CN102878917B - 一种基于Rogowski线圈测量的信号运算装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Rogowski线圈测量的信号运算装置；该装置包括依次连接的控制电路、积分电路以及运算电路；积分电路包括第一积分单元、第二积分单元和第三积分单元。本发明采用全硬件化模拟电路，对由Rogowski线圈测量的信号进行后续处理，包括前级信号的积分处理，后续对输出信号或反馈信号进行合成运算；本发明所用电路工作在恒温条件，且工作时间较短，通过控制电路来实现对电路工作情况的调节，模拟积分电路中，用失调补偿的方法来消除由失调输入电压、电流和偏置电流带来的影响，同时采用低温漂的元器件和运算放大器。信号运算装置部分采用三路输入、单路输出的运算方式，信号运算系数设定方便，电路结构清晰，响应速度快，抗干扰性强，运算精度高。

Description

一种基于Rogowski线圈测量的信号运算装置

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，更具体地，涉及一种基于Rogowski线圈测量的信号运算装置。

背景技术

在托卡马克装置中，等离子体位移测量是最基本的诊断之一，它对于装置的运行和实验有不可替代的意义。一方面它是等离子体是否达到宏观平衡的标志；另一方面，在等离子体反馈平衡控制系统中，它又是所产生的位置偏差信号的来源。J-TEXT装置上位移测量就是采用的变形Rogowski线圈和鞍型线圈。基于Rogowski线圈的测量原理以及位移测量原理，要得到所需电流信号，测量后续处理电路中积分器电路和信号运算装置是其中关键组成部分。

为了确保线圈测量数据的准确性，主要要注重2个方面：一个是线圈自身的设计和安装结构；另一个是信号的引出以及后续处理电路的可靠性。目前来说，线圈设计方面，随着磁场位形研究的深入，其自身设计上不断得到改善，而我们研究的重点就是线圈后续处理电路的优化设计。

积分电路主要有两种实现方式：模拟积分器和数字积分器，其中，模拟积分器的特点是响应时间快，并且易于实现，但是难以确保高的准确度和稳定性。特别是当信号频率较低、信号量较小并且积分时间较长时，积分器中元器件如积分电容、电阻等的特性也会随时间、温度的变化产生漂移现象，影响较大会直接导致积分结果不正确，进而降低测量系统的准确性；同时积分器芯片自身特性也会对积分效果产生比较大的影响，比如运算放大器的输入失调电压、输入偏置电流及其温度漂移等。因此，结合模拟积分器自身的特点，可以用于对冲击电流的测量，而在对于稳定持续电流的测量中难于在长期运行中保持高的准确度，这也是目前长时间积分器的研制的难点。数字积分器实现相对比较复杂，其积分性能不受元器件的时间、温度特性的影响，能够长期持续的准确测量稳态信号。但是采用数字积分器实现对瞬时冲击电流的测量非常困难，一般用于对测量要求准确度很高，而且暂态响应要求不高的条件下。

对于运算电路部分，目前采用的信号获取方法是将原始信号积分后接入采集系统，然后通过计算机软件进行数值计算得到的，这样就会引入来自A/D模数转换以及数值运算等方面的延时，而且响应速度较慢，不能满足信号的实时获取和观测。

在这种背景下，我们需要一种可以综合解决以上问题的信号处理电路，即可同时保证积分的准确性和信号运算的可靠性、实时性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于Rogowski线圈测量的信号运算装置，旨在解决现有技术中难以保证积分信号准确性、响应速度较慢，不能满足信号的实时获取和观测的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于Rogowski线圈测量的信号运算装置，包括依次连接的控制电路、积分电路以及运算电路；所述积分电路包括：第一积分单元，其输入端连接ROG信号，控制端连接至所述控制电路的输出端，所述第一积分单元的输出端连接至所述运算电路的输入端；第二积分单元，其输入端连接SAD信号，控制端连接至所述控制电路的输出端，所述第二积分单元的输出端连接至所述运算电路的输入端；以及第三积分单元，其输入端连接IP信号，控制端连接至所述控制电路的输出端，所述第三积分单元的输出端连接至所述运算电路的输入端；工作时，控制电路输出积分时间控制信号，所述第一积分单元对线圈测量ROG信号进行积分处理，所述第二积分单元对线圈测量SAD信号进行积分处理，所述第三积分单元对线圈测量IP信号进行积分处理，运算电路对积分处理后的信号进行合成运算处理。

