CN103941075B - 纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测方法及其电路 - Google Patents

Abstract

一种纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测方法，先通过转换电路，把被加工工件与工具电极之间的极间电压和电流转化为标准电压信号供采集与控制电路检测；采集与控制电路采样并转换得到的标准信号，把该标准信号转换为数字量存入相应的内部参数寄存器；外部处理器检索相应的各参数寄存器，计算相应的极间脉冲幅值电压、电流，同时获得脉冲宽度、脉冲间隔、极间短/断路状况。一种纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测电路，包括采集与控制电路和转换电路；转换电路包括：加工及保护支路、电流检测支路、电压检测支路与脉宽检测支路；采集与控制电路包括：高速模数转换器AD1、高速模数转换器AD2、高速比较器、基准比较电压模块、检测逻辑控制专用集成电路和外部处理器。

Description

纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测方法及其电路

技术领域

本发明属于电源技术领域和微细加工技术领域，具体是一种纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测方法及其电路。

背景技术

电化学加工利用电化学反应去除材料，具有无切削力、热熔除与变形、硬度无关、无应力、变形和工具损耗等特点，在难切削材料加工、薄壁结构成型、热敏材料切削等领域具有优势。同时，其材料去除以离子的方式实现，从原理上讲，可以得到极高的加工精度与极其细微的结构。然而，受到加工间隙、电场、流场、电源品质等的限制，目前的电化学加工尚未表现出匹配其原理的加工效果。

近年来的研究表明，纳秒乃至更窄脉宽的脉冲电流能够将电化学蚀除限定在极其微小的区域，增强加工的集中蚀除能力，同时削弱散蚀能力，获得良好的定域性；采用该种方法，德国MPG、南京航空航天大学等都实现了微米级结构与形状的制作，在微细加工领域获得了一系列的成果。

作为一种新型的加工方法，纳秒脉宽电化学加工尚存在大量亟需解决问题，稳定的加工状态控制理论、方法与手段，尤其是加工间隙控制实时、在线智能调节，纳秒脉宽加工电流的实时检测更是其中不可回避的现实问题。受到AD器件采集转换速度、加工控制复杂性与实时性以及CPU处理速度等方面的限制，纳秒加工脉冲检测目前只是依赖于电流传感器的平均电流检测，纳秒加工脉冲的瞬时电压、幅值电压、脉间、脉宽以及频率等的在线实时检测及其与加工系统的集成尚存在较大的困难，目前尚未出现针对上述检测的有效方法与手段。

现有技术中，通常所说的精密测量电阻是指精密电阻器。1Ω以上阻值的电阻，与标识阻值相比±0.5%以内阻值误差的电阻，可称为精密电阻；1Ω以下阻值的电阻，与标识阻值相比±1%精密度之内，可称为精密电阻。

发明内容

为了解决现有技术中存在上述问题，考虑到纳秒脉宽电化学加工脉冲电流的电学特性，结合电化学加工的实际工况条件，本发明利用大规模可编程逻辑器件设计专用的纳秒脉宽检测集成电路，实现对高速AD器件的在线强实时控制，结合加工脉冲转换电路，实现纳秒脉宽电化学加工极间脉冲脉宽、幅值、短路状况、断路状况等的实时监测，研究针对纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测方法及其电路。

一种纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测电路，包括采集与控制电路以及转换电路；

一、转换电路包括：加工及保护支路、电流检测支路、电压检测支路与脉宽检测支路；

所述加工及保护支路包括：工具电极、被加工工件与精密测量电阻R_i；所述电流检测支路包括：电阻R₀₁和电阻R_a1；电压检测支路包括电阻R₀₂和电阻R_a2；所述脉宽检测支路包括：电阻R₁和电阻R_c；其中，R₀₁﹥﹥R_i；R₀₂﹥﹥R_i；R_a1﹥﹥R_i；R_a2﹥﹥R_i；

R₀₁、R₀₂、R_a1、R_a2、R₁与R_c远大于加工及保护支路的其他阻抗值。

脉冲电源的“+”极端连接被加工工件；脉冲电源的“-”极端连接工具电极；

电阻R_i连接在工具电极与脉冲电源的“-”极端之间；电阻R₀₁的一端连接工具电极，另一端连接电阻R_a1，电阻R_a1连接在电阻R₀₁与脉冲电源的“-”极端之间；电阻R₀₂的一端连接脉冲电源的“+”极端，另一端连接电阻R_a2，电阻R_a2连接在电阻R₀₂与脉冲电源的“-”极端之间；电阻R₁的一端连接脉冲电源的“+”极端，另一端连接电阻R_c，电阻R_c连接在电阻R₁与脉冲电源的“-”极端之间；

设电阻R_a1与电阻R₀₁之间为被测电流信号S₀；设电阻R_a2与电阻R₀₂之间为被测电压信号S₁；设电阻R_c与电阻R₁之间为被测脉宽信号S₂；

二、采集与控制电路包括：高速模数转换器AD1、高速模数转换器AD2、高速比较器、基准比较电压模块、检测逻辑控制专用集成电路和外部处理器；

信号S₀和信号S₁分别传入高速模数转换器AD1和AD2的输入端，得到信号S₀和S₁的数字量；信号S₂和基准比较电压送入高速比较器得到数字信号S₃；S₃与S₂频率、脉宽、脉间相同，幅值不同，相位不同（与S₂相比，S₃存在滞后）；

所述检测逻辑控制专用集成电路包括的各个模块电路分别为：时钟电路、状态转换与控制电路、S₀/S₁电压比较电路、AD1驱动控制模块、AD2驱动控制模块、脉宽/间计算双计数电路、脉冲电压参数寄存器、脉冲时间参数寄存器和总线接口电路；各个模块通过内部总线通信；外部处理器通过CPU总线接口与检测逻辑控制专用集成电路通信；

所述状态转换与控制电路包括：

a、集成电路状态转换控制模块：控制检测逻辑控制专用集成电路的状态转换；

b、AD1状态转换控制模块：控制AD1的启动、延时与读取；

c、AD2状态转换控制模块：控制AD2的启动、延时与读取；

所述AD1驱动控制模块和AD2驱动控制模块分别控制高速模数转换器AD1和AD2的启动及其他操作；

脉宽/间计算双计数电路对信号S₃的脉宽、脉间进行采样、计数，相应的计数值通过总线传给外部处理器，外部处理器根据信号S₃的脉间、脉宽与频率确定工具电极和被加工工件的极间加工脉冲的脉间、脉宽与频率；

