一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制輸出卡，包括低通濾波器、信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的模擬信號(hào)區(qū)域，中央控制器、高速光電轉(zhuǎn)換器、高速電光轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字信號(hào)區(qū)域，總線供電電源構(gòu)成的系統(tǒng)供電區(qū)域，模擬信號(hào)區(qū)域與數(shù)字信號(hào)區(qū)域通過數(shù)字信號(hào)隔離器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，系統(tǒng)供電區(qū)域與模擬信號(hào)區(qū)域、數(shù)字信號(hào)區(qū)域分別單獨(dú)通過DC/DC隔離電源電氣隔離。本發(fā)明可以解決加速器裝置上模擬信號(hào)的高速傳輸與遠(yuǎn)程控制問題，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程和本地可靠控制，應(yīng)用靈活，亦可廣泛應(yīng)用于其他需要模擬信號(hào)隔離要求較高的控制應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利說明】
一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及聚變裝置高壓隔離領(lǐng)域，具體是一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]在能源需求日益加劇的今天，核聚變作為一種清潔能源越來越受到廣泛關(guān)注。中性束注入器是磁約束核聚變裝置的重要加熱手段之一。在中性束注入器系統(tǒng)中的高電壓加速系統(tǒng)給中性束注入控制系統(tǒng)間的信號(hào)傳輸帶來了挑戰(zhàn)。模擬量傳輸系統(tǒng)間的電氣隔離和高速傳輸是控制系統(tǒng)中安全可靠運(yùn)行的重要技術(shù)手段，在核聚變裝置的控制系統(tǒng)中更是如此。
[0003]在核聚變裝置的重要的輔助加熱系統(tǒng)中性束注入器需要各種模擬量信號(hào)的傳輸和變換。在實(shí)際的中性束注入器控制系統(tǒng)中模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)一般是分開處理和控制的。模擬信號(hào)一般用來控制執(zhí)行器的幅值控制，設(shè)定報(bào)警閾值等;數(shù)字信號(hào)一般用來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)時(shí)序的控制和邏輯控制。當(dāng)前中性束注入器系統(tǒng)中應(yīng)用的較多的是基于V/F和F/V的模擬信號(hào)隔離技術(shù)。其系統(tǒng)帶寬和精度偏低，不利于控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)的響應(yīng)和提高系統(tǒng)的可靠性。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的是提供一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，以解決現(xiàn)有技術(shù)核聚變裝置中模擬信號(hào)隔離技術(shù)不利于控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)的響應(yīng)和提高系統(tǒng)的可靠性的問題。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，其特征在于:包括模擬信號(hào)區(qū)域、數(shù)字信號(hào)區(qū)域、系統(tǒng)供電區(qū)域，其中:模擬信號(hào)區(qū)域由低通濾波器、信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，低通濾波器的輸入端引入模擬信號(hào)，低通濾波器的輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊輸入端連接，信號(hào)調(diào)理模塊輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端連接；數(shù)字信號(hào)區(qū)域由中央控制器、高速光電轉(zhuǎn)換器、高速電光轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，所述高速光電轉(zhuǎn)換器輸入端引入光信號(hào)，高速光電轉(zhuǎn)換器輸出端與中央控制器連接，所述高速電光轉(zhuǎn)換器輸入端與中央控制器連接，高速電光轉(zhuǎn)換器輸出端輸出光信號(hào)，所述中央控制器通過一個(gè)數(shù)字信號(hào)隔離器與模擬信號(hào)區(qū)域中模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端連接，由數(shù)字信號(hào)隔離器電氣隔離模擬信號(hào)區(qū)域和數(shù)字信號(hào)區(qū)域；系統(tǒng)供電區(qū)域由總線供電電源構(gòu)成，總線供電電源通過一個(gè)DC/DC隔離電源分別供電至模擬信號(hào)區(qū)域中的低通濾波器、信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由該DC/DC隔離電源電氣隔離模擬信號(hào)區(qū)域和系統(tǒng)供電區(qū)域，總線供電電源還通過第二個(gè)DC/DC隔離電源分別供電至數(shù)字信號(hào)區(qū)域中的中央控制器、高速光電轉(zhuǎn)換器、高速電光轉(zhuǎn)換器，由第二個(gè)DC/DC隔離電源電氣隔離數(shù)字信號(hào)區(qū)域和系統(tǒng)供電區(qū)域。