更进一步地，所述控制电路包括依次连接的低通滤波器、光隔离器、开关管以及延时继电器；所述低通滤波器用于对输入的触发信号进行滤波，所述光隔离器用于隔离输入端和输出端并实现两端电气隔离，所述开关管用于控制所述延时继电器动作，所述延时继电器用于控制所述积分电路的工作状态。

更进一步地，所述第一积分单元包括补偿电路、积分器和第一跟随器，所述积分器的输入端作为所述第一积分单元的输入端连接ROG信号，所述积分器的控制端作为所述第一积分单元的控制端连接至所述控制电路的输出端，所述积分器的补偿端连接所述补偿电路，所述第一跟随器的输入端连接至所述积分器的输出端，所述第一跟随器的输出端作为所述第一积分单元的输出端。

更进一步地，所述积分器包括：第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第一电容，所述第一运算放大器的反相输入端通过第一电阻连接ROG信号，所述第一运算放大器的正相输入端连接所述补偿电路；所述第一电容连接在所述第一运算放大器的反相输入端与输出端之间；所述第二电阻的一端连接至所述第一运算放大器的反相输入端，另一端连接所述控制电路。

更进一步地，所述补偿电路包括：可调电阻、第五电阻、串联连接在所述第一运算放大器的正相输入端与地之间的第三电阻和第四电阻；所述可调电阻连接在正负电源之间，所述可调电阻的可调端通过所述第五电阻连接至所述第三电阻与所述第四电阻的串联连接端。

更进一步地，所述运算电路包括依次连接的除法器、第二比例放大器和第二跟随器，输出端与所述除法器的第一输入端连接的比例加法器，以及输出端与所述除法器的第二输入端连接的第一比例放大器；所述比例加法器的输入端连接所述第一积分单元的输出端和第二积分单元的输出端；所述第一比例放大器的输入端连接所述第三积分单元的输出端。

更进一步地，所述比例加法器包括第四运算放大器、第十电阻、第十一电阻、第十三电阻、第十五电阻；所述第四运算放大器的反相输入端通过第十电阻连接至所述第一积分单元的输出端，所述第四运算放大器的反相输入端还通过第十一电阻连接至所述第二积分单元的输出端，所述第四运算放大器的正向输入端通过所述第十三电阻接地；所述第十五电阻连接在所述第四运算放大器的反相输入端与输出端之间。

更进一步地，所述第一比例放大器包括第五运算放大器、第十二电阻、第十四电阻和第十六电阻；所述第五运算放大器的反相输入端通过所述第十二电阻连接至所述第三积分单元的输出端，所述第五运算放大器的正相输入端通过所述第十四电阻接地，所述第五运算放大器的输出端作为所述第一比例放大器的输出端；所述第十六电阻连接在所述第五运算放大器的反相输入端与输出端之间。

更进一步地，所述除法器包括第六运算放大器、模拟乘法器、第十七电阻和第十八电阻；所述第六运算放大器的反相输入端通过第十七电阻连接至所述比例加法器的输出端，所述第六运算放大器的正相输入端接地，所述第六运算放大器的输出端连接至模拟乘法器的第二差分输入端；所述模拟乘法器的第一差分输入端连接至所述第一比例放大器的输出端，所述模拟乘法器的输出端通过第十八电阻连接至所述第六运算放大器的反相输入端。