S₀/S₁电压比较电路定时采样脉冲电压参数寄存器中的S₀与S₁的电压参数，根据比较结果来修改脉冲状态寄存器；

AD1驱动控制模块和AD2驱动控制模块控制高速模数转换器AD1和AD2的启动及其他操作；

还包快恢复保险丝F，快恢复保险丝F连接在电阻R_i与脉冲电源的“-”极端之间。

所述电阻R₁和R_c的阻值选择要求是，使输出被测信号S₂的幅值稳定在0～5V范围内，同时保证被测信号S₂与极间加工脉冲频率、相位相同；

电阻R_i的阻抗要求远小于加工及保护支路、电流检测支路、电压检测支路与脉宽检测支路的其他阻抗（除R_i的其它阻抗）；同时，电阻R₀₁、R₀₂、R₁、R_a1、R_a2与R_c值都要远大于加工及保护支路的其他阻抗值。

所述电压参数寄存器包括S₀峰值电压寄存器、S₁峰值电压寄存器、S₀谷值电压寄存器和S₁谷值电压寄存器，它们分别存储信号S₀与S₁对应电压的峰谷值；

时间参数寄存器包括脉间计数寄存器、脉宽计数寄存器和脉冲状态寄存器。

R₀₁=R₀₂；R_a1=R_a2。

一种采用上述电路的纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测方法，先通过转换电路，把待测的被加工工件与工具电极之间的极间电压和电流被转化为标准电压信号供采集与控制电路检测；采集与控制电路采样并转换得到的标准信号，把该标准信号转换为数字量存入检测逻辑控制专用集成电路的相应参数寄存器；外部处理器检索相应的各参数寄存器，计算相应的极间脉冲幅值电压、电流，同时获得脉冲宽度、脉冲间隔、极间短/断路状况；

正常加工时，快恢复保险丝F阻抗为“0”；加工短路或加工电流超过保险丝F的容许电流，快恢复保险丝F阻抗急剧增大，减小加工及保护支路中的电流；短路状况消除，支路中的电流恢复正常，快恢复保险丝F的阻抗恢复为“0”，从而起到保护电路的作用；

加工及保护支路的电阻R_i、快恢复保险丝F与电流检测支路并联，通过电阻R₀₁与R_a1分压产生被测信号S₀，通过S₀反算正常加工时电阻R_i两端的测量电压，求得被加工工件-工具电极间的加工电流；对于用作电流检测的电阻R₀₁与R_a1，它们的阻值远大于检测电阻R_i；

电压检测支路与加工及保护支路并联，输出被测信号S₁；为简化极间电压计算，电压检测支路的分压电阻阻值选择与电流检测支路相同，分别为R₀=R₀₁=R₀₂；R_a=R_a1=R_a2，加工工件-工具电极间的电压U的计算采用公式（1）：

U＝(S₁-S₀)(R₀+R_a)R_a（1）

采集与控制：

采集与控制电路的作用是接收转换电路得到的标准信号，通过相应的采集、转换与计算求取纳秒脉冲的幅值电压/电流、脉宽和脉间参数，判断极间的断/短路状况；

高速模数转换器AD1用于极间电流检测；正常加工时，保险丝F阻抗为“0”，高速模数转换器AD1获取测量电阻R_i两端的瞬时电压，并存入相应参数寄存器，供外部处理器计算极间瞬时加工电流；加工断路时，高速模数转换器AD1检测到工具电极与“-”极端之间的瞬时电压恒为“0”值；加工短路时，保险丝F阻抗急剧增大，高速模数转换器AD1检测到工具电极与“-”极端之间的瞬时电压与脉冲电源输出电压相同；

高速模数转换器AD2与AD1相配合，利用公式（1）实现极间电压检测、断/短路状态判断：

正常加工时，高速模数转换器AD2检测加工与保护支路两端的瞬时电压，存入参数寄存器并上送外部处理器，由外部处理器结合高速模数转换器AD1的测量值计算极间瞬时电压；

加工断路时，高速模数转换器AD2测量值与脉冲电源电压相同；

加工短路时，保险丝F的阻抗增大，高速模数转换器AD1与AD2测量值相同；

高速比较电路用于信号S₂的波形修正与幅值电压修正；实际加工中，受到极间加工脉冲影响，信号S₂升沿与降沿上均会存在电压波动，通过高速比较电路，信号S₂与一个接近于“0”的正电压基准进行比较，在信号S₂的脉宽时间范围内，信号S₂的电压大于正电压基准，比较器稳定送出高电平；在信号S₂的脉间范围内，信号S₂的电压小于正电压基准，比较器稳定送出低电平；由此，信号S₂脉宽与脉间上的电压波动得以消除，同时通过高速比较器，信号S₂也转化为标准的CMOS或TTL信号S₃，便于检测逻辑控制专用集成电路处理，而且信号S₂和信号S₃频率、脉间与脉宽则完全相同；

检测逻辑控制专用集成电路利用自身的基准时钟对信号S₃的脉宽、脉间进行采样、计数，将相应计数值送入外部处理器；根据基准时钟频率与得到的脉宽、脉间计数值，外部处理器计算信号S₃的脉间、脉宽与频率，从而确定极间加工脉冲的脉间、脉宽与频率；

检测逻辑控制专用集成电路利用信号S₃作为高速数模转换器AD1与AD2的启动时间基准；检测逻辑控制专用集成电路根据信号S₃的信号状态，发出高速数模转换器AD1与AD2的控制指令，实现采集转换、数据读取与判别工作，获得信号S₁、S₀的瞬时电压；

整个过程中，检测逻辑控制专用集成电路负责各指令数据生成、传输以及相关各时序控制，无需外部处理器的干预及控制，外部处理器向检测逻辑控制专用集成电路请求各被测信号采样值，计算加工工件-工具电极间的电压瞬时值、判断极间状况。

