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磁约束核聚变中微弱信号处理 及电磁兼容研究

磁约束核聚变中微弱信号处理 及电磁兼容研究. 博士生：王 勇 专 业：核能科学与工程 导 师：罗家融 教授. 2009-12-11. 内容提要. 绪论 微弱电流放大器设计 长时间积分器设计 高压和高速线性隔离器设计 电磁兼容设计 总结与展望. 课题的提出. 磁约束核聚变实验中的很多物理参数是通过各种各样的探测器获得的，信号一般都很微弱，很容易受到干扰，必须针对不同的微弱信号采取合适的处理技术，提高信噪比。

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磁约束核聚变中微弱信号处理 及电磁兼容研究

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  1. 磁约束核聚变中微弱信号处理及电磁兼容研究 博士生：王 勇 专 业：核能科学与工程 导 师：罗家融 教授 2009-12-11

  2. 内容提要 • 绪论 • 微弱电流放大器设计 • 长时间积分器设计 • 高压和高速线性隔离器设计 • 电磁兼容设计 • 总结与展望

  3. 课题的提出 • 磁约束核聚变实验中的很多物理参数是通过各种各样的探测器获得的，信号一般都很微弱，很容易受到干扰，必须针对不同的微弱信号采取合适的处理技术，提高信噪比。 • 软X射线成像系统是研究高温等离子体重要手段之一。测量用的光电管阵列得到的电流信号在uA量级，而带宽在300KHz左右，这对电流电压转换提出了较高的要求。 • 积分器是将探针获得的微分量还原的必要设备。而长时间积分，误差会越来越大，目标是实现长时间低漂移积分。 • 托卡马克实验中有的地方存在高压，大电流，电磁干扰（EMI）严重，需要特别注意电磁兼容（EMC）。 绪论

  4. 论文创新点 • 给出了电流放大器噪声的详细分析，提出了电流放大器带宽的测量方法 • 提出了可变积分时间常数的方法，结合实时扣除积分线性漂移的方法，能够有效地抑制积分漂移；利用脉冲信号标定积分时间常数，极大地提高了标定的效率 • 给出了VFC和FVC详细的公式分析，对具体设计具有指导意义 绪论

  5. 光电二极管 Φ为光通量，S为光电灵敏度 光电二极管的等效电路 微弱电流放大器

  6. 电阻取样电流放大器 微弱电流放大器

  7. 跨阻型电流放大器 2009-12-11 微弱电流放大器 7

  8. 差分电流放大器 仪表结构的差分电流放大器 微弱电流放大器

  9. 差分电流放大器 2009-12-11 微弱电流放大器 9

  10. 跨阻电流放大器的稳定性 2009-12-11 微弱电流放大器 10

  11. 跨阻电流放大器的稳定性 2009-12-11 微弱电流放大器 11

  12. 跨阻电流放大器的稳定性 例如： 输出幅度3dB点， 也就是Apn=1.41 ， 那么此时， ζ=0.384 2009-12-11 微弱电流放大器 12

  13. 电流放大器的带宽 • 提高运放的单位增益带宽 • 减小反馈电阻 • 减小总体输入电容 ①选择差模输入电容和共模输入电容较小的运放 ②减小输入连接线的分布电容 ③减小光电管的结电容 微弱电流放大器

  14. 反向偏置电压提高带宽 光伏模式下，无暗电流，线性度较高，噪声较低，适合于精密应用 光导模式下，有暗电流，线性度较差，噪声较高，适用于高速应用 微弱电流放大器

  15. 噪声峰峰值计算方法 x是随机变量，u是平均值，σ是标准差 噪声电压在 -3σ与 +3σ之间的概率为 99.7 % 将噪声信号的峰值估算为±3σ（即 6σ） 微弱电流放大器