更进一步地，所述第二比例放大器包括第七运算放大器、第十九电阻、第二十电阻和第二十一电阻；所述第七运算放大器的反相输入端通过第十九电阻连接至所述除法器的输出端，所述第七运算放大器的正相输入端通过第二十电阻接地，所述第七运算放大器的输出端作为所述第二比例放大器的输出端；所述第二十一电阻连接在所述第七运算放大器的反相输入端与输出端之间。

本发明采用全硬件化模拟电路，对由Rogowski线圈测量的信号进行后续处理，包括前级信号的积分处理，后续对输出信号或反馈信号进行“加、减、乘、除、反相、比例”等合成运算。本发明所用电路工作在恒温条件下，且工作时间较短，通过控制电路来实现对电路工作情况的调节，模拟积分电路中，用失调补偿的方法来消除由失调输入电压、电流和偏置电流带来的影响，同时采用低温漂的元器件和运算放大器。信号运算装置部分采用三路输入、单路输出的运算方式，信号运算系数设定方便，电路结构清晰，响应速度快，抗干扰性强，运算精度高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的信号运算电路的模块结构原理示意图；

图2是本发明实施例提供的信号运算电路中控制电路的内部结构示意图；

图3是本发明实施例提供的控制电路的具体电路图；

图4是本发明实施例提供的信号运算电路中积分电路的内部结构示意图；

图5是本发明实施例提供的积分电路中第一积分单元的具体电路图；

图6是本发明实施例提供的信号运算电路中运算电路的内部结构示意图；

图7是本发明实施例提供的运算电路的具体电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的信号运算电路的模块结构原理，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

基于Rogowski线圈测量的信号运算装置包括依次连接的控制电路1、积分电路2以及运算电路3；积分电路2包括：第一积分单元21、第二积分单元22和第三积分单元23，第一积分单元21的输入端连接ROG信号，控制端连接至控制电路1的输出端，第一积分单元21的输出端连接至运算电路3的输入端；第二积分单元22的输入端连接SAD信号，控制端连接至控制电路1的输出端，第二积分单元22的输出端连接至运算电路3的输入端；第三积分单元23的输入端连接IP信号，控制端连接至控制电路1的输出端，第三积分单元23的输出端连接至运算电路3的输入端；工作时，控制电路1输出积分时间控制信号，第一积分单元21对线圈测量ROG信号进行积分处理，第二积分单元22对线圈测量SAD信号进行积分处理，第三积分单元23对线圈测量IP信号进行积分处理，运算电路3对积分处理后的信号进行合成运算处理。

其中，ROG信号为变形的Rogowski线圈的测量信号，是合成等离子体位移电流信号的源信号之一；SAD信号为鞍型线圈的测量信号，该测量信号的输出方式和Rogowski线圈测量信号类似，是合成等离子体位移电流信号的源信号之一；IP信号为等离子体电流信号，是Rogowski线圈测量信号，是实验装置运行的基本信号之一。。

在本发明实施例中，控制电路1用于控制积分器的工作时间以及积分电容的放电，积分电路2用于线圈测量信号的积分处理，运算电路3用于线圈测量信号积分后的公式化计算，由于运算电路3是三路输入、单路输出结构，所以在三路信号输入端都需要前置模拟积分器，三路信号通过积分器输入到运算电路中进行后续合成运算，三路积分器都是通过控制电路来控制工作时间。本发明实施例提供的信号运算装置既可以保证积分信号的准确性，也可以得到公式化运算后的可观测信号，以确保信号的时效性。

图2示出了本发明实施例提供的控制电路1的内部结构，控制电路1包括依次连接的低通滤波器11、光隔离器12、开关管13以及延时继电器14；其中，低通滤波器11用于对输入的触发信号进行滤波，光隔离器12用于隔离输入端和输出端，实现两端电气隔离，开关管13用于控制延时继电器14动作，延时继电器14用于控制积分电路的工作状态。