1）幅值电压及电流的检测时序：

设：

信号S为实际加工极间脉冲；信号S_CK为检测基准时钟，该时钟同时用作检测逻辑控制专用集成电路的基准时钟，周期为T_CK；

时刻t₀为信号S₀、S₁与S₂的上升沿，时刻t₁为信号S₃的上升沿；由于与基准比较电压进行了比较运算，t₀与t₁之间存在时间延迟t_pd；

t₂为捕获到信号S₃上升沿的时刻，t₁与t₂之间存在延迟时间t_I；

t₃为高速模数转换器AD1和AD2启动指令发出时刻，t₂与t₃之间设有可变的延迟时间t_d，t_d通过公式2调节：

t_d＝nT_CK,n＝0,1,2,3,…（2）

通过调节参数n，延迟时间t_d发生变化，检测逻辑控制专用集成电路通过控制高速模数转换器AD1和AD2，实现信号S₀、S₁脉间与脉宽上电压的检测；

t₄为高速模数转换器AD1和AD2的实际采样时刻，t₃与t₄之间存在时间延迟t_c，t_c包括采集指令时间与高速模数转换器AD1和AD2的采样时间。

上述时序中，由于测量过程中电路不变，器件不变，被测脉冲各参数不变，假定加工环境不变或变化极其缓慢，则延迟时间t_pd、t_I、t_c不变，由此可以规划纳秒脉冲的检测过程：

检测逻辑控制专用集成电路实时监测信号S₃；

信号S₀、S₁与S₂的上升沿到来，经延迟时间t_pd，S₃出现上升沿；经过延迟时间tI，捕获到S₃的上升沿；设定参数n值为“0”，t_d为“0”，t₃时刻发出AD1和AD2的转换指令，经过延迟时间t_c，高速模数转换器AD1和AD2发出采集动作，采集到t₄时刻时被测信号的瞬态值并存储，一次采集完成；

t’₃为下一次采集高速模数转换器AD1和AD2启动指令发出时刻，相应的，t’₄为下一次采集高速模数转换器AD1和AD2的实际采样时刻；

而后，继续捕获S₃的上升沿，将式（2）的参数n加“1”，设置延迟时间t_d为“T_CK”，延迟1个基准时钟周期，在t₃时刻后经过1个时钟周期延时，即t’₃时刻发出AD1和AD2的转换指令，延迟时间t_d变为t’_d，延迟时间t_c后高速模数转换器AD1和AD2采集被测信号S₀、S₁，得到t₄时刻延后一个时钟周期T_ck后的t’₄时刻时的被测信号S₀、S₁并与存储值比较：

若S₀、S₁的值与相应的存储值之比在1/2～2之间，则继续捕获S₃的上升沿，参数n加“1”，得到新的t’₃、t’₄，开始下一次检测，直至上述比值不在1/2～2之间或延迟时间t_d大于500μs；

若S₀、S₁的值与相应的存储值之比不在1/2～2之间，则一次检测循环完成；

2）脉宽、脉间及周期检测：

检测逻辑控制专用集成电路内部设有双计数器，分别利用S_CK的上升沿与下降沿对被测信号S₃的脉宽或脉间计数；根据两计数值与基准时钟S_CK的半周期计算极间脉宽或脉间，计算公式见式（3）；其中，t_on为被测信号脉宽，t_off为被测信号脉间，n₁、n₂分别为检测周期内计到的基准信号S_CK上升沿与下降沿个数，测量精度为T_CK/2；

t_on＝(n₁+n₂)T_CK/2

(3)

t_off＝(n₁+n₂)T_CK/2

脉宽与脉间检测用同一套双计数器，采样S₃信号，该信号由高电平转低电平，则调用公式（3）计算t_on；该信号由低电平转高电平，则调用公式（3）计算t_off；

3）短路与断路检测

正常工作时，被测信号S₀的幅值电压远小于信号S₁；

发生极间短路时，快恢复保险丝F阻抗急剧增大，不再保持0值，此时，信号S₀与S₁相同；检测逻辑控制专用集成电路监测比较信号S₀与S₁的采样值，二者相同，则判断短路；

发生极间断路时，加工及保护支路电流为零，相应的，被测信号S₀通过电阻R_i与快恢复保险丝接地，持续保持“0”电压，直至断路状况消失；检测逻辑控制专用集成电路检测到S₀的幅值电压为“0”后，则判断断路。

附图说明

图1是纳秒脉宽加工脉冲实时检测的框架原理示意图；

图2是纳秒脉宽加工脉冲幅值电压及电流检测时序图；

图3是采集与控制电路的结构示意图；

图4是基准比较电压电路示意图。

图5是检测控制专用集成电路的框架结构示意图。

图6是MAX196的数据工作时序示意图。

图7是AD1驱动控制电路与AD2驱动控制电路的状态转换示意图。

图8是AD1驱动控制电路与AD2驱动控制电路的电压检测过程仿真示意图。

图9a）～图9d）为S₃第1个被测脉冲与第7个被测脉冲的检测过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本技术方案进一步说明如下：

1.检测原理及电路框架

1）电路框架

纳秒脉宽电化学加工的脉冲实时检测基本原理框架如图1所示。

整个检测电路构成分为转换电路与采集与控制电路两个部分。通过转换电路，待测的极间电压、电流被转化为0-5V或0-10V的标准电压信号供采集与控制部分检测；采集与控制部分采样转换电路得到的标准信号，将其转换为数字量存入检测逻辑控制的参数寄存器，控制CPU（即外部处理器）检索相应的各参数寄存器，计算相应的极间脉冲幅值电压/电流，同时获得脉冲宽度、脉冲间隔、极间短/断路状况。

2）转换电路

转换电路包括加工及保护、电流检测、电压检测与脉宽检测四个支路；其中，加工与保护支路包括工具电极、被加工工件、快恢复保险丝F与精密测量电阻R_i。正常加工时，快恢复保险丝F阻抗为“0”；加工短路或加工电流超过F的容许电流，快恢复保险丝F阻抗急剧增大，减小支路中的电流；短路状况消除，支路中的电流恢复正常，快恢复保险丝F的阻抗恢复为“0”，从而起到保护电路的作用。

电流检测支路与加工及保护支路的检测电阻R_i、快恢复保险丝F并联，通过电阻R₀₁与R_a1分压产生0-10V的被测信号S₀，通过S₀反算正常加工时测量电阻R_i两端的测量电压，求取工件-工具电极间的加工电流；用作电流检测的电阻R₀₁与R_a1远大于精密测量电阻R_i，以免影响测量效果。

电压检测支路与加工及保护支路并联，输出0-10V的检测信号S₁。为简化极间电压计算，电压检测支路各分压电阻阻值选择与电流检测支路相同，极间电压U的计算采用公式（1）：

U＝(S₁-S₀)(R₀+R_a)/R_a（1）

这里，R₀=R₀₁=R₀₂；R_a=R_a1=R_a2

脉宽检测支路包括检测电阻R₁和R_c，通过二者阻值的合理选择，使支路的输出被测信号S₂的幅值稳定在0-5V范围内，同时保证被测信号S₂与极间加工脉冲频率、相位相同。

