丁 健程 健

（1 合肥學(xué)院，安徽 合肥 230601）

（2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230027）

1 引言

離子束的品質(zhì)和離子源的性能，一般用兩個相關(guān)的物理量“發(fā)射度”和“亮度”來表征[1]。發(fā)射度常用來表征粒子束的品質(zhì)。在束傳輸系統(tǒng)中，描述粒子束運動規(guī)律的方法有很多，比較常用的是六維相空間法。六維相空間就是坐標(biāo)為位置x，y，z和動量Px，Py，Pz的空間，由一組六維變量表示某一粒子的運動狀態(tài)。根據(jù)劉維爾定理，我們將六維相空間簡化到兩維相平面去研究粒子運動。相空間中的粒子不是一個，而是一群，它們以集體的形式存在，形成集體的運動規(guī)律，便是我們所說的粒子束。發(fā)射度相面積便是對這一群粒子集體在相平面內(nèi)選取的代表點組成的面積。用π去除發(fā)射度相面積，所得量便是通常所說的束的發(fā)射度。有人用束流的相面積作為發(fā)射度的定義，而兩種定義的發(fā)射度數(shù)值是相同的[2]。

本設(shè)計是按測量精度2%～8%、法拉第筒輸出電流范圍0～2000 nA等要求，在對等離子體測量技術(shù)研制工作的基礎(chǔ)上，通過研究等離子體發(fā)射度測量理論及關(guān)鍵性技術(shù)，根據(jù)等離子體發(fā)射度特點，結(jié)合微弱電流信號測量技術(shù)，研發(fā)一種側(cè)重于抗干擾、低噪聲、高精度的嵌入式發(fā)射度測量裝置。

2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路根據(jù)功能分為多個模塊，系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 電源供電模塊

測量系統(tǒng)供電方式主要分控制板板內(nèi)電源和板外電源兩種。

（1）控制板板內(nèi)電源主要為數(shù)字隔離芯片提供電能。為數(shù)字隔離芯片提供電能的是控制板上的DC-DC芯片，即DCP021205和DCP022405。為實現(xiàn)測量系統(tǒng)輸入輸出端抗干擾隔離，輸入部分采用光電隔離芯片進(jìn)行隔離，而輸出端則采用數(shù)字隔離芯片進(jìn)行隔離。

（2）測控系統(tǒng)測量控制板所需的+12 V/-12 V/5 V等電壓，主要由自制的電源板提供電能，電源板的220 V正弦交流電經(jīng)過濾波器、隔離屏蔽變壓器和穩(wěn)壓電路后輸出提供。

此外，發(fā)射度電源系統(tǒng)還配備+24 V開關(guān)電源，實現(xiàn)對ZD-6209-V2C型號的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的供電，除此之外，+24 V開關(guān)電源還將為控制板上的DC-DC芯片DCP022405提供電能。

3.2 微弱信號放大模塊

在測量系統(tǒng)設(shè)計中，要實現(xiàn)對等離子體束流的準(zhǔn)確采樣，先要對束流檢測器檢測到的微弱電流信號進(jìn)行檢測，檢測到小電流信號后通過電阻采樣方式實現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換后的信號依舊不能滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求，所以還要將小電壓信號進(jìn)行放大。ADC采樣電壓范圍是0～5 V，而轉(zhuǎn)換后的小電壓信號在10～50 mV之間，這就需要檢測電路將該信號放大100倍數(shù)以上。該系統(tǒng)檢測電路先采用高精度儀表放大器INA111將小電壓信號進(jìn)行90倍放大，然后根據(jù)INA111輸出電壓信號大小選擇運算放大器MAX4132的放大倍數(shù)，具體倍數(shù)選擇由軟件進(jìn)行設(shè)置。小電壓信號經(jīng)過INA111和MAX4132兩級放大器放大以后，方可被ADC進(jìn)行準(zhǔn)確采樣。

為了使測量器件不影響測量結(jié)果，以提高發(fā)射度測量的精度，第一級放大選用高速、FET輸入型高精度儀表放大器INA111，它具有高共模抑制比（106dB min），特殊的放大器結(jié)構(gòu)使得它的增益可通過一個外部電阻配置為1到1000之間的任意值，見公式（1）。

