一種用于高能粒子加速器的功率源低電平全數(shù)字幅相控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于高能粒子加速器的功率源低電平全數(shù)字幅相控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，它包括信號(hào)的預(yù)處理、信號(hào)的數(shù)字化處理和數(shù)字環(huán)路控制三者之間的協(xié)同作用；所述的信號(hào)預(yù)處理的模擬電路部件包括集成在模擬電路板上的6個(gè)信號(hào)處理通道和1個(gè)時(shí)鐘處理通道，每個(gè)信號(hào)處理通道包括由衰減器、放大器和濾波器，時(shí)鐘處理通道包括由衰減器、放大器、濾波器、倍頻器和分頻器；信號(hào)數(shù)字化處理及數(shù)字環(huán)路控制的數(shù)字電路部件包括集成在數(shù)字電路板上的用于6路信號(hào)采樣的3片A/D、用于信號(hào)再生的1片D/A和用于信號(hào)數(shù)字化處理及環(huán)路控制的1片F(xiàn)PGA。本發(fā)明既可控制超導(dǎo)腔體的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)，又可保持超導(dǎo)腔體驅(qū)動(dòng)能量場(chǎng)的幅度和相位的高度穩(wěn)定性。
【專利說(shuō)明】一種用于高能粒子加速器的功率源低電平全數(shù)字幅相控制 系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高速、高能粒子加速器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種用于高能粒子加速 器的功率源低電平全數(shù)字幅相控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 為進(jìn)一步研究核粒子物理的需要，高速、高能加速器已成為現(xiàn)代粒子物理和原子 核物理研究的重要設(shè)備。該加速器能夠?qū)⑽⒂^的電子、質(zhì)子、重離子或其他粒子加速到擁有 一定的能量，然后將加速的粒子與其他物質(zhì)相作用，如用于粒子對(duì)撞等。研究表明：一方面， 超導(dǎo)腔體的表面阻抗較小，支持腔體內(nèi)場(chǎng)能時(shí)能量損耗小，且具有極高的品質(zhì)因子Q ;腔體 的Q值是腔體能達(dá)到的場(chǎng)能的重要指標(biāo)；Q值越高，腔體能夠支持的加速場(chǎng)能越高。但另一 方面，腔體的Q值越高，腔體的有效帶寬就越窄；腔體的有效帶寬BW與腔體品質(zhì)因子Q的關(guān) 系如下式所示：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于高能粒子加速器的功率源低電平全數(shù)字幅相控制系統(tǒng)，包括由系統(tǒng)內(nèi)的信 號(hào)裝置與系統(tǒng)外的信號(hào)裝置的信號(hào)連接，其中：系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)裝置包括由用于信號(hào)預(yù)處理 的模擬電路部件、信號(hào)數(shù)字化處理及數(shù)字環(huán)路控制的數(shù)字電路部件、主控計(jì)算機(jī)依次信號(hào) 連接，系統(tǒng)外的信號(hào)裝置包括由大功率發(fā)射機(jī)與高能粒子加速器腔體信號(hào)連接，其特征在 于所述的信號(hào)預(yù)處理的模擬電路部件包括集成在模擬電路板（Analog part)上的6個(gè)信號(hào) 處理通道和1個(gè)時(shí)鐘處理通道，每個(gè)信號(hào)處理通道包括由衰減器、放大器和濾波器，時(shí)鐘處 理通道包括由衰減器、放大器、濾波器、倍頻器和分頻器；所述的信號(hào)數(shù)字化處理及數(shù)字環(huán) 路控制的數(shù)字電路部件包括集成在數(shù)字電路板（Digital part)上的用于6路信號(hào)采樣的 3片A/D、用于信號(hào)再生的1片D/A和用于信號(hào)數(shù)字化處理及環(huán)路控制的1片F(xiàn)PGA。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高能粒子加速器的功率源低電平全數(shù)字幅相控制 系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)裝置與系統(tǒng)外的信號(hào)裝置的信號(hào)連接具體包括： (1) 模擬盒XS24接數(shù)字盒CLK ; (2) 模擬盒XS22接模擬盒XS26 ; (3) 模擬盒XS14接數(shù)字盒INl ; (4) 數(shù)字盒outl接模擬盒XS7 ; (5) 模擬盒XSl接時(shí)鐘源信號(hào)； (6) 模擬盒XS8接發(fā)射機(jī)前級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)； (7) 數(shù)字盒IN2接高能粒子加速器腔體信號(hào)； (8) 數(shù)字盒IN3接發(fā)射機(jī)前級(jí)輸出信號(hào)； (9) 