵頻率，XTAL1和XTAL2用于產生內部時鐘，RST外接一個按鍵用于實現芯片手動復位，P2.3~P2.7與Nokia 5110 LCD連接用于傳輸系統數據并進行顯示，P0及P1為單片機與AD9851之間的數據傳輸與通信接口，具體連接方式詳見AD9851高頻信號發生電路部分。
2.1.2 AD9851高頻信號發生電路
AD9851由數據輸入寄存器、頻率/相位寄存器、直接數字頻率合成DDS芯片和內部高速比較器等組成，其中DDS芯片內部集成有32位相位累加器、正弦函數功能查找表、10位D/A轉換器、6倍頻參考時鐘倍乘器等。DDS芯片利用數字方式累加相位，再以相位之和作為地址來查詢正弦函數功能表得出正弦波幅度的離散數字序列，最后經D/A轉換后輸出模擬正弦波交流電信號。高速DDS芯片的時鐘頻率可達180 MHz，輸出頻率可達70 MHz，分辨率為0.04 Hz[18]。AD9851有串行和并行兩種通信方式，為充分發揮芯片的高速性能，特選用并行方式，相應端口連接圖如圖4所示，將AD9851的D0~D7與單片機的P1.0~P1.7直接相連實現數據傳輸，FQ_UD端和W_CLK端分別與單片機的P2.1和P2.2相連實現控制信號傳輸，RESET端與單片機的P2.0連接實現芯片復位功能，REFCLOCK端與30 MHz有源晶振連接獲取參考時鐘輸入信號，IOUT端輸出待處理的正弦波交流電信號。
2.1.3 低通濾波電路
經過AD9851信號發生電路輸出的正弦波交流電信號很不穩定、噪聲偏大，并且有階梯狀鋸齒[19]，不是標準的正弦波信號，因此需要在后級增加低通濾波電路，用以去除基頻外的雜波分量，有效抑制諧波和雜散，獲得穩定的、噪聲盡量小的目標正弦波交流電信號。圖5為七階橢圓低通濾波電路，電路的截止頻率可達70 MHz，運用反歸一化方法可根據用戶需求計算出相應電學參數以便選擇相應的電子元器件。頻率標定系數為FSF=f0/f1，其中f0為正弦波頻率，f1為濾波電路-3 dB截止頻率。
2.1.4 功率放大電路
AD9851直接合成的正弦波頻率信號幅值較小、驅動能力弱，不足以滿足后續負載的驅動需求，同時電路的最大輸出頻率高達70 MHz，一般的運算放大器頻擺已不能滿足要求[20]，進而輸出波形會嚴重失真，為此進行兩級級聯電壓信號放大處理，功率放大電路如圖6所示。第一級采用高動態范圍的AG603-89通用緩沖射頻放大器，在高頻時信號增益高且輸出電流低；第二級采用三菱場效應高頻管RD06HVF，電位器R31用于設置放大電路的靜態工作點。
2.2 軟件部分
軟件主要是對單片機的各端口進行設置，以控制與其連接的各外圍電路，進而實現相應功能。開始上電時，所有電路及芯片進行初始化，LCD顯示兩行字符，分別為“Welcome to HIT”和“000 000 000 Hz”，隨即等待用戶進行頻率設置。單片機實時監測掃描按鍵輸入端口，當有按鍵動作時，即表示設置頻率發生變化。一方面，單片機將按鍵對應的操作傳輸給液晶顯示屏，向用戶實時顯示當前操作和設置頻率值；另一方面，單片機將設置對應的控制字并傳輸給AD9851，AD9851 射頻電路將根據單片機輸入控制字輸出對應頻率的正弦波交流電信號，整個軟件控制流程如圖7所示。
3 測試與結果分析
3.1 測試系統
高頻SAW霧化芯片驅動控制電路產生的信號通過Tektronix DPO 3204B數字示波器和Diamond SX-200功率計進行測試，測試系統如圖8所示。供電端選用電壓額定值為12 V(實測值為11.65 V)、電池容量為28 000 mA的可充電電池。驅動控制電路的正面及側面實物圖見圖9，主要包括3層，最上層為液晶顯示電路，為用戶直觀顯示電路輸出頻率數據；中間層為主控制層，其上集成有單片機控制電路、AD9851高頻信號發生電路及外圍按鍵控制電路等，用于設置并產生預定頻率的正弦波交流電信號；最下層為信號處理層，用于濾出噪聲干擾信號，并對有用信號進行放大處理。此外，為了防止電路在工作過程中因過熱而損壞，在底部增設了一層散熱片，以確保電路工作狀態良好。
3.2 測試結果
根據如圖8中搭建的測試系統，對高頻SAW霧化芯片驅動控制電路在不同頻率下的工作狀態進行測試，主要記錄預定頻率、實際輸出頻率、輸出電壓峰峰值和有效值，實驗測試結果如表1所示。由表中數據可以看出，驅動控制電路在0~65 MHz范圍內能有效輸出預定的大功率信號，頻率誤差平均只有百分之零點幾，精度相對較高，但當頻率接近或大于70 MHz時，信號失真嚴重。此外，通過旋鈕式功率控制電位器實現輸出功率調節，并對不同頻率下控制電路的驅動能力進行測試。結果表明，在有效激勵頻率范圍內，控制電路均能穩定工作，且可實現0~4.5 W的任意功率輸出，而SAW芯片實現煙油霧化一般僅需2.5 W左右的正弦交流電信號，因此控制電路完全能滿足霧化驅動需求。
4 結論
本文基于SAW電子煙霧化芯片驅動需求，研發了一款輸出頻率范圍為0~65 MHz、輸出功率范圍為0~4.5 W、全范圍可調的小型便攜式驅動控制電路。電路主要由AT89S52單片機控制模塊、AD9851高頻信號發生模塊、七階橢圓低通濾波模塊、兩級級聯電壓信號放大模塊、Nokia 5110 LCD與按鍵組成的人機交互模塊組成。該控制電路具有信號輸出穩定可靠、寬頻調節且誤差小、負載驅動能力強等優點，不僅可用于電子煙煙油霧化驅動，也可作為滿足類似需求的其他SAW微流體霧化的驅動源。
參考文獻