INA111的增益是通過連接一個外部電阻RG（單位為kΩ）來設(shè)定的。式（1）中INA111的增益值用G表示。設(shè)置INA111增益為90，計算得到RG=561.7 Ω，但是實際電路中沒有這樣的電阻值，只能盡量接近該電阻值，通過實際測量最終選擇值為564 Ω金屬膜電阻，之所以選用金屬膜電阻的原因是此類電阻的精度為1%。兩級放大電路的實際電路圖見圖2。根據(jù)INA111的數(shù)據(jù)手冊，能夠使用R/C輸入濾波器全靠其FET輸入特性。為抑制帶外噪聲進(jìn)入放大器，設(shè)置一個低通R/C濾波器在濾在INA111輸入級，低通濾波器的截止頻率如公式（2）

式（2）中的電容值 C53要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 C54，C55，約為 10倍 C54，C55，系統(tǒng)中設(shè)置 200 kHz的截止頻率，結(jié)合實際電容值需要，設(shè)置C54=C55=10 pF，則C53為100 pF。計算得到R52，R53的阻值均為3.83 kΩ。為滿足低噪聲系統(tǒng)設(shè)計要求，采用高精度元器件，電容采用聚苯乙烯電容，因為此類電容的漏電小[3]。

圖2 信號放大電路圖

在應(yīng)用電路中，取樣電阻及放大倍數(shù)的選取是通過繼電器組合的通道選擇來實現(xiàn)切換的，設(shè)計采用匯科公司提供的HK4100-DC5V-SHG繼電器，由微控制器C8051F500管腳進(jìn)行控制。一個C8051F500管腳控制一個繼電器，實現(xiàn)放大電阻選擇。具體實際電路圖如圖3所示。而圖4是實際電路實驗室測試結(jié)果。圖中黃色曲線為信號發(fā)生器模擬100 kHz，峰峰50 mV INA111輸入信號圖像，圖4a藍(lán)色曲線為經(jīng)過INA111放大90倍后的輸出圖像，圖4b藍(lán)色曲線為經(jīng)過INA111放大90倍后又經(jīng)MAX4132放大1倍輸出圖像。

圖3 MAX4132放大倍數(shù)選擇電路圖

圖4a INA111電路測試圖

圖4b MAX4132電路測試圖

3.3 模擬信號濾波隔離模塊

由圖4b可以看出運算放大器MAX4132的輸出電壓信號有毛刺，需要經(jīng)過隔離及濾波電路后，才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。下面從50 Hz濾波器、線性隔離電路和巴特沃斯二階細(xì)濾波詳方面闡述模擬信號的濾波隔離處理。

3.3.1 50 Hz濾波器

采用交流電網(wǎng)為測量系統(tǒng)供電。雖然有隔離屏蔽變壓器抑制正弦交流電干擾，但是測量系統(tǒng)依舊會引入50 Hz工頻干擾。故此采用UAF42搭建了50 Hz陷波器。測試結(jié)果如下：

（1）50 Hz

如圖5a所示，模擬輸入±2.5 V正弦波信號，輸出為峰峰值不超過100 mV的畸變正弦波，信號衰減達(dá)50倍。

（2）40 Hz和 60 Hz

圖5b和圖5c分別是模擬輸入信號頻率為40 Hz和60 Hz波形圖，由圖可知，在40、60 Hz時，對波形還有一點衰減。

（3）20 Hz和 100 Hz

圖5d和圖5e是模擬輸入信號頻率為20 Hz和100 Hz波形圖，由圖可知，在20、100 Hz時，對波形無衰減。輸入輸出信號反向，相位差180°。

（4）結(jié)論

在使用UAF42構(gòu)建50 Hz濾波器時，輸入信號需大于100 Hz或小于20 Hz，可以確保信號不失真。50 Hz陷波器由內(nèi)部集成高精度電容的設(shè)計UAF42，具有對元件精度要求不高、調(diào)試方便的優(yōu)點[4]。