为保证各测量电路对加工及保护支路的影响降到最低，转换电路中精密测量电阻R_i的阻抗远小于加工及保护支路的其他阻抗，同时，电阻R₀₁、R₀₂、R₁、R_a1、R_a2与R_c远大于加工及保护支路的其他阻抗值，即测量电路所分的电流极小，几乎不对极间电学特性、状况产生影响。

3）采集与控制电路

采集与控制电路的作用主要是接收转换电路得到的标准信号，通过相应的采集、转换、计算求取纳秒脉冲的幅值电压/电流、脉宽、脉间等参数，其构成包括外部处理器及外围电路、检测逻辑控制专用集成电路、高速AD转换、高速比较电路与基准比较电压等子功能。

高速AD1用于极间电流检测，正常加工时，快恢复保险丝阻抗为“0”，AD1获取测量电阻R_i两端的瞬时电压存入相应参数寄存器，供外部处理器计算极间瞬时加工电流；加工断路时，AD1检测到测量电阻R_i两端瞬时电压恒为“0”值；加工短路时，快恢复保险丝阻抗急剧增大，AD1检测到R_i两端瞬时电压与电源输出电压相同。

高速AD2与AD1相配合，利用公式（1）实现极间电压检测、判断短路状态；正常加工时，AD2检测加工与保护支路两端的瞬时电压，存入寄存器并上送控制外部处理器，结合AD1的测量值计算极间瞬时电压；加工断路时，AD2测量值与电源电压相同；加工短路，快恢复保险丝阻抗增大，发挥保护作用，AD1与AD2测量值相同。

高速比较电路主要用于检测信号S₂的波形修正与幅值电压修正。实际加工中，受到极间加工脉冲影响，检测信号S₂升沿与降沿上均会存在一定的电压波动。通过高速比较器，被测信号S₂与一个较小的基准比较电压（接近于“0”的正基准电压）进行比较，在其脉宽时间范围内，S₂的电压大于基准比较电压，比较器稳定送出高电平；在其脉间范围内，S₂的电压小于基准比较电压，比较器稳定送出低电平；因此，S₂脉宽与脉间上的电压波动得以消除，同时通过高速比较器，信号S₂也转化为标准的CMOS或TTL信号S₃，便于专用集成电路（FPGA）处理，而且二者频率、脉间与脉宽则完全相同。

检测逻辑控制专用集成电路（FPGA）利用自身的高频测量基准时钟对S₃的脉宽、脉间进行采样、计数，将相应计数值送入外部处理器；根据基准时钟频率与得到的脉宽、脉间计数值，外部处理器计算信号S₃的脉间、脉宽与频率，从而确定极间加工脉冲的脉间、脉宽与频率。

同时，检测逻辑控制利用S₃信号作为高速数模转换AD1与AD2的启动时间基准。控制专用集成电路（FPGA）根据S₃信号状态，模拟CPU发出高速AD的控制指令，实现采集转换、数据读取与判别等工作，获得信号S₁、S₀的瞬时电压。整个过程中，检测逻辑控制专用集成电路（FPGA）负责各指令数据生成、传输以及相关各时序控制，无需外部处理器的干预及控制，外部处理器向集成电路请求各被测信号采样值，计算极间电压/流瞬时值、判断极间状况。

2.检测控制时序

本文的纳秒级加工脉冲检测主要包括加工脉冲幅值电压、电流、脉宽、脉间、断/短路状况等的检测，检测控制集成电路（FPGA）控制两路高速AD采样被测信号S₀、S₁判断极间的断/短路状况并获得测量电压；同时，集成电路直接采样被测信号S₃，检测加工脉冲的频率、脉宽、脉间等时间参数；最后，由系统外部处理器获取各测量电压，计算加工脉冲的幅值电压与电流。

1）幅值电压及电流的检测时序

图2所示为纳秒脉宽加工脉冲幅值电压及电流的检测时序，它通过可编程逻辑器件FPGA设计专用集成电路实现。

图中的信号S为实际加工极间脉冲；信号S_CK为检测基准时钟，同时用作专用集成电路的基准时钟，周期T_CK；时刻t₀为被测信号S₀、S₁与S₂的上升沿，时刻t₁为信号S₃的上升沿。由于与基准比较电压进行了比较运算，t₀与t₁之间存在一定的时间延迟t_pd；t₂为专用集成电路捕获到信号S₃上升沿的时刻，t₁与t₂之间存在延迟时间t_I，其与器件速度有关；t₃为高速AD启动指令发出时刻，t₂与t₃之间专门设计了可变的延迟时间t_d，t_d通过公式2调节：

t_d＝nT_CK,n＝0,1,2,3,…（2）

通过调节参数n，延迟时间t_d发生变化，专用集成电路控制高速AD实现被测信号S₀、S₁脉间与脉宽上电压的检测；图中的时刻t₄为高速AD的实际采样时刻，t₃与t₄之间存在时间延迟t_c，它包括采集指令时间与高速AD的采样时间。

上述时序中，由于测量过程中电路不变，器件不变，被测脉冲各参数不变，假定加工环境不变或变化极其缓慢，则延迟时间t_pd、t_I、t_c不变。由此可以规划纳秒脉冲的检测过程：

专用集成电路实时监测信号S₃，信号S₀、S₁与S₂的上升沿到来，经延迟时间t_pd，S₃出现上升沿；经过延迟时间t_I，专用集成电路捕获到S₃的上升沿，设定参数n值为“0”，t_d为“0”，在t₃时刻发出AD转换指令，经过延迟时间t_c，高速AD发出采集动作，采集到t₄时刻时被测信号的瞬态值并存储，一次采集完成；

t’₃为下一次采集高速模数转换器AD1和AD2启动指令发出时刻，相应的，t’₄为下一次采集高速模数转换器AD1和AD2的实际采样时刻。

而后，专用集成电路继续捕获S₃的上升沿，将式（2）的参数n加“1”，设置延迟时间为“T_CK”，延迟1个基准时钟周期，在图中的时刻t’₃发出AD转换指令，延迟时间t_d变为t’d，延迟时间t_c后高速AD采集被测信号，得到t’₄时的被测信号并与存储值比较。若二者之比不在1/2～2之间且较小值近似于“0”，则一次检测循环完成；否则继续捕获S₃的上升沿，参数n加“1”，开始下一次检测，直至二者之比不在1/2～2之间且较小值近似于“0”或者延迟时间t_d大于500μs。