图3示出了控制电路的具体电路，控制触发信号输入端接由第六电阻R6、第二电容C2和第七电阻R7构成的低通滤波器11，低通滤波器11的输出端接第八电阻R8的一端，第八电阻R8的另一端接光耦U3的输入端，光耦U3的输出端接第九电阻R9的一端，第九电阻R9的另一端接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极接继电器；同时，在继电器两端并联续流二极管D1；工作过程为：当放电实验开始时，控制触发信号接入，经过滤波电路出来的信号作为控制回路的输入信号，此时光耦导通，当输入端二极管D1上的电流足够大时，其输出端三极管Q1上压降较小，此时5v直流电源通过光耦U3和电阻R9提供下一级三极管Q1的基极偏置电流，三极管Q1导通，且工作在饱和状态，管压降趋近于0v，继电器动作，完成控制，继电器的常开接点接积分器的电源端，用来控制积分器的工作时间，继电器的常闭接点接积分电路中的开关K1，用来控制积分电容的放电；当控制信号消失后，三极管Q1关断，此时继电器通过二极管D1续流。

在本发明实施例中，第一积分单元21、第二积分单元22和第三积分单元23的内部结构相同，在此只给出第一积分单元21的内部结构，不再赘述第二积分单元22和第三积分单元23的内部结构。如图4所示，第一积分单元21包括补偿电路213、积分器211和第一跟随器212，积分器211的输入端作为第一积分单元21的输入端连接ROG信号，积分器211的控制端作为第一积分单元21的控制端连接至控制电路1的输出端，积分器211的补偿端连接补偿电路213，第一跟随器212的输入端连接至积分器211的输出端，第一跟随器212的输出端作为第一积分单元21的输出端。

在本发明实施例中，如图5所示，第一运算放大器U1的反相端与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端接线圈；第二电阻R2一端接第一运算放大器U1的反相端，另一端接开关K1的一端，开关K1的另一端接第一运算放大器U1的输出端；第一电容C1接在第一运算放大器U1的反相端与输出端之间；第一运算放大器U1的同相端接第三电阻R3和第四电阻R4串联接地；第五电阻R5的一端连接第三电阻R3和第四电阻R4的连接点，另一端接电位器Rp1的滑动结点；电位器的Rp1另外2个结点分别接正电源端和负电源端；第二运算放大器U2接成同相电压跟随器，接在运算放大器U1的输出端。其中第一电阻R1和第二电容C2控制积分常数，开关K1用于控制积分电容的放电，防止积分饱和后，电路无法正常工作；第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5以及电位器Rp1构成失调补偿电路，电路中第二电阻R2为平衡电阻，R3＜＜R2，R4是隔离电阻，阻值较大；调节电位器Rp1使第三电阻R3上等效电压变化，用以消除输入失调电压、输入失调电流和偏置电流产生的积分误差。

在本发明实施例中，如图6所示，运算电路3包括依次连接的除法器33、第二比例放大器34和第二跟随器35，输出端与所述除法器33的第一输入端连接的比例加法器31，以及输出端与所述除法器的第二输入端连接的第一比例放大器32；比例加法器31的输入端连接所述第一积分单元的输出端和第二积分单元的输出端；所述第一比例放大器32的输入端连接所述第三积分单元的输出端。

如图7所示，比例加法器31包括第四运算放大器U4、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十三电阻R13、第十五电阻R15；第四运算放大器U4的反相输入端通过第十电阻R10连接至第一积分单元21的输出端，第四运算放大器U4的反相输入端还通过第十一电阻R11连接至第二积分单元22的输出端，第四运算放大器U4的正向输入端通过第十三电阻R13接地；第十五电阻R15连接在第四运算放大器U4的反相输入端与输出端之间。

第一比例放大器32包括第五运算放大器U5、第十二电阻R12、第十四电阻R14和第十六电阻R16；第五运算放大器U5的反相输入端通过第十二电阻R12连接至第三积分单元23的输出端，第五运算放大器U5的正相输入端通过第十四电阻R14接地，第五运算放大器U5的输出端作为第一比例放大器32的输出端；第十六电阻R16连接在第五运算放大器U5的反相输入端与输出端之间。

