论文部分内容阅读
在磁测量领域,磁探针输出的感生电压信号只是磁场强度或磁通量信号的微分量,需要对其进行积分运算才能够获得相应的物理量,积分器便是实现这一转换不可或缺的设备。积分运算的特性决定了积分器的输入误差会随积分时间产生累积,影响积分器的性能,这使得长时间积分器成为磁测量系统的一大设计难点。本文在现有积分器设计方案的基础上,详细分析和推导了引起积分误差的主要因素及它们对积分误差的影响,并指出了两种实现形式各自存在的优缺点。现行的积分器是通过如下方式控制积分误差对积分器性能影响的:首先,构建对称性较好的两只模拟积分器,并使其中一只对零信号进行积分;然后,将该积分输出作为另一只积分器的误差参考,由减法器从其积分结果中扣除;最终,在减法器的输出端获得输入信号的实际积分。
本文从理论推导和具体的实验数据两个方面阐述了这种处理方式的优点和存在的问题,并针对存在的问题提出了相应的解决措施。改善积分器的误差特性是提高模拟积分器性能的主要手段。然而,由分立元件构成的积分器,其个体差异较大,引起积分误差的因素也比较多,很难保证电路的一致性。相比之下,某些集成电路,如电荷平衡式电压频率转换器,其内部集成的、经过校准的微型积分器,在稳定性和参数的确定性方面都具有明显的优势。考虑到这一现实情况,论文利用电荷平衡式电压—频率转换器AD7742完成对输入信号的积分,并由可编程逻辑器件完成微小积分片段的累加,设计了一种集成式的积分器系统,从而克服了分立式积分器因积分溢出而无法实现长时间积分的问题,其积分精度也仅取决于集成电路的性能。该方案可以将积分器设计的重点转移到对集成电路的选取上来,简化积分器的设计步骤,且能够避免模拟积分器复杂的调试过程。另外,AD7742的脉冲输出形式也为信号隔离提供了条件,方案中利用这一特性设计的隔离系统可极大地提高测控设备运行的安全性。论文还详细推导了运用AD7742设计长时间积分器的算法,并表述了积分器具体实现的方法。虽然受器件性能限制,目前该方案还存在输入极性、响应速度等方面的问题,但随着器件发展和工艺水平的提高,这一方案将获得显著的进展,是实现长时间、低漂移积分的一个重要途径。增加误差修正措施是提高积分器性能的另一种有效手段,准确、有效的误差补偿是模拟积分器实现低漂移积分的保障。以DSP为核心,设置数字式的误差修正措施,既可以发挥数字信号在误差数据存储与复现方面的优势,也能够提高误差修正的灵活性和有效性。同时,由于模拟积分器已经实现了信号的积分,数据采集与处理的速度得以降低,也就避免了纯数字积分器成本过高的问题。
本研究在采用数字信号处理技术抑制积分误差的论述中,提出了斩波处理和限制模拟积分器输出范围两种补偿积分误差的算法,并制定了改善数据计算精度的具体措施,以提高积分器的积分精度。为实现长时间积分器,该方案采取了交替积分的方式,同时,针对交替积分面临的问题,详细规划了实现两只模拟积分器积分常数统一、积分结果拼接,以及积分器调试等功能的具体方法,克服了现有积分器在这些方面的不足。台面测试和现场实验的结果证明,这种形式的积分器是EAST实验装置最具性价比的积分器解决方案。随着受控核聚变研究的不断深入,托卡马克实验装置的测控系统也日趋复杂,传统的集中式控制机制己难以胜任装置对控制时效的要求,因此,分布式测控系统既是电子技术发展的方向,也是科学研究不断深入的必然要求。为了满足EAST装置的需求,论文还对积分器的系统化设计作了完整的规划,并列举了需要实现的具体功能。