CN106018941B - 一种基于压频转换技术的脉冲高压测量平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压频转换技术的脉冲高压测量平台。该测量平台由依次相接的分压模块、信号调理模块、压频转换模块、电光转换模块、光电转换模块、频率计数模块、频压转换模块和显示存储模块组成。本发明采用了光纤传输，适合远距离和对抗干扰要求较高的场合；采用FPGA实现频压转换，运算速度快，系统延时小；信号调理电路中加入了量程转换功能，转换后量程内压频转换后的输出频率增加，保证了整个量程范围内传输延时和精度指标。本发明测量精度高，延时小，抗电磁干扰能力强，解决了现有技术实时性不高的问题；本发明还可结合频谱分析模块，对脉冲电压进行频谱分析和滤波，具有重要的应用前景。

Description

一种基于压频转换技术的脉冲高压测量平台

技术领域

本发明属于直流高压测量与隔离传输领域，更具体地，涉及一种基于电压频率转换技术的脉冲直流高压测量平台的设计。

背景技术

在受控核聚变领域中，为了进一步提高试验参数，必须采用辅助加热手段(如电子回旋加热)对等离子体进一步加热以达到点火温度。脉冲直流高压电源作为辅助加热系统的重要组件，其运行的稳定与安全对整个辅助加热系统来讲尤为关键。为了实现脉冲直流高压电源的反馈控制与远程监控保护，需要对其输出电压进行测量与传输，以便控制器进行采集、显示与控制。由于高压脉冲电源本身具有幅值高(几十至上百千伏)、前沿快(数十us)、电磁环境干扰强等特点，所以需要测量与隔离传输系统具有精度高、延时短以及高低电压隔离等优点。

在脉冲高压测量中，一般利用分压器将高压脉冲幅值降至可传输范围，再将低压模拟信号传输至控制器采集，进行显示及控制。传输过程要加入信号隔离模块,以实现高压测量与低压采集控制两部分的电气隔离。光耦隔离、隔离放大器隔离和V/F及F/V变换隔离是三种使用较广的模拟信号隔离方案。其中，V/F及F/V变换方案使用压频转换电路将电压信号转换成频率信号，频率信号通过光纤传输，最后经频压转换电路将频率信号转换回电压信号进入控制器进行A/D转换采集，比较适合远距离的测量与传输。但是该方法的主要问题在于频压转换过程中电容积分与低通滤波带来的传输延时使整个系统的实时性较差，无法达到控制与保护的延时要求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，结合实际应用环境的要求，本发明提供了一种脉冲高压测量平台的设计方案，旨在快速精确地测量出强电磁干扰环境下快前沿、高幅值的脉冲直流电源输出高压波形并隔离传输至控制器，以解决现有技术在频压转换过程中电容积分与低通滤波带来的传输延时使整个系统的实时性较差，无法达到控制与保护要求的技术问题。

本发明提出一种脉冲高压测量平台，其包括依次串接的分压模块、信号调理模块、压频转换模块，电/光转换模块、光/电转换模块、频率计数模块和频压转换模块；其中：

所述分压模块用于将脉冲高压按线性比例分压后，形成0-10V的直流脉冲电压送至信号调理模块；

所述信号调理模块用于阻抗变换和量程转换，通过阻抗变换满足分压器对输出端负载的阻值要求；通过量程转换将输入的0-10V电压按线性比例转换为5-10V输出；

所述压频转换模块用于将输入的5-10V电压转换成线性比例的方波频率信号；

所述电/光转换模块用于将压频转换模块送入的频率信号转换成光信号，便于通过光纤传输；

所述光/电转换模块用于将光纤传来的光信号还原成电信号；

所述频率计数模块用于从电信号中统计出方波个数，从而计算出频率参数；

所述频压转换模块用于将频压转换模块计算得到的频率计数值按照比例关系转换为脉冲高压幅值。

进一步的，所述频压转换模块之后，还接有显示存储模块，用于显示和存储频压转换模块输出的脉冲高压数据。

进一步的，所述信号调理模块的量程转换是由电压基准芯片产生+5V参考电压，输入的0-10V电压经电阻分压转换为0-5V，与+5V参考电压共同输入加法电路，得到5-10V的电压输出，不仅满足了前面分压模块的负载阻抗要求，还提高了量程内压频转换的输出频率，降低了测量延时。

进一步的，所述压频转换模块输入端设有电压跟随器对输入信号进行缓冲隔离，输出端的频率信号经过反相器整形后输出，电压跟随器增大了输入阻抗，实现对前面信号调理模块的隔离，整形器提高驱动能力，同时使输出的方波频率信号上升/下降沿时间更短。

进一步的，所述频率计数模块由可编程门电路芯片FPGA设计的数字频率计实现。采用labview语言编程，频率测量方法采用周期测量法，频率数据的存储与通信由先入先出缓存器FIFO实现。