圖5a 50 Hz波形

圖5b 40 Hz波形

圖5c 60 Hz波形

圖5d 20 Hz波形

圖5e 100 Hz波形

3.3.2 線性隔離電路

為了將測量控制板的模擬電路與微控制器電路完全隔離開，在電壓電流調(diào)理電路末端加光耦隔離電路以減少系統(tǒng)干擾。系統(tǒng)選用由美國Avago公司生產(chǎn)的高線性度光耦器件HCNR201，其非線性度0.01%，帶寬范圍為0—1 MHz。LED的低線性度和漂移特性由于其輸出光強(qiáng)度有輸入光電二極管監(jiān)控并穩(wěn)定而得到確保。輸出光電二極管線性輸出相應(yīng)的光電流。隔離電路如圖6所示，光耦兩邊分別使用完全隔離的5 V電源供電，設(shè)計光耦增益為1。由于后端ADC采樣率最高可達(dá)200 KSPS，為了最大限度的提高系統(tǒng)的帶寬，這里采用HCNR201的高速電路。

圖6 HCNR201隔離電路圖

3.3.3 巴特沃斯二階濾波

原始信號要想在被采樣后恢復(fù)出來，就要濾除掉頻率高于fs/2的噪聲信號，本設(shè)計的抗混疊濾波器采用二階巴特沃茲低通濾波器，如圖7是抗混疊濾波器的實際電路圖。

圖7 抗混疊濾波器電路圖

本設(shè)計中的ADC采樣率為200 KSPS，即fs的值為200 kHz。依據(jù)香農(nóng)采樣定理的需要，要選用100 kHz截止頻率的二階巴特沃茲低通濾波器。原則上R81=R12，但是為了實際電路測試需要，這里選用可調(diào)電阻R12來實現(xiàn)電阻電容匹配，使得二階巴特沃茲低通濾波器在應(yīng)用中實現(xiàn)實際電路情況的最優(yōu)化配置。這里的二階巴特沃茲低通濾波器屬于是有源濾波器，而有源濾波器在實際應(yīng)用時其幅頻響應(yīng)可能會在高頻處的翹起，故此常在其后跟隨有無源低通濾波器來抑制此高頻翹。圖7中的R16和C44便是完成此功能的R/C無源濾波器。因此，無源濾波器截止頻率的設(shè)置要由前級有源低通濾波器的實際幅頻響應(yīng)特性決定[5]。本設(shè)計采用電阻R16=100 Ω，C44=200 pF構(gòu)成8 MHz截止頻率的無源低通濾波器，以滿足在10 MHz時衰減特性下降的二階巴特沃茲濾波器的需要。

3.4 同步脈沖觸發(fā)模塊

圖8 系統(tǒng)同步脈沖測試圖

依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求，測量系統(tǒng)測量的強(qiáng)流離子束采用脈沖方式工作，其輸出脈沖寬度為400 μS，頻率是1～5 Hz，脈沖電壓峰值15 V。測量系統(tǒng)采用ECR離子源的高壓直流脈沖電源進(jìn)行信號同步，圖8中①號曲線為高壓直流同步脈沖，②號線是實際需要測量的曲線。在測量時，需要同步脈沖信號與測量曲線同步，實現(xiàn)對測量曲線峰值部分的數(shù)據(jù)測量。具體實現(xiàn)過程是PC機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件將命令下發(fā)給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將命令進(jìn)行判定解析，解析完成后按照命令內(nèi)容對系統(tǒng)進(jìn)行一系列參數(shù)設(shè)置，同時控制步進(jìn)電機(jī)運行到設(shè)定位置，等待同步脈沖觸發(fā)信號的到來。若信號到來系統(tǒng)開始采樣，否則系統(tǒng)繼續(xù)等待。

由于外界高壓直流脈沖電源屬于高壓大電流系統(tǒng)，在系統(tǒng)硬件設(shè)計過程中采用TOSHIBA（東芝）公司的光耦隔離芯片TLP521將其與微控制器進(jìn)行隔離。具體光隔電路實現(xiàn)見圖9，系統(tǒng)除將同步脈沖Trigger信號進(jìn)行隔離外，還在光耦芯片兩端采用過壓保護(hù)電路，意在保護(hù)微弱信號采集系統(tǒng)不受高壓脈沖電源干擾，實現(xiàn)發(fā)射度測量系統(tǒng)安全可靠持久運行。