除法器33包括第六运算放大器U6、模拟乘法器M1、第十七电阻R17和第十八电阻R18；第六运算放大器U6的反相输入端通过第十七电阻R17连接至所述比例加法器的输出端，第六运算放大器U6的正相输入端接地，第六运算放大器U6的输出端连接至模拟乘法器M1的Y1端；模拟乘法器M1的X1端连接至第一比例放大器32的输出端，模拟乘法器M1的X2端和Y2端均接地，模拟乘法器M1的W端通过第十八电阻R18连接至第六运算放大器U6的反相输入端。模拟乘法器M1中：X1、X2为差分输入端，用作被乘数端，X1为正向输入端，X2为反相输入端，X2通常接地；Y1、Y2为差分输入端，用作乘数，Y1为正向输入端，Y2为反相输入端，Y2通常接地；+V为正电源端，-V为负电源端，Z为可选加法端，W为乘法器输出端，乘法器运算公式为：W＝(X1-X2)*(Y1-Y2)+Z。

第二比例放大器34包括第七运算放大器U7、第十九电阻R19、第二十电阻R20和第二十一电阻R21；第七运算放大器U7的反相输入端通过第十九电阻R19连接至除法器33的输出端，第七运算放大器U7的正相输入端通过第二十电阻R20接地，第七运算放大器U7的输出端作为第二比例放大器34的输出端；第二十一电阻R21连接在第七运算放大器U7的反相输入端与输出端之间。

在本发明实施例中，信号1和信号2通过输入1和输入2端口输入，接入由运算放大器U4构成的反相比例加法器；同时信号3通过输入3端口输入，接入由运算放大器U5构成的反相比例放大器；运算放大器U6和模拟乘法器M1接成除法运算电路，对运算放大器U4和U5的输出信号进行除法运算，输出端接入运算放大器U7的输入端，U7接成反相放大器，输出端接入由U8构成的正相电压跟随器的输入端，输出到信号输出端。

本发明采用全硬件化模拟电路，对由Rogowski线圈测量的信号进行后续处理，包括前级信号的积分处理，后续对输出信号或反馈信号进行“加、减、乘、除、反相、比例”等合成运算。本发明所用电路工作在恒温条件下，且工作时间较短，通过控制电路来实现对电路工作情况的调节，模拟积分电路中，用失调补偿的方法来消除由失调输入电压、电流和偏置电流带来的影响，同时采用低温漂的元器件和运算放大器。信号运算装置部分采用三路输入、单路输出的运算方式，信号运算系数设定方便，电路结构清晰，响应速度快，抗干扰性强，运算精度高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于Rogowski线圈测量的信号运算装置，其特征在于，包括依次连接的控制电路、积分电路以及运算电路；

所述积分电路包括：

第一积分单元，其输入端连接ROG信号，控制端连接至所述控制电路的输出端，所述第一积分单元的输出端连接至所述运算电路的输入端；

第二积分单元，其输入端连接SAD信号，控制端连接至所述控制电路的输出端，所述第二积分单元的输出端连接至所述运算电路的输入端；以及

第三积分单元，其输入端连接IP信号，控制端连接至所述控制电路的输出端，所述第三积分单元的输出端连接至所述运算电路的输入端；

工作时，控制电路输出积分时间控制信号，所述第一积分单元对线圈测量ROG信号进行积分处理，所述第二积分单元对线圈测量SAD信号进行积分处理，所述第三积分单元对线圈测量IP信号进行积分处理，运算电路对积分处理后的信号进行合成运算处理；其中ROG信号为变形的Rogowski线圈的测量信号，SAD信号为鞍型线圈的测量信号，IP信号为等离子体电流信号；

所述第一积分单元包括补偿电路、积分器和第一跟随器；

所述积分器的输入端作为所述第一积分单元的输入端连接ROG信号，所述积分器的控制端作为所述第一积分单元的控制端连接至所述控制电路的输出端，所述积分器的补偿端连接所述补偿电路，