[1] NAYIR E，KARACABEY B，KIRCA O，et al.Electronic cigarette(e-cigarette)[J].Journal of Oncological Science，2016，2(1)：16-20.
[2] MYERS M L.Towards more effective FDA premarket review of new tobacco products[J].Tobacco Control，2016，25(3)：243-244.
[3] 朱東來，陳永寬，韓熠，等.電子煙[M].昆明：云南大學出版社，2015.
[4] GRANA R，BENOWITZ N，GLANTZ S A.E-cigarettes：a scientific review[J].Circulation，2014，129(19)：1972-1986.
[5] KONSTANTINOS E，GILLMAN I，STEPHEN S，et al.Analytical assessment of e-cigarettes: From contents to chemical and particle exposure profiles[M].North Carolina：Elsevier，2016.
[6] GUTHERY W.Emissions of toxic carbonyls in an electronic cigarette[J].Beitrae Zur Tabakforschung，2016，27(1)：30-37.
[7] MIKHEEV V B，BRINKMAN M C，GRANVILLE C A，et al.Real-time measurement of electronic cigarette aerosol size distribution and metals content analysis[J].Nicotine & Tobacco Research Official Journal of the Society for Research on Nicotine & Tobacco，2016，18(9)：1895-1902.
[8] SLEIMAN M，LOGUE J M，MONTESINOS V N，et al.Emissions from electronic cigarettes: key parameters affecting the release of harmful chemicals[J].Environmental Science & Technology，2016，50(17)：9644.
[9] ZULKIFLI A，ABIDIN E Z，ABIDIN N Z，et al.Electronic cigarettes: a systematic review of available studies on health risk assessment[J].Rev Environ Health，2018，33(1)：43-52.
[10] 潘雪松，陳健.具有超聲波霧化功能的電子煙及煙液：中國，CN103932404A [P]. 2014.
[11] 黃忠輝，田兆福，陸漓，等.一種基于電磁感應加熱的霧化電子煙：中國，CN105595432A[P]. 2016.
[12] 韓熠，李壽波，孟凡晉，等.一種聲表面波霧化器：中國，CN201610767046.5[P]. 2016.
[13] 韓熠，李壽波，李廷華，等.一種磁懸浮離心霧化電子煙：中國，CN106026780A[P]. 2016.
[14] 陳永寬，吳俊，朱東來，等.一種光子霧化煙：中國，CN106307621A[P]. 2016.
[15] QI A，FRIEND J R，YEO L Y，et al.Miniature inhalation therapy platform using surface acoustic wave microfluidic atomization[J].Lab on A Chip，2009，9(15)：2184-2193.
[16] WANG J，HU H，YE A，et al.Experimental investigation of surface acoustic wave atomization[J].Sensors & Actuators A Physical，2016，238：1-7.
[17] 陳京培.AT89S52單片機實驗系統的開發與應用[D].無錫：江南大學，2007.
[18] 陳京培，徐永梅.基于AT89S52單片機的液晶顯示控制電路設計[J].現代電子技術，2008(22)：22-25.
[19] WILLIAMS A B，TAYLOR F J.電子濾波器設計[M].北京：科學出版社，2008.
[20] 塞爾吉歐.佛朗哥，劉樹棠，朱茂林，等.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計[M].西安：西安交通大學出版社，2009.
作者信息:
李廷華1，朱東來1，韓 熠1，雷芋琳2，李壽波1，張 霞1，鞏效偉1，胡 泓2
(1.云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南 昆明650231；
2.哈爾濱工業大學(深圳)，機電工程與自動化學院，廣東 深圳518055)