长时间低漂移模拟积分器的研究

i东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日ii东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日iii长时间低漂移模拟积分器的研究摘要随着磁约束核聚变研究和工程技术的发展，目前超导托卡马克已经实现了长达上百秒的稳定运行。在长脉冲以及将来准稳态运行的先进托卡马克实验研究中对测量和控制信号的可靠稳定采集和处理，是当今先进托卡马克数据采集和控制研究中的重要问题。积分器作为托卡马克装置最为基本的信号处理设备，随着装置放电时间的增长，如何实现信号的低漂移长时间可靠积分，对积分器技术研究提出了挑战。本论文主要研究了基于硬件电路实现累加的长时间低漂移积分器的设计与实现。在对积分器实现的形式和误差等方面进行了深入调研和分析的基础上，针对交替过程中以往累加器存在的数据保持问题，设计了具有保持和累加功能的累加器。累加器利用电容对信号进行采样和保持，使用同相加法器实现累加，最终实现积分器的长时间积分。实验结果表明累加器具有很好的保持效果，长时间工作性能良好，可以满足托卡马克装置放电实验中诊断信号的测量需要。关键词：积分器；累加器；长时间；低漂移ivALOW-DRIFTLONGTIMEANALOGINTERGRATORRESEARCHABSTRACTWiththedevelopmentofmagneticconfinementfusionresearchandengineeringtechnology,superconductingTokamakhasachievedthestablemotionforhundredsofsecondsnow.Thecontrolsignalsacquisitionandprocessingareimportantintheadvancedtokamakresearchunderthelongpulseandquasi-stablestate.TheintegratoristhebasicsignalhandlingequipmentinTokamak.Itisachallengetothelongtimelow-driftintegratorwithincreasinglylongelectricdischargetime.Thedesignandrealizationoflongtimelow-driftintegratorwithaccumulatorwhichisbasedonanalogdesignisstudiedinthispaperinordertosolvingtheproblemsofdataretentioninthecourseofthealternate.Throughanin-depthstudyoftheformsanderror-analysisofintegrator,anaccumulatorwithsignalholdingandaccumulatingfunctionisdesigned.TheaccumulatorcanRealizesignalholdingbycapacitorandachievetheaccumulatingbynoninvertinginputadder,thentheintegratorwillcomplythelongtimeintegration.Experimentresultsprovethattheaccumulatorisgoodatsignalholdingandefficientafterlongworkinghours,sotheaccumulatorcanmeettheneedofmeasurementsignalinTokamakdischargeexperiment.KEYWORDS:integrator;accumulator;long-time;low-driftv目录第一章引言.........................................................11.1课题背景....................................................11.2积分功能的实现形式及存在的主要问题...........................11.3国内外长时间积分器研究的现状.................................21.4论文的主要工作..............................................5第二章积分器的原理与分析............................................72.1基本模拟积分电路............................................72.2模拟积分电路方程及运算......................................82.3模拟积分误差分析...........................................102.4数字积分器原理.............................................132.5数字积分误差分析...........................................142.6模拟数字技术结合的积分器....................................14第三章累加器的设计.................................................163.1累加器的原理................................................163.2累加器的设计................................................183.3器件的选择与性能测试.......................................203.4逻辑控制...................................................243.5累加器性能测试..............................................263.6小结.......................................................29第四章积分器性能测试..............................................314.1积分器的设计................................................314.2积分器性能测试..............................................324.3使用累加器后积分器的性能测试................................334.4误差分析...................................................35第五章全文总结....................................................365.1结论........................................................365.2展望........................................................36参考文献...........................................................38附录...............................................................421第一章引言1.1课题背景核聚变研究是当代自然科学中一项具有重大意义的前沿课题，其目的在于通过对核聚变反应的控制从而使聚变产生的巨大能量为人类和平使用，是人类通过高技术手段利用新能源的一种方式。受控核聚变的研究与实现将对世界发展和人类进步产生巨大的贡献。在磁约束核聚变研究领域里，托卡马克被认为是最有可能实现受控核聚变的装置之一[1],自上世纪50年代以来经过半世纪全世界众多杰出科学家的不懈努力和研究，物理和工程技术上均得到了不断发展和完善。国内的聚变研究近年来取得了巨大的成就，2006年10月中国科学院等离子体所在世界上首次成功研制和运行了全超导托卡马克实验装置-EAST,标志着我国聚变研究进入了世界先进水平。最近几轮实验中，EAST获得了上百秒的稳定运行，并成功地实现了H－mode,为未来稳态运行的先进托卡马克核聚变研究提供重要的物理和工程技术研究基础。在托卡马克装置中，对高温等离子体态反应物质需要各种位形磁场的约束和平衡，而磁位形只能通过磁感应方式进行间接测量。根据电磁理论，分布在磁场周围的磁探针输出的感生电压信号，只是待测物理量磁场强度或磁通量的微分量，要得到相应的B或φ信号（B是场强信号，φ为磁通量信号）用于等离子体诊断或反馈控制,例如计算等离子体电流信号、控制等离子体位移和形状等，就必需对相应的感生电压信号进行积分，积分器便是完成这一积分运算不可或缺的设备。1.2积分功能的实现形式及存在的主要问题实现积分功能可以通过软件编程或者硬件电路的方式实现[2],如果采用数字积分的方法，需要经AD转换把模拟信号转换为数字信号，经数字积分计算得出积分结果，最后再经DA转换器转换为模拟信号输送到等离子体控制系统。由于量化误差，所以数字积分，存在着无法避免的零点问题，并且随着时间的推移，误差将越来越大,所以数字积分较难满足托克马克受控聚变研究的实验需要的。现在国内外各个托克马克装置，积分器主要采用硬件电路实现。采用硬件方式实现积分功能有很多形式，若按实现的元器件的不同，可分为RC无源积分器、模拟积分器、数字积分器、模拟技术和数字技术相结合的混合积分器；若按实现2方案的不同，可分为补偿型积分器、交替式积分器、基于数字信号处理器的积分器和基于电压频率转换器－计数器和数字信号处理器构建的数字积分器。1.3国内外长时间积分器研究的现状为了减小积分器的积分误差,目前各国的托卡马克装置采用了不同的方法设计积分器，主要有以下几种：（1）模拟积分器，其漂移补偿采用了ADC-register－DAC；（2）交替式的积分器；（3）基于DSP（数字信号处理器）和高速ADC(模数转换器)的模拟数字相结合的积分器；（4）采用三组VFC－UDC（电压频率转换器－计数器）模块和DSP（数字信号处理器）构建的数字积分器。各种方案都有其特点，在一定时间范围内，都可降低积分器的误差，但又存在各自的局限性。下面对这几种积分器的实现方式进行详细的描述，并在此基础上分析其优缺点。1.3.1补偿型积分器[4][5]图1-1KSTAR使用的模拟积分器韩国的KSTAR装置采用ADC-register－DAC（模数转换器－寄存器－数模转换器）模块对积分器进行补偿，其功能示意图如图1-1所示。积分器工作在两种状态：放大器状态和积分器状态。在放大