所述第一跟随器的输入端连接至所述积分器的输出端，所述第一跟随器的输出端作为所述第一积分单元的输出端；

所述积分器包括：第一运算放大器、第一电阻、第二电阻和第一电容；

所述第一运算放大器的反相输入端通过第一电阻连接ROG信号，所述第一运算放大器的正相输入端连接所述补偿电路；

所述第一电容连接在所述第一运算放大器的反相输入端与输出端之间；

所述第二电阻的一端连接至所述第一运算放大器的反相输入端，另一端连接所述控制电路。

2.如权利要求1所述的信号运算装置，其特征在于，所述控制电路包括依次连接的低通滤波器、光隔离器、开关管以及延时继电器；所述低通滤波器用于对输入的触发信号进行滤波，所述光隔离器用于隔离输入端和输出端并实现两端电气隔离，所述开关管用于控制所述延时继电器动作，所述延时继电器用于控制所述积分电路的工作状态。

3.如权利要求1所述的信号运算装置，其特征在于，所述补偿电路包括：可调电阻、第五电阻、串联连接在所述第一运算放大器的正相输入端与地之间的第三电阻和第四电阻；

所述可调电阻连接在正负电源之间，所述可调电阻的可调端通过所述第五电阻连接至所述第三电阻与所述第四电阻的串联连接端。

4.如权利要求1所述的信号运算装置，其特征在于，所述运算电路包括依次连接的除法器、第二比例放大器和第二跟随器，输出端与所述除法器的第一输入端连接的比例加法器，以及输出端与所述除法器的第二输入端连接的第一比例放大器；

所述比例加法器的输入端连接所述第一积分单元的输出端和第二积分单元的输出端；

所述第一比例放大器的输入端连接所述第三积分单元的输出端。

5.如权利要求4所述的信号运算装置，其特征在于，所述比例加法器包括第四运算放大器、第十电阻、第十一电阻、第十三电阻、第十五电阻；

所述第四运算放大器的反相输入端通过第十电阻连接至所述第一积分单元的输出端，所述第四运算放大器的反相输入端还通过第十一电阻连接至所述第二积分单元的输出端，所述第四运算放大器的正向输入端通过所述第十三电阻接地；

所述第十五电阻连接在所述第四运算放大器的反相输入端与输出端之间。

6.如权利要求4所述的信号运算装置，其特征在于，所述第一比例放大器包括第五运算放大器、第十二电阻、第十四电阻和第十六电阻；

所述第五运算放大器的反相输入端通过所述第十二电阻连接至所述第三积分单元的输出端，所述第五运算放大器的正相输入端通过所述第十四电阻接地，所述第五运算放大器的输出端作为所述第一比例放大器的输出端；

所述第十六电阻连接在所述第五运算放大器的反相输入端与输出端之间。

7.如权利要求4所述的信号运算装置，其特征在于，所述除法器包括第六运算放大器、模拟乘法器、第十七电阻和第十八电阻；

所述第六运算放大器的反相输入端通过第十七电阻连接至所述比例加法器的输出端，所述第六运算放大器的正相输入端接地，所述第六运算放大器的输出端连接至模拟乘法器的第二差分输入端；

所述模拟乘法器的第一差分输入端连接至所述第一比例放大器的输出端，所述模拟乘法器的输出端通过第十八电阻连接至所述第六运算放大器的反相输入端。

8.如权利要求4所述的信号运算装置，其特征在于，所述第二比例放大器包括第七运算放大器、第十九电阻、第二十电阻和第二十一电阻；

所述第七运算放大器的反相输入端通过第十九电阻连接至所述除法器的输出端，所述第七运算放大器的正相输入端通过第二十电阻接地，所述第七运算放大器的输出端作为所述第二比例放大器的输出端；

所述第二十一电阻连接在所述第七运算放大器的反相输入端与输出端之间。