林佳本　胡柯良　鄧元勇

摘 要：為了提高太陽磁場(chǎng)的測(cè)量精度，采用新的電路設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了一套可以應(yīng)用于懷柔太陽磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡KD*P電光調(diào)制器的高精度高壓控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用新技術(shù)制造的高壓模塊配合新的高壓調(diào)制電路產(chǎn)生高精度的高壓脈沖信號(hào)，系統(tǒng)輸出的30 Hz高壓方波時(shí)其上升沿和下降沿時(shí)間小于2 μs，輸出1 000 V高壓時(shí)上升沿結(jié)束2 μs后紋波小于2 V，提高了觀測(cè)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的精度；同時(shí)，電路中加入了直流保護(hù)、放電保護(hù)等措施確保系統(tǒng)工作安全；所有控制邏輯、高壓輸出接口與原有系統(tǒng)兼容，保證系統(tǒng)可以快速切換，高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：KD*P； 高壓脈沖信號(hào)； 調(diào)制電路； 太陽磁場(chǎng)觀測(cè)

中圖分類號(hào)：TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004?373X（2013）02?0154?04

0 引 言

（1）懷柔太陽觀測(cè)基地35 cm真空折射望遠(yuǎn)鏡情況簡(jiǎn)介[1]

懷柔觀測(cè)基地的太陽磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡是世界上最先進(jìn)的磁場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備之一，自投入使用的20多年來，取得了大量國際一流的觀測(cè)數(shù)據(jù)，依托這些先進(jìn)的設(shè)備和數(shù)據(jù)，培養(yǎng)了一批有影響力的天文工作者，并以此為基礎(chǔ)形成了一個(gè)具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的太陽物理研究群體。太陽磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡可以在太陽光球FeI 5 324.19 ? 和色球H 4 861.34? 兩條譜線上工作，測(cè)量太陽大氣中兩個(gè)層次上的磁場(chǎng)、縱向速度場(chǎng)、亮度場(chǎng)等物理參量，是一臺(tái)多功能的綜合性太陽觀測(cè)設(shè)備，可用于太陽磁場(chǎng)和磁活動(dòng)的觀測(cè)研究、日地空間災(zāi)害天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)等多種用途。

太陽磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的基本參數(shù)如下：

根據(jù)塞曼效應(yīng)，縱向磁場(chǎng)使譜線分裂成左旋和右旋圓偏振光，它們的位相差為ΔλH。當(dāng)KD*P上的電壓為正時(shí)，只有左旋光波通過。CCD接收的光強(qiáng)度為I?；當(dāng)KD*P上的電壓為負(fù)時(shí)，只有右旋光通過，CCD接收的光強(qiáng)度為I+。此時(shí)產(chǎn)生光強(qiáng)差，它正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度H。因此，可以建立起于磁場(chǎng)強(qiáng)度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣就得到縱向場(chǎng)V。在磁場(chǎng)測(cè)量過程中，KD*P的正負(fù)極性交替出現(xiàn)，并被要求與CCD采樣嚴(yán)格同步，但由于KD*P有響應(yīng)時(shí)間（即有上升沿和下降沿），這一過程中KD*P不是所要求的1/4λ波片，因此會(huì)帶來測(cè)量誤差[3]。故此對(duì)KD*P的控制器提出了較高要求。從上述的測(cè)量原理中可以看出，加到KD*P晶體兩端的高壓須為理想的矩形高壓脈沖序列才能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確。而實(shí)際的電路系統(tǒng)中能夠做到的就是采用合理的器件和電路，實(shí)現(xiàn)矩形波的延遲和上升沿時(shí)間滿足測(cè)量精度要求。

原有的高壓調(diào)制系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)服役十多年，部分電子器件可能已經(jīng)達(dá)到或超過使用期限，一方面高壓波形的精度下降影響觀測(cè)數(shù)據(jù)精度，而且成為故障隱患，維護(hù)代價(jià)逐年增加；另一方面新技術(shù)的發(fā)展使得可以實(shí)現(xiàn)波形更精確、操作更簡(jiǎn)單的高壓控制系統(tǒng)，從而提高太陽磁場(chǎng)觀測(cè)的精度。因此開發(fā)一套新的高壓調(diào)制系統(tǒng)勢(shì)在必行。另外，在我國正在推進(jìn)的大型太陽空間科學(xué)衛(wèi)星―空間太陽望遠(yuǎn)鏡（SST）中，對(duì)磁分析器精度提出了更高需求[4]，也促使我們要提高現(xiàn)有的磁分析器精度。本文所討論的磁分析器高壓控制系統(tǒng)，采用了新型高壓模塊和新的調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)高精度高壓脈沖序列，并加入了直流、放電等保護(hù)電路；而在邏輯控制、高壓輸出等接口方面，新系統(tǒng)完全兼容原有系統(tǒng)，新舊系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無縫切換。觀測(cè)者根據(jù)磁場(chǎng)觀測(cè)的要求，通過計(jì)算機(jī)向KD*P電光調(diào)制器高壓電源發(fā)出各種控制信號(hào)，完成磁場(chǎng)觀測(cè)。