  16. 电流放大器噪声 • 运放电压噪声 • 运放电流噪声 • 电阻热噪声 微弱电流放大器

  17. 电流放大器电压噪声 2009-12-11 微弱电流放大器 17

  18. 运放电流噪声和电阻热噪声 等效带宽 电阻热噪声 运放电流噪声 微弱电流放大器

  19. 电流放大器总体噪声 • 选择电压和电流噪声小的运放 • 增大反馈电阻 • 增大补偿电容 微弱电流放大器

  20. 电流放大器方案选择 方案1 方案3 方案2 微弱电流放大器

  21. 器件选择 • 运放：AD8065 • 反馈电阻：200K • 反馈电容：0.5pF • 程控放大：PGA207 • 驱动：EL2001 微弱电流放大器

  22. 电流放大器带宽测试法 微弱电流放大器

  23. 电流放大器带宽测试 微弱电流放大器

  24. 单位增益放大器带宽比较 带宽： 1.7 MHz 带宽： 250KHz 2009-12-11 微弱电流放大器 24

  25. 软X射线现象 清晰的锯齿振荡，软X射线信号经历了缓慢的爬升和快速的崩塌两个阶段，锯齿周期约3ms。爬升段和崩塌前分别有较强的中间振荡和后续振荡，崩塌后有小幅度的后续振荡，振荡周期约150μs。 等离子体中心两侧信号的相位是相反的，由此可以确定锯齿上叠加的振荡模式是奇数模，通过进一步的SVD分解可以判断出是m=1模。 微弱电流放大器

  26. 小结 • 跨阻型电流放大器是适合的方案 • 跨阻型电流放大器噪声分析 • 跨阻型电流放大器带宽的测试方法 • 实地测量到软X射线辐射特有的物理现象 2009-12-11 微弱电流放大器 26

  27. 长时间积分器 等离子体所的积分器核心 自动补偿积分器 交替式积分器 数字积分器 长时间积分器

  28. 模拟积分器分析 长时间积分器

  29. 模拟积分器误差计算 非线性误差 线性误差 令R=10K，C=1uF，RA＝10G， t＝100s ，以高精度OP177为例 长时间积分器

  30. 线性自适应积分器 长时间积分器

  31. 线性自适应积分器测试 0号积分器 1号积分器 长时间积分器

  32. 线性自适应积分器测试 长时间积分器

  33. 积分时间常数可变 20ms积分器1000s积分信号 2ms积分器1000s积分信号 长时间积分器

  34. 差分积分器 输入接信号线时 输入端直接短接时 200ms积分器 8秒时间内积分漂移有近250mV 长时间积分器

  35. 地噪声 8秒漂移量约为250mV，那么Vn=6mV 长时间积分器

  36. 差分积分器 1.8mV输入 经过10s的积分 幅度达到1.7V 2009-12-11 长时间积分器 36

  37. 差分积分器 10ms差分积分器的积分漂移 100s的积分漂移在15mV左右 10ms单端积分器积分漂移 100s的积分漂移将近40mV 2009-12-11 长时间积分器 37

  38. 积分时间常数标定 2009-12-11 长时间积分器 38

  39. 积分时间常数标定 电阻和电感的影响 探针电阻10Ω左右， 电感约为0.11mL， 在频率为50Hz时， 感抗＝2πfL＝31.4mΩ 260ms时间内，积分漂移量为 1.63555 - 1.62502 = 0.01053V = 10.53mV 标准信号积分时间为10ms，那么在这10ms的积分漂移实际只有1mV左右。 这1mV的漂移对于积分值在1.65V的幅度来说，误差极小，<1‰ 2009-12-11 长时间积分器 39

  40. 积分时间常数标定 2009-12-11 长时间积分器 40

  41. 小结 • 扣除积分漂移斜率的方法 • 可变积分时间常数的方法 • 差分积分器 • 积分时间常数标定 2009-12-11 长时间积分器 41

  42. 高压线性隔离器 2009-12-11 高压和高速线性隔离器 42

  43. FVC 全响应 零输入响应 2009-12-11 高压和高速线性隔离器 43

  44. FVC • 建立时间与RC成正比 • 纹波与补偿电容C成反比，与时钟成反比 2009-12-11 高压和高速线性隔离器 44

  45. 高压线性隔离器 （1）噪声：<20mV （2）带宽： 2KHz （3）输入输出：±10V （4）隔离电压：>10000V （5）传输距离：>500m 2009-12-11 高压和高速线性隔离器 45

  46. 高压线性隔离器 光纤链路 ±5V双极性VFC 4阶低通滤波 ±5V双极性FVC 2009-12-11 高压和高速线性隔离器 46

  47. 高压线性隔离器测试 带宽：4KHz 噪声：20mV 实测波形 2009-12-11 高压和高速线性隔离器 47

  48. 高速线性隔离器 2009-12-11 高压和高速线性隔离器 48

  49. 高速线性隔离器 （1）带宽: 1 MHz； （2）噪声: <20 mV （3）增益：1； （4）输出电压峰峰值：±10V （5）线性度误差：<1% 2009-12-11 高压和高速线性隔离器 49

  50. 高速线性隔离器设计 单端转为差分 电流电压转换 差分转为单端 2009-12-11 高压和高速线性隔离器 50

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