[发明专利]一种用于超导回旋加速器磁场测量的数字积分器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超导回旋加速器磁场测量的数字积分器。属于电子电路技术领域。

背景技术

在采用线圈类方法如：探查线圈、旋转线圈、翻转线圈、罗氏线圈、长线和磁探针等，测量电流、磁场等的过程中，积分器是其输出信号的接收与处理的关键模块。常见的积分器包括模拟、数字和数模相结合三大类：数字积分器采用高速、高精度的ADC进行采样，同时配合多种算法，在高速FPGA或高速DSP等处理器中进行数值计算。其硬件与软件成本较高，且高速、高精度ADC存在国外对国内禁运等条件限制。相比之下，模拟积分器由于电路结构简单和成本低廉而得到了广泛的使用，但模拟积分器易受到温度、电容漏电阻等因素的影响，使模拟积分器在使用过程中受到了很多限制。采用数模相结合的积分器，可以既获取数字型积分器精度高的优势，又可以兼顾成本、芯片获取等缺陷，同时克服模拟积分器无法解决电容漏电阻的缺陷。

线路本身的非零点对称性、积分漂移及电容的漏电阻是造成模拟积分器误差的主要因素。虽然已经有大量的学者研究了模拟积分器的漂移，并改善了电容漏电阻的大小，但这些因素并未消除，仅仅只是得到了抑制。在当前测量精度要求日益提高的情况下，传统的模拟积分器已无法满足需求。同时传统模拟积分器都存在积分溢出的隐患，大多数模拟积分电路都加入了输入保护，或输入限制，而这也就限制了积分器的量程，减少了应用范围。

采用数模相结合的积分器大多是通过数字补偿模拟，通过AD采集电压偏移量，再通过DA将电荷补偿到电容上。这种补偿方式的效果较好，但依旧无法完全解决漂移，同时也无法解决电容大小对量程的限制。

发明内容

本发明的目的在于解决由于电容漏电阻而造成积分器存在积分泄漏的问题，通过改进数字模拟型积分器的工作原理，提出了一种数字积分器。

为克服传统模拟积分器存在的零漂及电压不可保持，并满足高精度积分器的要求，本发明的数字积分器采用以下技术方案完成对信号的积分。

首先，使用PGA将线圈(或其他)产生的信号放大到一个合适的值(选取测量精度与测量范围)，配合LEMO传输线，进入积分器。

接着，通过通讯接口发送手动或周期性测量指令(这一步并不改变积分器的通断状态，只是FPGA内部计数清零，以获取相对值)。

当线圈(或其他传感器)产生信号时，电容两端电压值变化，当电容电压达到预设门限值时，FPGA控制电容快速放电到零，此时电容依旧处于积分状态。若信号依旧存在，则电容继续积分。

当线圈不再移动，或达到测量需求时，读取FPGA的值，并通过AD读取电容残压，即可获得积分值。

本发明提供的一种数字积分器，克服了传统模拟积分器的电容泄漏电阻的影响，并克服了模拟积分器存在积分上限的问题。相对其他数字积分器，本发明提供的数字模拟积分器，不需要高速高精度ADC，降低了积分器的成本，同时不受ADC禁运的影响，并达到了相同的效果。

附图说明

图1是本发明数字积分器的系统框图；

图2是数字积分器的数字处理部分方框图；

图3是数字积分器的模拟原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的数字积分器包括：前端放大电路PGA(1)，模拟有源积分线路(2)，窗口比较器电路(3)，快速放电电路(4)，调平衡电路(5)，AD/DA数模变换线路(6)，FPGA数字可编程门电路(7)，50MHz高速晶振与10MHz高精度晶振电路(8)，RS232串口通讯线路(9)。

信号首先进入前端放大电路PGA(1)；前端放大电路PGA(1)的输出信号进入模拟有源积分线路(2)；调平衡电路(5)及快速放电电路(4)的输出端接入模拟有源积分线路(2)；窗口比较器电路(3)接在模拟有源积分线路(2)的输出端，判断电容两端电压值是否在限定之内；窗口比较器电路(3)的输出信号进入FPGA数字可编程门电路(7)；FPGA数字可编程门电路(7)控制快速放电电路(4)；50MHz高速晶振与10MHz高精度晶振电路(8)，及RS232串口通讯线路(9)连接FPGA数字可编程门电路(7)；AD/DA数模变换线路(6)连接FPGA数字可编程门电路(7)，并连接模拟有源积分线路(2)，DA的输出作为调平衡电路(5)的输入。

前端放大电路PGA(1)包含：使用仪用放大器制成的固定增益放大线路，作为第一级放大电路；使用程控可编程放大器制成的可变增益放大线路，作为第二级放大电路，通过FPGA数字可编程门电路(7)可以调节放大倍数。