上述检测中，集成电路周期T_CK一般取10ns甚至更小，当参数n由0逐渐增大时，高速AD的采集时间能够覆盖周期不大于500μs的纳秒脉冲，同时能够分辨20ns-500μs脉宽。

2）脉宽、脉间及周期检测

集成电路内部设计双计数器，分别利用S_CK的上升沿与下降沿对被测信号S₃的脉宽或脉间计数，根据两计数值与基准时钟S_CK的半周期计算极间脉宽或脉间，计算公式见式（3）。其中，t_on为被测信号脉宽，t_off为被测信号脉间，n₁、n₂分别为检测周期内计到的基准信号S_CK上升沿与下降沿个数，测量精度T_CK/2。

t_on,t_off＝(n₁+n₂)T_CK/2（₃）

脉宽与脉间检测可用同一套双计数器，计数期间集成电路采样S₃信号，信号由高电平转低电平，集成电路调用公式（3）计算t_on；反之，信号由低平转高电平，集成电路调用公式（3）计算t_off。

3）短路与断路检测

图1所示的检测电路通过快恢复保险丝保护加工电路，正常工作时，由于用于加工电流检测的精密测量电阻R_i较小，因而，被测信号S₀幅值电压远小于信号S₁幅值电压。发生极间短路时，快恢复保险丝阻抗急剧增大，不再保持0值，从而保护电路。此时，信号S₀与S₁相同。集成电路内部的短路监测模块监测比较两信号采样值，二者相同，置位相应短路出错标志。

发生极间断路时，加工及保护支路电流为零，相应的，被测信号S₀通过精密检测电阻R_i与快恢复保险丝接地，持续保持“0”电压，直至断路状况消失。集成电路内部的断路监测模块检测到S₀的幅值电压为“0”后，置位断路出错标志。

3.检测电路实现

1）转换电路

采用图1中的转换电路结构，根据实际加工需求，设定纳秒脉冲幅值电压4-48V，脉冲频率2KHz～25MHz，脉宽20ns-1μs，峰值电流300mA，转换电路各器件可按以下值选取：

快恢复保险丝额定电流300mA，电阻R₀、R₁、R_a、R_c与R_i分别选用2K、1K、8K、9K与3欧姆精密电阻，以保证检测精度。经过转换电路，极间加工脉冲转化为3路被测信号S₀、S₁与S₂，其中S₀、S₁为小于10V的高频纳秒脉冲，直接送高速AD检测；S₂为小于5V的高频纳秒脉冲，送入高速比较电路进行波形修正与幅值电压修正，获得专用集成电路能够接受的TTL信号或CMOS信号。

2）采集与控制电路

采集与控制电路的详细结构如图3。其中的高速AD选用Max196，量程选择单极性0-10V；高速比较器选用ADCMP600，上升/下降沿2.2ns，传输延迟时间3.5ns。

通过12位并口总线DI_0-12与DII_0-12、读写控制信号WR1、WR2、RD1和RD2、片选信号CS1与CS2，检测控制逻辑专用集成电路写入指令字启动两片Max196，采集被测信号S₀与S₁，监测Max196的转换结束信号INT1与INT2，按照图2给出的检测时序获取S₀与S₁脉宽及脉间上的瞬时值；同时，专用集成电路采样高速比较电路的输出信号S₃，计量脉宽及脉间时间，辅助完成S₀与S₁的采集时序以及断/短路状态判断。

完成上述工作的同时，专用集成电路通过高速串口协议SPI与16位并行接口，响应外部处理器STM32的数据请求，送出各被测量的幅值电压、脉间/宽计数值、状态寄存器，由外部处理器STM32计算各脉冲参数并判断极间放电状态。

基准比较电源电路如图4，为获得较准确的基准电压，电路中采用基准电压芯片LM336-2.5与精密电阻R₂得到2.5V电压，而后通过精密电阻R₃与R₄分压获得0.25V的基准比较电压V_C。

4.检测控制专用集成电路

1）框架结构

根据前文所述的时序要求与功能，检测控制专用集成电路的框架结构如图5。其构成包括CPU总线接口、脉冲电压参数寄存器、脉冲时间参数寄存器、时钟电路、状态转换与控制电路、S₀/S₁电压比较电路、脉宽/间双计数电路、AD1与AD2驱动控制电路等。

便于与外部处理器的接口控制，专用集成电路的CPU总线接口设计有高速串行总线SPI与并行总线两种总线接口，通过二者，外部处理器可根据地址访问被测脉冲的各峰/谷值电压、脉宽/间计数值以及脉冲状态寄存器，结合转换电路，利用公式（1）与（3）计算极间脉冲电压、电流与时间参数，判断极间的断/短路状况。

时钟电路为专用集成电路提供测量时钟与电路控制基准时钟，专用集成电路利用其输出时钟信号，产生两路AD转换的指令写入时序、数据读出时序，同时实现精确的启动延时td、td’以及转换数据的读入延时。

此外，脉宽/间双计数电路采样时钟电路的上升沿与下降沿，结合信号S₃的高低电平状况，利用公式（3）检测脉宽与脉间；S₀/S₁电压比较电路定时采样各电压参数，比较S₀与S₁的峰值电压，二者相同，修改脉冲状态寄存器，置位短路标志；检测到S₀的峰值电压为“0”，则置位断路标志。

状态转换与控制电路有3个子模块构成：集成电路状态转换控制、AD1状态转换控制与AD2状态转换控制。三个子模块分别控制专用集成电路状态转换、AD1启动、延时与读取以及AD2启动、延时与读取。

专用集成电路具有空闲、检测、数据忙三个状态，系统上电，专用集成电路初始化各寄存器，进入空闲态；通过CPU总线接口，专用集成电路收到检测指令，进入检测态，允许各构成电路工作；检测状态下，各构成电路完成检测，写入寄存器时，专用集成电路进入数据忙状态，禁止CPU（即外部处理器）访问寄存器；同样，检测状态下，专用集成电路收到CPU（即外部处理器）的寄存器请求，也进入数据忙状态，禁止其它构成电路访问寄存器；需要说明的是，进入检测状态后，专用集成电路只有收到停止检测的指令，才会回复空闲态，否则一直处于检测态，执行脉冲检测任务。空闲状态下，CPU（即外部处理器）可以访问寄存器。

AD1与AD2状态转换控制见下节。

2）峰/谷值电压检测控制

（1）MAX196操作控制原理

峰/谷值电压检测按照图2所示的控制时序，通过AD1与AD2驱动控制电路操作模数转换器件MAX196，采样信号S₀与S₁，获得信号的峰值电压与谷值电压，供外部处理器计算加工脉冲的峰值电压与电流之用。模数转换器件MAX196的操作时序如图6。