[0006]所述的一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，其特征在于:所述的低通濾波器將輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行低通濾波，保留系統(tǒng)所需的低頻模擬信號(hào);所述的信號(hào)調(diào)理模塊將濾波后得到低頻模擬信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，以滿足系統(tǒng)的帶寬。
[0007]所述的一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，其特征在于:所述的數(shù)字信號(hào)隔離器將模數(shù)轉(zhuǎn)換器和中央控制器間的信號(hào)進(jìn)行隔離，提高系統(tǒng)可靠性，并實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)區(qū)域和數(shù)字信號(hào)區(qū)域電氣隔離。
[0008]所述的一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，其特征在于:所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器根據(jù)中央控制器的控制命令將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并經(jīng)數(shù)字隔離器傳送給中央控制器。
[0009]所述的一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，其特征在于:所述的中央控制器將高速光電轉(zhuǎn)換器傳送的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制命令和時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)傳入的控制命令控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)根據(jù)輸入的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)傳送給高速電光轉(zhuǎn)換器。
[0010]所述的一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，其特征在于:所述的高速光電轉(zhuǎn)換器將輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給中央控制器;所述的高速電光轉(zhuǎn)換器將中央處理器輸出的轉(zhuǎn)換為光信號(hào)耦合到光纖中輸出。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)為。
[0011]本發(fā)明中性束注入器高速模擬信號(hào)連鎖保護(hù)控制器對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行處理， 根據(jù)設(shè)定的保護(hù)閾值和控制邏輯進(jìn)行系統(tǒng)連鎖保護(hù)，滿足了實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)的安全保護(hù)要求。
[0012]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種用于中性束注入器系統(tǒng)的高速模擬信號(hào)輸入光調(diào)制輸出卡。本發(fā)明中的中央處理器接收高速光電轉(zhuǎn)換器接收的控制命令和時(shí)鐘信號(hào)，通過執(zhí)行控制命令控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速數(shù)字信號(hào)；中處理器根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)對(duì)輸入的高速數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并通過高速電光轉(zhuǎn)換器輸出光信號(hào)。本發(fā)明不僅可以解決聚變裝置上存在高壓設(shè)備和低壓設(shè)備間模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的高速傳輸，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的幅值設(shè)置和報(bào)警閾值設(shè)定，應(yīng)用靈活，亦可廣泛應(yīng)用于其他需要高速模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域?！靖綀D說明】[〇〇13]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理框圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0014]如圖1所示，一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，包括模擬信號(hào)區(qū)域A、數(shù)字信號(hào)區(qū)域B、系統(tǒng)供電區(qū)域C，其中:模擬信號(hào)區(qū)域A由低通濾波器1、信號(hào)調(diào)理模塊2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器3構(gòu)成，低通濾波器1的輸入端引入模擬信號(hào)，低通濾波器1的輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊2輸入端連接，信號(hào)調(diào)理模塊2輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器3輸入端連接；數(shù)字信號(hào)區(qū)域B由中央控制器5、高速光電轉(zhuǎn)換器7、高速電光轉(zhuǎn)換器6構(gòu)成，高速光電轉(zhuǎn)換器7輸入端引入光信號(hào)，高速光電轉(zhuǎn)換器7輸出端與中央控制器5連接，高速電光轉(zhuǎn)換器6 