數(shù)字盒IM接發(fā)射機(jī)前級(jí)反射信號(hào)； (10) 數(shù)字盒IN5接發(fā)射機(jī)末級(jí)輸出信號(hào)； (11) 數(shù)字盒IN6接發(fā)射機(jī)末級(jí)反射信號(hào)； (12) 模擬盒上的12V電源接12V直流電壓源的+12V ; (13) 模擬盒上的12V地接12V直流電壓源的地； (14) 數(shù)字盒上的D-型接口的D-pinl4/15接5V直流電壓源的+5V ; (15) 數(shù)字盒上的D-型接口的D-pinl2/13接5V直流電壓源的地； (16) 數(shù)字盒上的D-型接口的D-pin8接主控計(jì)算機(jī)串口的RxD ; (17) 數(shù)字盒上的D-型接口的D-pinlO接主控計(jì)算機(jī)串口的TxD ; (18) 數(shù)字盒上的D-型接口的D-pinll接主控計(jì)算機(jī)串口的GND。
3. 基于用于高能粒子加速器的功率源低電平全數(shù)字幅相控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征 在于包括如下具體步驟： 步驟一，信號(hào)預(yù)處理： (1) 由時(shí)鐘信號(hào)源輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬倍頻、分頻獲得參考源信號(hào)、數(shù)字板時(shí)鐘，數(shù)字板 時(shí)鐘供A/D轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)處理器件FPGA的工作使用； (2) 對(duì)各個(gè)需要采樣的信號(hào)進(jìn)行電平幅度變換，設(shè)計(jì)電平放大或者衰減通道，主要完成 輸入信號(hào)和輸出信號(hào)電平的放大或衰減，產(chǎn)生A/D變換和D/A轉(zhuǎn)換、功率源輸入所需的合適 電平，對(duì)162. 5MHz的連續(xù)波參考信號(hào)進(jìn)行頻率變換，產(chǎn)生A/D采樣的130MHz采樣時(shí)鐘信 號(hào)； 步驟二，信號(hào)的數(shù)字化處理： (1) 對(duì)多通道輸入信號(hào)，采用射頻直接采樣、數(shù)字去直流濾波法、數(shù)字下變頻和CORDIC 算法矢量模式來(lái)獲得多通道輸入信號(hào)的幅度和相位，其中：射頻直接采樣的采樣率為：
;數(shù)字去直流濾波法的濾波器傳輸函數(shù)為：H(Z) = 1-f ;以簡(jiǎn) 化的數(shù)字正交變換、利用數(shù)據(jù)之間的正交關(guān)系、使用寄存器延時(shí)和取反的方式，完成數(shù)字正 交變換，獲得正交信號(hào)； (2) 功率源激勵(lì)信號(hào)再生，采用CORDIC算法旋轉(zhuǎn)模式進(jìn)行正交分解和數(shù)字上變頻方法 來(lái)直接數(shù)模轉(zhuǎn)換獲得激勵(lì)信號(hào)，其中：以基于CORDIC算法矢量模式求解信號(hào)的幅度和相位 方法；以信號(hào)數(shù)字上變頻方法來(lái)對(duì)CORDIC算法旋轉(zhuǎn)模式中的輸入z分量進(jìn)行相位調(diào)制，實(shí) 現(xiàn)數(shù)字頻率上變換的功能； 步驟三，數(shù)字環(huán)路控制： 采用開(kāi)/閉環(huán)可切換的工作方式，其中： (1) 在開(kāi)環(huán)時(shí)，不對(duì)腔體信號(hào)進(jìn)行幅度相位補(bǔ)償，將設(shè)置信號(hào)作為控制信號(hào)輸出； (2) 在閉環(huán)時(shí)，采用幅度PI環(huán)路和相位PI環(huán)路雙環(huán)路的控制方式，對(duì)功率源低電平輸 出負(fù)載信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行閉環(huán)控制，通過(guò)調(diào)整功率源低電平激勵(lì)信號(hào)的幅度相位，將 功率源負(fù)載輸出信號(hào)的幅度和相位穩(wěn)定在設(shè)置值上；其中：相位穩(wěn)定精度：±〇.3° ;幅度 穩(wěn)定精度：相對(duì)值〇. 001 ;PI環(huán)路的傳輸函數(shù)為：
調(diào)節(jié)PI環(huán)路的kP和h參數(shù)，能夠?qū)⒎答佇盘?hào)穩(wěn)定到設(shè)置信號(hào)的幅度和相位上，保證有 快速的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)減小靜態(tài)誤差。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于高能粒子加速器的功率源低電平全數(shù)字幅相控制 方法，其特征在于步驟三數(shù)字環(huán)路控制所述的幅度PI環(huán)路和相位PI環(huán)路同時(shí)工作。
【文檔編號(hào)】H03L7/07GK104333375SQ201310541150
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】蔣德富, 高楊 申請(qǐng)人:河海大學(xué)