参照图示的时序关系，专用集成电路通过并行总线的低8位写入工作方式控制字，启动数模转换。而后，专用集成电路检测转换结束信号INT，检测到低电平，启动一次读操作，利用并行总线获取12位采集电压值。MAX196的控制字格式及含义见表1，其中，地址00H～05H对应采集通道0～5。本文选用通道0，工作模式01，使用片内时钟、普通采集模式；采集模式0，芯片内部控制采集；RNG位选1，电压范围0～10V；极性选择位BIP选0，使用单极性，控制字为01010000B（50H）。

表1MAX196控制字格式及定义

（2）电路状态转换

两片MAX196的操作控制电路AD1状态转换控制与AD2状态转换控制结构相同，同时各自独立，以保证信号S₀与S₁采集的高速性与实时性。二者具有空闲、启动延时、启动、转换等待、数据获取五个状态，电路的状态转换如图7所示。

图中的IDLE、STDL、AQST、AQCD与DAQ分别表示控制电路的空闲状态、启动延时状态、启动状态、转换等待状态与数据获取状态，状态转换条件①-⑨及其含义见表2。

表2状态转换条件及含义

符号	含义	符号	含义	符号	含义
						①	空闲态下，信号S3为“高”电平	④	转换等待态，等待时间到	⑦	转换等待态，等待时间未到
②	启动延时态，时间达到nTCK	⑤	启动延时态，时间未到nTCK	⑧	数据获取态，读指令未完
						③	启动态，启动指令写周期结束	⑥	启动态，启动指令写周期未完	⑨	数据获取态，读指令结束

（3）电路仿真及工作过程

AD1驱动控制与AD2驱动控制电路的电压检测过程仿真波形如图8。图中的CLK为基准时钟，TC为检测信号S₃，iDlyCNT为公式（2）中的启动延时系数n，CS、WR、RD分别为Max196的片选、写、读信号，WrOv、RdOv、DlOv分别为写指令结束、数据读取结束与转换等待结束信号，D与iDataLst为检测过程中取得的峰值电压与谷值电压。为仿真方便，专用集成电路与Max196的双向数据总线分别通过输出总线oDMax与输入总线iDMax。

便于仿真，图中Max196的输出电压转换值由手工给定，本图主要用于验证AD控制时序。图中的仿真波形中，每一个S₃信号的上升沿触发一次检测过程，检测完毕，比较存储值与当前检测值，若二者相同，启动延时系数iDlyCNT加1，延时增加，等待S₃信号的下一个上升沿，直至检测到不同的两个电压采样值（峰/谷值电压），一次测量循环结束；图中可以看到iDlyCNT由0增至6的检测过程，延时到6T_CK后，电路检测到电压采样值1019，不同于原采样值0，表明检测到峰/谷值电压；未检测到峰值电压时，D示数保持初始化值4095（FFFH）。

图9a）～图9d）所示为上述过程中S₃第一个被测脉冲与第7个被测脉冲的检测过程。图9a)所示第一次转换启动的过程仿真，S₃（TC）的第1个上升沿来临，iDlyCNT为0，电路迅速拉低片选信号CS，开始Max196的写时序。电路响应基准时钟CLK上升沿，在S₃上升沿后的第1个CLK，Max196的数据总线oDMax送出指令字80（50H）。第7个CLK，Max196的写信号WR被拉高，供Max196接收指令字。WR被拉高后，指令字80（50H）保持2个CLK以上（大于20ns），保证指令可靠写入。同时，WR被拉高后，电路发出写结束WrOv信号，电路转入转换等待。

图9b)所示第一次转换的数据读入过程仿真，转换等待结束，电路发出转换等待结束信号DlOv，转入数据读取状态，开始Max196的读时序。转换等待结束后的第1个CLK，片选信号CS激活，发出低电平。数据读取状态下，电路响应CLK，迅速拉低Max196的读信号RD。数据读取状态下的第7个CLK，电路获取Max196的数据总线iDMax，获取采样电压值，此时的值为0。

图9c)所示第7次转换启动的过程，此时的iDlyCNT为6，S₃（TC）的上升沿来临，电路拉低CS。而后，电路执行6CLK的延时，计数值iDlyNum由1到6，开始Max196的指令写时序。启动指令发出后，电路转入转换等待。图9d)所示第7次转换的数据读入过程仿真，得到电压采样值1019。

图中的检测过程与Max196仿真时序与前文所述的检测时序、Max196操作时序严格相符。

5.验证与结论

1）电路验证

采用上述方法与原理，设计电路进行了验证。被测脉冲幅值电压5V，脉宽60ns，频率2M，所用外部处理器选用STM32F103ZET6，专用集成电路采用MaxII系列的CPLD器件EPM570T144C3实现。实验表明，测量可以实现纳秒脉宽脉冲的脉宽、脉间、峰/谷值电压检测，能够判别断/短路状态，符合原定的设计目标。

2）结论

结合纳秒脉冲在电化学加工中的应用，提出了纳秒脉宽级加工脉冲的在线检测原理、方法、电路及其实现过程，并经行了实验验证，完成的主要工作包括：

[1]纳秒脉宽加工脉冲的在线检测原理与电路框架，包括转换电路、检测与控制电路。

[2]纳秒脉宽加工脉冲的在线检测时序，包括峰/谷值检测、短路检测、断路检测等原理与过程。

[3]给出了转换电路、检测控制电路等的具体实现方法。

[4]给出了纳秒脉冲检测控制用专用集成电路的组成结构、状态转换图、峰/谷值检测、短路检测、断路检测等模块电路的实现方法，工作时序与工作过程。

[5]设计电路进行了验证。

Claims (7)

1.一种纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测电路，其特征是包括采集与控制电路以及转换电路；

一、转换电路包括：加工及保护支路、电流检测支路、电压检测支路与脉宽检测支路；

所述加工及保护支路包括：工具电极、被加工工件与精密测量电阻R_i；所述电流检测支路包括：电阻R₀₁和电阻R_a1；电压检测支路包括电阻R₀₂和电阻R_a2；所述脉宽检测支路包括：电阻R₁和电阻R_c；其中，R₀₁﹥﹥R_i；R₀₂﹥﹥R_i；R_a1﹥﹥R_i；R_a2﹥﹥R_i；