圖9 同步脈沖光耦隔離電路圖

3.5 ADC采樣模塊

運算放大器MAX4132的輸出電壓信號經(jīng)過濾波及隔離電路后利用ADC轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在該電壓信號進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換電路之前，必須限制使其帶寬及信號幅度滿足ADC轉(zhuǎn)換器的安全使用條件，系統(tǒng)中該信號的截止頻率為100 kHz，信號幅值為0～5 V，利用微控制器C8051F500集成的ADC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換[6]。

3.6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊

采用高性能恒流斬波步進(jìn)驅(qū)動器ZD-6209-V2C實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)39BYG250-34的驅(qū)動控制，驅(qū)動電源與單片機(jī)及電機(jī)驅(qū)動器接線圖如圖10所示。

圖10 驅(qū)動器電源與單片機(jī)及電機(jī)接線圖

3.7 RS232通信接口模塊

系統(tǒng)通過RS232接口實現(xiàn)PC主機(jī)和測量儀之間進(jìn)行控制命令傳遞和數(shù)據(jù)的通信傳輸。

為實現(xiàn)測量系統(tǒng)輸入輸出端抗干擾隔離，采用ADI的數(shù)字隔離器ADUM1402用來隔離控制器信號線TXD0和RXD0以防外部瞬態(tài)電平對器件產(chǎn)生破壞影響，起到瞬態(tài)保護(hù)和系統(tǒng)輸入輸出端抗干擾隔離作用。

4 系統(tǒng)電路板設(shè)計

本測量系統(tǒng)的電路板主要有兩大部分組成，一是系統(tǒng)的電源板，另一個是測量控制板。系統(tǒng)電路板制作均采用Altium Designer軟件。系統(tǒng)電路板的設(shè)計主要是布局布線設(shè)計，遵循一些關(guān)鍵的原則[7]。

（1）要明確設(shè)計目標(biāo)。根據(jù)測量系統(tǒng)的原理圖，電路板的設(shè)計采用2層PCB板，有浮地信號及微弱信號部分的設(shè)計。浮地信號和微弱信號很容易受其他強(qiáng)信號的干擾，所以在PCB設(shè)計中采取隔離及屏蔽措施，來降低噪聲的影響及信號線的相互影響，提高系統(tǒng)的安全性。

（2）合理的元器件布局。元件的布局與走線對產(chǎn)品的壽命、穩(wěn)定性、電磁兼容都有很大的影響，是應(yīng)該特別注意的地方。

（3）完成電路板布線設(shè)計。布線設(shè)計關(guān)鍵點有：①設(shè)置合適的平行信號走線間距，減少串?dāng)_現(xiàn)象。②信號傳輸線拐彎處盡量采用圓弧線。③為防止電路板走線互相感應(yīng)產(chǎn)生串?dāng)_，雙面板走線時，頂層和底層走線盡量垂直。④電路板上設(shè)計有微弱信號，在放大前的微弱信號線要遠(yuǎn)離強(qiáng)信號線，為屏蔽信號干擾，常用采用地線將其包圍。⑤電路板要分開單獨走大電流器件的地線。

5 總結(jié)

通過對發(fā)射度測量方法的研究分析，針對ECR離子源的特點和使用要求，選取了多縫單絲的測量方法，以C8051F500為核心芯片，進(jìn)行了嵌入式發(fā)射度測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計。針對測量環(huán)境存在高壓脈沖放電、接地比較復(fù)雜及電磁干擾等問題，通過采取隔離、濾波、屏蔽、單點接地等一系列抗干擾措施，保證了系統(tǒng)工作的可靠性；通過采用浮地+輸入輸出端隔離的方法，對法拉第筒電流信號進(jìn)行檢測，解決了在高壓及脈沖電磁環(huán)境中低噪聲測量的問題；通過設(shè)計過壓保護(hù)及電機(jī)限位開關(guān)電路，避免了因電機(jī)卡死而造成的故障。整個發(fā)射度測量儀系統(tǒng)，經(jīng)過實驗調(diào)試、應(yīng)用現(xiàn)場測試及初步改進(jìn)，基本實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)，滿足了一些用戶的使用要求。