輸入端與中央控制器5連接，高速電光轉(zhuǎn)換器6輸出端輸出光信號(hào)，中央控制器5通過一個(gè)數(shù)字信號(hào)隔離器4與模擬信號(hào)區(qū)域A中模數(shù)轉(zhuǎn)換器3輸出端連接，由數(shù)字信號(hào)隔離器4電氣隔離模擬信號(hào)區(qū)域A和數(shù)字信號(hào)區(qū)域B;系統(tǒng)供電區(qū)域C由總線供電電源10構(gòu)成，總線供電電源10通過一個(gè)DC/DC隔離電源8分別供電至模擬信號(hào)區(qū)域A中的低通濾波器1、信號(hào)調(diào)理模塊2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器3,由該DC/DC隔離電源8電氣隔離模擬信號(hào)區(qū)域A和系統(tǒng)供電區(qū)域C，總線供電電源10還通過第二個(gè)DC/DC隔離電源9分別供電至數(shù)字信號(hào)區(qū)域B中的中央控制器5、高速光電轉(zhuǎn)換器7、高速電光轉(zhuǎn)換器6， 由第二個(gè)DC/DC隔離電源9電氣隔離數(shù)字信號(hào)區(qū)域B和系統(tǒng)供電區(qū)域C。
[0015]本發(fā)明中性束注入器系統(tǒng)的高速模擬信號(hào)輸入光調(diào)制輸出卡包括低通濾波器1、 信號(hào)調(diào)理模塊2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器3、數(shù)字信號(hào)隔離器4、中央控制器5、高速光電轉(zhuǎn)換器6、高速電光轉(zhuǎn)換器7、DC/DC隔離電源8、DC/DC隔離電源9和總線供電電源10組成，完成將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)輸出的功能，其連接如圖1所示。[〇〇16]低通濾波器首先將高速輸入的模擬信號(hào)經(jīng)過LM6152組成的4階有源低通濾波器進(jìn)行濾波和放大輸出到信號(hào)調(diào)理模塊。[〇〇17]信號(hào)調(diào)理模塊首先由RC阻容濾波進(jìn)行再次波形過濾，經(jīng)單端到差分運(yùn)放轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，差分信號(hào)經(jīng)過可編程增益調(diào)節(jié)芯片調(diào)節(jié)差分信號(hào)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)幅值范圍。 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS5562將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。[〇〇18]轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)由IS07421實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信號(hào)隔離器傳輸?shù)街醒肟刂破?，?shí)現(xiàn)中央控制器和模擬信號(hào)的電氣隔離。
[0019]高速光電轉(zhuǎn)換器將輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制命令和時(shí)序信號(hào)，對(duì)整個(gè)中性束注入系統(tǒng)的高速模擬信號(hào)輸入光調(diào)制卡進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。
[0020]中央控制器由FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，按照高速光電轉(zhuǎn)換器輸入的控制命令控制和時(shí)序信號(hào)發(fā)出對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和高速電光轉(zhuǎn)換器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。中央控制器對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制命令和配置參數(shù)經(jīng)過數(shù)字信號(hào)隔離器進(jìn)行隔離，并將來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器的經(jīng)隔離后的數(shù)字信號(hào)根據(jù)控制命令進(jìn)行處理和調(diào)制，調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)輸出到高速電光轉(zhuǎn)換器。
[0021]調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過高速電光轉(zhuǎn)換器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和電光轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的光信號(hào)耦合到光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。[〇〇22] DC/DC隔離電源由兩塊MIW10-12D15實(shí)現(xiàn)，兩塊隔離電源模塊分別為模擬信號(hào)區(qū)域和數(shù)字信號(hào)區(qū)域供電。DC/DC隔離電源實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)區(qū)域、數(shù)字信號(hào)區(qū)域和系統(tǒng)供電區(qū)域的三方電氣隔離。
[0023]總線供電電源由總線接口連接器和電源濾波器組成，實(shí)現(xiàn)將總線的電源傳輸給 DC/DC隔離電源的功能。