R₀₁、R₀₂、R_a1、R_a2、R₁与R_c远大于加工及保护支路的其他阻抗值；

脉冲电源的“+”极端连接被加工工件；脉冲电源的“-”极端连接工具电极；

电阻R_i连接在工具电极与脉冲电源的“-”极端之间；电阻R₀₁的一端连接工具电极，另一端连接电阻R_a1，电阻R_a1连接在电阻R₀₁与脉冲电源的“-”极端之间；电阻R₀₂的一端连接脉冲电源的“+”极端，另一端连接电阻R_a2，电阻R_a2连接在电阻R₀₂与脉冲电源的“-”极端之间；电阻R₁的一端连接脉冲电源的“+”极端，另一端连接电阻R_c，电阻R_c连接在电阻R₁与脉冲电源的“-”极端之间；

设电阻R_a1与电阻R₀₁之间为被测电流信号S₀；设电阻R_a2与电阻R₀₂之间为被测电压信号S₁；设电阻R_c与电阻R₁之间为被测脉宽信号S₂；

二、采集与控制电路包括：高速模数转换器AD1、高速模数转换器AD2、高速比较器、基准比较电压模块、检测逻辑控制专用集成电路和外部处理器；

信号S₀和信号S₁分别传入高速模数转换器AD1和AD2的输入端，得到信号S₀和S₁的数字量；信号S₂和基准比较电压送入高速比较器得到数字信号S₃；S₃与S₂的频率、脉宽和脉间相同，幅值不同，相位不同；

所述检测逻辑控制专用集成电路包括的各个模块电路分别为：时钟电路、状态转换与控制电路、S₀/S₁电压比较电路、AD1驱动控制模块、AD2驱动控制模块、脉宽/间计算双计数电路、脉冲电压参数寄存器、脉冲时间参数寄存器和总线接口电路；各个模块通过片内总线通信；外部处理器通过CPU总线接口与检测逻辑控制专用集成电路通信；

所述状态转换与控制电路包括：

a、集成电路状态转换控制模块：控制检测逻辑控制专用集成电路的状态转换；

b、AD1状态转换控制模块：控制AD1的启动、延时与读取；

c、AD2状态转换控制模块：控制AD2的启动、延时与读取；

所述AD1驱动控制模块和AD2驱动控制模块分别控制高速模数转换器AD1和AD2的启动及其他操作；

脉宽/间计算双计数电路对信号S₃的脉宽、脉间进行采样、计数，相应的计数值通过总线接口电路传给外部处理器，外部处理器根据信号S₃的脉间、脉宽与频率确定工具电极和被加工工件的极间加工脉冲的脉间、脉宽与频率；

S₀/S₁电压比较电路定时采样脉冲电压参数寄存器中的S₀与S₁的电压参数，根据比较结果来修改脉冲状态寄存器。

2.根据权利要求1所述的纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测电路，其特征是还包括快恢复保险丝F，快恢复保险丝F连接在电阻R_i与脉冲电源的“-”极端之间。

3.根据权利要求1所述的纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测电路，其特征是所述电阻R₁和R_c的阻值选择要求是，使输出被测信号S₂的幅值稳定在0～5V范围内，同时保证被测信号S₂与极间加工脉冲频率、相位相同；

精密测量电阻R_i的阻抗要求远小于加工及保护支路、电流检测支路、电压检测支路与脉宽检测支路的其他阻抗。

4.根据权利要求1所述的纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测电路，其特征是所述脉冲电压参数寄存器包括S₀峰值电压寄存器、S₁峰值电压寄存器、S₀谷值电压寄存器和S₁谷值电压寄存器，它们分别存储信号S₀与S₁对应电压的峰谷值；

脉冲时间参数寄存器包括脉间计数寄存器、脉宽计数寄存器和脉冲状态寄存器。

5.根据权利要求1所述的纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测电路，其特征是R₀₁＝R₀₂；R_a1＝R_a2。

6.一种采用权利要求1～5任一所述电路的纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测方法，其特征是先通过转换电路，把待测的被加工工件与工具电极之间的极间电压和电流转化为标准电压信号供采集与控制电路检测；采集与控制电路采样并转换得到的标准信号，该标准信号转换为数字量存入检测逻辑控制专用集成电路的相应参数寄存器；外部处理器检索相应的各参数寄存器，计算相应的极间脉冲幅值电压、电流，同时获得脉冲宽度、脉冲间隔、极间短/断路状况；

正常加工时，快恢复保险丝F阻抗为“0”；加工短路或加工电流超过快恢复保险丝F的容许电流，快恢复保险丝F阻抗急剧增大，减小加工及保护支路中的电流；短路状况消除，支路中的电流恢复正常，快恢复保险丝F的阻抗恢复为“0”，从而起到保护电路的作用；

加工及保护支路的电阻R_i和快恢复保险丝F先串联后，再与电流检测支路并联，通过电阻R₀₁与R_a1分压产生被测信号S₀，通过S₀反算正常加工时电阻R_i两端的测量电压，求得被加工工件与工具电极间的加工电流；对于用作电流检测的电阻R₀₁与R_a1，它们的阻值远大于检测电阻R_i；

加工及保护支路与电压检测支路并联；电压检测支路输出被测信号S₁；为简化极间电压计算，电压检测支路的分压电阻阻值选择与电流检测支路相同，分别为R₀＝R₀₁＝R₀₂；R_a＝R_a1＝R_a2，被加工工件与工具电极间的电压U的计算采用公式(1)：

U＝(S₁-S₀)(R₀+R_a)/R_a(1)

采集与控制：

采集与控制电路的作用是接收转换电路得到的标准信号，通过相应的采集、转换与计算，求取纳秒脉冲的幅值电压/电流、脉宽和脉间参数，判断极间的断/短路状况；

高速模数转换器AD1用于极间电流检测；正常加工时，快恢复保险丝F阻抗为“0”，高速模数转换器AD1获取测量电阻R_i两端的瞬时电压，存入相应参数寄存器，供外部处理器计算极间瞬时加工电流；加工断路时，高速模数转换器AD1检测到工具电极与“-”极端之间的瞬时电压恒为“0”值；加工短路时，快恢复保险丝F阻抗急剧增大，高速模数转换器AD1检测到工具电极与“-”极端之间的瞬时电压与脉冲电源输出电压相同；