1 高壓調(diào)制及保護(hù)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

KD*P電光調(diào)制器是用來測(cè)量太陽磁場(chǎng)的一種必要的物理光學(xué)器件， 它需要饋入交變高壓，以實(shí)現(xiàn)其光學(xué)滯后量的調(diào)制。懷柔太陽觀測(cè)基地的磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的KD*P電光調(diào)制器要求高壓電源能夠輸出頻率0.1～100 Hz和幅值±（500～1 400 V）的可調(diào)矩形波信號(hào)。具體指標(biāo)如下：

（1）電壓紋波，要求矩形波頂部不規(guī)則起伏小于幅度的1/200；

（2）要求矩形波上升、下降時(shí)間小于矩形波周期的1/100；

（3）直流保護(hù)，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間饋入直流高壓會(huì)損壞KD*P， 所以這種故障必須避免；

（4）放電保護(hù)，1 000 V以上的高壓很容易造成人身和設(shè)備危害，為了操作和維護(hù)的安全性，適時(shí)放電非常必要。具體設(shè)計(jì)方案如下所述。

1.1 高壓模塊

采用天津某公司生產(chǎn)的DW?P112?15D型高壓模塊，該模塊可以提供1 200 V，15 mA的高壓。該模塊采用電壓控制方式——控制端輸入0～5 V的低電壓，在輸出端輸出0～1 200 V的高壓，系統(tǒng)中采用電位器控制輸出的電壓值。工作過程中該模塊保持高壓輸出狀態(tài)，通過繼電器得通斷來控制系統(tǒng)輸出端高壓的輸送與否。

1.2 高壓調(diào)制電路

由柵極驅(qū)動(dòng)器[5]、場(chǎng)效應(yīng)管等構(gòu)成高壓調(diào)制電路，TTL電平的同步脈沖序列，通過與CCD數(shù)據(jù)采集軟件的配合實(shí)現(xiàn)KD*P晶體光軸的反轉(zhuǎn)與CCD曝光的同步。

1.3 直流保護(hù)電路

通過可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（74HC123），脈沖邊沿觸發(fā)形成正常工作狀態(tài)；若沒有脈沖則單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于無觸發(fā)的穩(wěn)態(tài)Q端為低電平，高壓輸出電路被禁止。在沒有控制脈沖的時(shí)候，例如：CCD相機(jī)突然斷電或其他故障而不能正常工作時(shí)，保證不會(huì)將直流的高壓加到KD*P晶體上，從而保護(hù)晶體[6]。

1.4 放電電路

系統(tǒng)中為了穩(wěn)壓而加入了三個(gè)47 mF 400 V的大電容，如果沒有合適的放電電路這些電容中儲(chǔ)存的電能將長(zhǎng)時(shí)間存在。而這樣的高壓很容易危及操作人員和設(shè)備的安全，因此在系統(tǒng)中加入放電電路，保證高電壓在系統(tǒng)斷電后快速衰減非常必要。這一部分電路充分利用了系統(tǒng)中的單刀雙擲繼電器的雙擲：工作狀態(tài)，繼電器吸合，高壓輸出電路正常接通工作；工作狀態(tài)結(jié)束，繼電器高壓輸出電路斷開，同時(shí)連接到放電電路快速放電，從而形成有效的保護(hù)[7]。目前，系統(tǒng)放電電路能夠在10 s之內(nèi)將三個(gè)電容器中貯存的1 000 V的高壓放電至30 V以下。

2 高壓組合選擇、輸出電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

懷柔太陽磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡可以觀測(cè)不同波長(zhǎng)（5 324 ?，4 861 ?）的觀測(cè)目標(biāo)，而不同的觀測(cè)波長(zhǎng)又有不同的觀測(cè)內(nèi)容（I，Q，U，V），觀測(cè)波長(zhǎng)和觀測(cè)內(nèi)容的組合決定所需的高壓。觀測(cè)計(jì)算機(jī)根據(jù)觀測(cè)波長(zhǎng)和觀測(cè)內(nèi)容的組合發(fā)送高壓選擇邏輯到高壓調(diào)制系統(tǒng)，系統(tǒng)中通過可編程邏輯器件的邏輯判別確定高壓組合電路繼電器的接通與斷開。