[0024]以上所述僅為發(fā)明專利較佳的【具體實(shí)施方式】與具有代表性的【具體實(shí)施方式】，同時(shí)所述的高速模擬信號(hào)輸入光信號(hào)輸出模塊的結(jié)構(gòu)也僅是有代表性的結(jié)構(gòu);但本發(fā)明專利的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明專利揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)該涵蓋在本發(fā)明專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，其特征在于:包括模擬信號(hào) 區(qū)域、數(shù)字信號(hào)區(qū)域、系統(tǒng)供電區(qū)域，其中:模擬信號(hào)區(qū)域由低通濾波器、信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，低通濾波器的輸入端引 入模擬信號(hào)，低通濾波器的輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊輸入端連接，信號(hào)調(diào)理模塊輸出端與模 數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端連接；數(shù)字信號(hào)區(qū)域由中央控制器、高速光電轉(zhuǎn)換器、高速電光轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，所述高速光電轉(zhuǎn) 換器輸入端引入光信號(hào)，高速光電轉(zhuǎn)換器輸出端與中央控制器連接，所述高速電光轉(zhuǎn)換器 輸入端與中央控制器連接，高速電光轉(zhuǎn)換器輸出端輸出光信號(hào)，所述中央控制器通過一個(gè) 數(shù)字信號(hào)隔離器與模擬信號(hào)區(qū)域中模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端連接，由數(shù)字信號(hào)隔離器電氣隔離模 擬信號(hào)區(qū)域和數(shù)字信號(hào)區(qū)域；系統(tǒng)供電區(qū)域由總線供電電源構(gòu)成，總線供電電源通過一個(gè)DC/DC隔離電源分別供電 至模擬信號(hào)區(qū)域中的低通濾波器、信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由該DC/DC隔離電源電氣隔 離模擬信號(hào)區(qū)域和系統(tǒng)供電區(qū)域，總線供電電源還通過第二個(gè)DC/DC隔離電源分別供電至 數(shù)字信號(hào)區(qū)域中的中央控制器、高速光電轉(zhuǎn)換器、高速電光轉(zhuǎn)換器，由第二個(gè)DC/DC隔離電 源電氣隔離數(shù)字信號(hào)區(qū)域和系統(tǒng)供電區(qū)域。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，其特 征在于:所述的低通濾波器將輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行低通濾波，保留系統(tǒng)所需的低頻模擬信 號(hào);所述的信號(hào)調(diào)理模塊將濾波后得到低頻模擬信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，以滿足系統(tǒng)的帶寬。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，其特 征在于:所述的數(shù)字信號(hào)隔離器將模數(shù)轉(zhuǎn)換器和中央控制器間的信號(hào)進(jìn)行隔離，提高系統(tǒng) 可靠性，并實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)區(qū)域和數(shù)字信號(hào)區(qū)域電氣隔離。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，其特 征在于:所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器根據(jù)中央控制器的控制命令將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并經(jīng)數(shù) 字隔離器傳送給中央控制器。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，其特 征在于:所述的中央控制器將高速光電轉(zhuǎn)換器傳送的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制命令和時(shí)鐘信 號(hào)，根據(jù)傳入的控制命令控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)根據(jù)輸 入的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)傳送給高速電光轉(zhuǎn)換器。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于中性束注入系統(tǒng)的高速模擬量輸入光調(diào)制卡，其特 征在于:所述的高速光電轉(zhuǎn)換器將輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給中央控制器;所述 的高速電光轉(zhuǎn)換器將中央處理器輸出的轉(zhuǎn)換為光信號(hào)耦合到光纖中輸出。
【文檔編號(hào)】G05B19/042GK105955096SQ201610143956
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年3月14日
【發(fā)明人】盛鵬, 胡純棟, 趙遠(yuǎn)哲, 宋士花, 崔慶龍, 楊振漢
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院等離子體物理研究所