高速模数转换器AD2与AD1相配合，利用公式(1)实现极间电压检测、断/短路状态判断：

正常加工时，高速模数转换器AD2检测加工及保护支路两端的瞬时电压，存入参数寄存器并上送外部处理器，由外部处理器结合高速模数转换器AD1的测量值计算极间瞬时电压；

加工断路时，高速模数转换器AD2测量值与脉冲电源电压相同；

加工短路时，快恢复保险丝F的阻抗增大，高速模数转换器AD1与AD2测量值相同；

高速比较器用于信号S₂的波形修正与幅值电压修正；实际加工中，受到极间加工脉冲影响，信号S₂升沿与降沿上均会存在电压波动，通过高速比较器，信号S₂与一个接近于“0”的正电压基准进行比较，在信号S₂的脉宽时间范围内，信号S₂的电压大于正电压基准，比较器稳定送出高电平；在信号S₂的脉间范围内，信号S₂的电压小于正电压基准，比较器稳定送出低电平；由此，信号S₂脉宽与脉间上的电压波动得以消除，同时通过高速比较器，信号S₂也转化为标准的CMOS或TTL信号S₃，便于检测逻辑控制专用集成电路处理，而且信号S₂和信号S₃频率、脉间与脉宽完全相同；

检测逻辑控制专用集成电路利用自身的基准时钟对信号S₃的脉宽、脉间进行采样、计数，将相应计数值送入外部处理器；根据基准时钟频率与得到的脉宽、脉间计数值，外部处理器计算信号S₃的脉间、脉宽与频率，从而确定极间加工脉冲的脉间、脉宽与频率；

检测逻辑控制专用集成电路利用信号S₃作为高速数模转换器AD1与AD2的启动时间基准；检测逻辑控制专用集成电路根据信号S₃的信号状态，发出高速数模转换器AD1与AD2的控制指令，实现采集转换、数据读取与判别工作，获得信号S₁、S₀的瞬时电压；

整个过程中，检测逻辑控制专用集成电路负责各指令数据生成、传输以及相关各时序控制，无需外部处理器的干预及控制，外部处理器向检测逻辑控制专用集成电路请求各被测信号采样值，计算被加工工件与工具电极间的电压瞬时值、判断极间状况。

7.根据权利要求6所述的纳秒脉宽电化学加工脉冲实时检测方法，其特征是

1)幅值电压及电流的检测时序：

设：

信号S为实际加工极间脉冲；信号S_CK为检测基准时钟，该时钟同时用作检测逻辑控制专用集成电路的基准时钟，周期为T_CK；

时刻t₀为信号S₀、S₁与S₂的上升沿，时刻t₁为信号S₃的上升沿；由于与基准比较电压进行了比较运算，t₀与t₁之间存在时间延迟t_pd；

t₂为捕获到信号S₃上升沿的时刻，t₁与t₂之间存在延迟时间t_I；

t₃为高速模数转换器AD1和AD2启动指令发出时刻，t₂与t₃之间设有可变的延迟时间t_d，t_d通过公式2调节：

t_d＝nT_CK,n＝0,1,2,3,…(2)

通过调节参数n，延迟时间t_d发生变化，检测逻辑控制专用集成电路通过控制高速模数转换器AD1和AD2，实现信号S₀、S₁脉间与脉宽上电压的检测；

t₄为高速模数转换器AD1和AD2的实际采样时刻，t₃与t₄之间存在时间延迟t_c，t_c包括采集指令时间与高速模数转换器AD1和AD2的采样时间；

上述时序中，由于测量过程中电路不变，器件不变，被测脉冲各参数不变，假定加工环境不变或变化极其缓慢，则延迟时间t_pd、t_I、t_c不变，由此可以规划纳秒脉冲的检测过程：

检测逻辑控制专用集成电路实时监测信号S₃；

信号S₀、S₁与S₂的上升沿到来，经延迟时间t_pd，S₃出现上升沿；经过延迟时间t_I，捕获到S₃的上升沿；设定参数n值为“0”，t_d为“0”，t₃时刻发出AD1和AD2的转换指令，经过延迟时间t_c，高速模数转换器AD1和AD2发出采集动作，采集到t₄时刻时被测信号的瞬态值并存储，一次采集完成；

t’₃为下一次采集高速模数转换器AD1和AD2启动指令发出时刻，相应的，t’₄为下一次采集高速模数转换器AD1和AD2的实际采样时刻；

而后，继续捕获S₃的上升沿，将式(2)的参数n加“1”，设置延迟时间t_d为“T_CK”，延迟1个基准时钟周期，在t₃时刻后经过1个时钟周期的延时，即t’₃时刻发出AD1和AD2的转换指令，延迟时间t_d变为t’_d，延迟时间t_c后高速模数转换器AD1和AD2采集被测信号S₀、S₁，得到t₄时刻延后一个时钟周期T_ck后的t’₄时刻时的被测信号S₀、S₁并与存储值比较：

若S₀、S₁的值与相应的存储值之比在1/2～2之间，则继续捕获S₃的上升沿，参数n加“1”，得到新的t’₃、t’₄，开始下一次检测，直至上述比值不在1/2～2之间或延迟时间t_d大于500μs；

若S₀、S₁的值与相应的存储值之比不在1/2～2之间，则一次检测循环完成；

2)脉宽、脉间及周期检测：

检测逻辑控制专用集成电路内部设有双计数器，分别利用S_CK的上升沿与下降沿对被测信号S₃的脉宽或脉间计数；根据两计数值与基准时钟S_CK的半周期计算极间加工脉冲的脉宽或脉间，计算公式见式(3)；其中，t_on为被测信号脉宽，t_off为被测信号脉间，n₁、n₂分别为检测周期内计到的基准信号S_CK上升沿与下降沿个数，测量精度为T_CK/2；

t_on＝(n₁+n₂)T_CK/2

(3)

t_off＝(n₁+n₂)T_CK/2

脉宽与脉间检测用同一套双计数器，采样S₃信号，该信号由高电平转低电平，则调用公式(3)计算t_on；该信号由低电平转高电平，则调用公式(3)计算t_off；

3)短路与断路检测

正常工作时，被测信号S₀的幅值电压远小于信号S1；

发生极间短路时，快恢复保险丝F阻抗急剧增大，不再保持0值，此时，信号S₀与S1相同；检测逻辑控制专用集成电路监测比较信号S₀与S1的采样值，二者相同，则判断短路；

发生极间断路时，加工及保护支路电流为零，相应的，被测信号S₀通过电阻R_i与快恢复保险丝F接地，持续保持“0”电压，直至断路状况消失；检测逻辑控制专用集成电路检测到S₀的幅值电压为“0”后，则判断断路。