2.1 邏輯判別與輸出控制繼電器電路

主控計(jì)算機(jī)根據(jù)觀測(cè)波長(zhǎng)和觀測(cè)內(nèi)容確定控制信號(hào)，通過數(shù)字I/O卡將組合邏輯信號(hào)發(fā)送給高壓調(diào)制系統(tǒng)[8]。系統(tǒng)中通過可編程邏輯器件（GAL 16V8），根據(jù)輸入邏輯選擇工作繼電器的接通與斷開，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)內(nèi)容和所需高壓的對(duì)應(yīng)[9]。

2.2 光耦隔離保護(hù)電路

由于系統(tǒng)中存在1 000 V的高壓成分，為了對(duì)主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行保護(hù)，邏輯控制側(cè)的TTL控制信號(hào)通過光耦控制現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的高壓脈沖信號(hào)，形成從邏輯側(cè)到現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的不可“逆”電路，從而保護(hù)主控計(jì)算機(jī)及其他重要的觀測(cè)設(shè)備。

2.3 數(shù)據(jù)采集與KD*P同步反轉(zhuǎn)電路設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量需要進(jìn)行積分計(jì)算，而且要保證左旋光和右旋光的分別進(jìn)行積分，然后才能根據(jù)Stokes公式計(jì)算獲得太陽磁場(chǎng)[3]，通常情況下要實(shí)現(xiàn)10 G的測(cè)量精度，積分的數(shù)據(jù)幀數(shù)需要達(dá)到256幀以上。磁場(chǎng)計(jì)算公式經(jīng)簡(jiǎn)化后如下：

圖4為磁場(chǎng)數(shù)據(jù)等高線圖，磁場(chǎng)數(shù)據(jù)按照磁場(chǎng)強(qiáng)度為20，40，80，160，320，640，960，1 280，1 600，1 920，2 240，2 560，2 880（單位：G）繪制對(duì)應(yīng)于圖3磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的等高線圖，以此對(duì)比新舊高壓系統(tǒng)在磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度方面的差異。從圖3磁場(chǎng)灰度顯示中（兩幅圖的顯示參數(shù)設(shè)置完全一致）可以看出（b）中的黑子磁場(chǎng)的輪廓、邊沿、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等都比（a）中的對(duì)應(yīng)部分要清晰。在圖4磁場(chǎng)數(shù)據(jù)等高線圖中（等高線間隔設(shè)置完全一致），圖（b）中等高線的層次明顯要多于圖（a），在遠(yuǎn)離黑子的一些區(qū)域中，圖（b）中有梯度線出現(xiàn)，圖（a）中則根本沒有。另外，取矩形框中的部分做簡(jiǎn)單對(duì)比：圖（a）的等高線層次總共是4級(jí)，而圖（b）中的層次則有7級(jí)。計(jì)算了兩幅磁圖中的最大值和最小值：原有高壓調(diào)制系統(tǒng)測(cè)的磁場(chǎng)最大值450.160，最小值為-448.709；新系統(tǒng)的最大值為660.610，最小值為-710.741。后者的數(shù)據(jù)范圍明顯要大于前者。

從高壓脈沖波形指標(biāo)的對(duì)比中可以看出，新舊兩套高壓調(diào)制系統(tǒng)都充分滿足望遠(yuǎn)鏡磁場(chǎng)測(cè)量的要求，而新系統(tǒng)在波形精度指標(biāo)方面比原有系統(tǒng)有很大提高；從實(shí)測(cè)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的比較中可以看出無論從磁場(chǎng)灰度圖直觀顯示，還是從等高線圖分析、數(shù)據(jù)范圍[11]分析，新的高壓系統(tǒng)測(cè)得的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)都要優(yōu)于原有系統(tǒng)。

圖4 磁場(chǎng)數(shù)據(jù)等高線圖

4 結(jié) 語

該調(diào)制器電源性能穩(wěn)定、工作良好、與原有系統(tǒng)接口完全兼容、維護(hù)方便，滿足觀測(cè)要求。目前已經(jīng)投入使用并已取得大量良好的磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。另外，在這套系統(tǒng)研制過程中積累的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，為其他望遠(yuǎn)鏡中電光調(diào)制器高壓控制系統(tǒng)的研制、調(diào)試等提供了大量的資源，提高了這些系統(tǒng)的研制、調(diào)試效率。

感謝懷柔太陽觀測(cè)基地觀測(cè)員汪國平在系統(tǒng)調(diào)試過程中給予的大力協(xié)助。

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