进一步的，所述频压转换模块之后还接有频谱分析模块，能对脉冲电压进行频谱分析和滤波。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本系统与传统的压频转换电路-光纤传输-频压转换电路-控制器A/D模拟采集的隔离传输方式相比：首先消除了频压转换电路带来的测量误差与转换延时，提高了精度；其次，可以采用FPGA芯片数字采集频率，FPGA数字处理能力较强，与采集模拟电压值相比，系统延时进一步减小，特别适合远距离和对实时性要求较高的场合。经试验测试，所设计的压频转换传输系统的非线性度在0.3％以下，传输延时在2us左右，满足实际工作中对传输系统的精度和延时要求。

(2)本系统针对压频转换电路在输入电压较低时输出频率较低，频率采集周期增加的问题，在信号调理电路中加入了量程转换功能，将原本的0-10V电压转换到了5-10V，这样经过压频转换后量程内的输出频率增加，保证了整个量程范围内传输的延时和精度都较好。

(3)本系统的频率计数模块、频/压转换模块、显示存储模块可采用NI LabView虚拟仪器程序设计实现，LabView语言具有强大的数据采集、处理及显示存储功能，多种针对测试测量的程序工具包，图形化程序设计过程简单高效，特别适合于测量控制领域的程序开发。本系统程序设计中利用LabView丰富的数据处理功能，对采集频率转换的电压数据进行了频谱分析、滤波等处理，进一步提高了测量的精度。对最终的电压数据设计了自动保存并生成Excel数据文件的功能，方便对数据的分析与进一步处理。

附图说明

图1是具体实施例中的测量平台系统整体结构图；

图2是具体实施例中的分压模块阻容分压器原理图；

图3为具体实施例中的信号调理模块电路原理图；

图4为具体实施例中的压频转换模块电路原理图；

图5为具体实施例中的控制器内部各模块分布示意图；

图6为具体实施例中的频率计数模块的FPGA程序流程图；

图7为具体实施例中的频压转换模块的控制器程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明，这里的具体实施方式在于详细地说明本发明，而不应理解为对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和实质范围的情况下，可以做出各种变形和修改，这些都应包含在本发明的保护范围之内。

图1是脉冲直流高压电源测量平台系统整体结构图，脉冲直流高压电源的输出通过高压电缆分别接到分压模块的高压输入端和接地柱上，分压模块由法国ROSS公司生产的阻容分压器实现，分压比例为10000:1，输入接于脉冲高压电源的高压输出端，用于将脉冲高压幅值(0-100kv)分压到可传输的范围(0-10V)。分压器原理图如图2所示，分压器输入电阻Rin＝R1+R2＝300MΩ，低压臂电阻为R2，输出负载电阻要求1MΩ，低压臂电阻R2与负载电阻并联阻值R2//RL＝Rin/10000，输入电容14.11pf，实现了10000:1的分压比。可工作在DC到1MHz的范围内，装有均压球，直流测量准确度为0.1％，输出阻抗为1MΩ。分压模块的低压臂输出经由一根15ft(4.752米)长的同轴电缆接到信号调理模块输入端的BNC接头上。

图2是信号调理模块的原理图。信号调理模块由二次分压电路、电压跟随电路和加法电路三部分组成，用于阻抗变换与量程转换。整个模块的输入接于分压模块阻容分压器的低压臂输出端，输出接入后续的压频转换模块。阻容分压器低压臂输出的0-10V低压信号Vin1由BNC接头接入信号调理电路，信号调理电路中首先由R1和R2两个500kΩ的精密电阻进行二次分压，满足了分压器1MΩ的负载电阻要求，并且将0-10V的电压信号转换成0-5V。转换后的0-5V电压信号进入由运放芯片LF356组成的电压跟随电路中，增大了后级电路的输入阻抗，避免了后级电路对R1、R2分压电路的分压效果产生影响。REF195芯片是一个+5V基准电压参考芯片，可以精确地提供+5V基准电压。经由二次分压和电压跟随的0-5V电压信号与+5V基准信号进入由运放LM324组成的加法电路中，将0-5V电压信号抬升至5-10V输出。

信号调理模块输出的5-10V电压信号Vin2进入压频转换模块，图3是压频转换模块的电路原理图。该电路基于压频转换芯片AD650所设计，输入端增加了运放LF356组成的电压跟随器进行缓冲隔离，5-10V电压信号经跟随器缓冲后后经由输入电阻进入AD650芯片的电压输入端引脚3，输入电阻由5kΩ电阻和20kΩ电位器Rv1串联组成。AD650芯片的引脚3和引脚1之间接入积分电容Cint＝1000pf，引脚6接入定时电容Cos，输入电阻和定时电容Cos共同决定了芯片的满度频率和非线性度，定时电容Cos确定为560pf以满足非线性度较小，调节电位器Rv1的阻值可以调节输出频率与输入电压之间的比例关系。引脚13、14之间的20kΩ电位器Rv2功能是进行零度校准，减小转换误差。引脚8为AD650的频率信号输出引脚，该引脚输出的方波频率信号通过增加反相器7414芯片进行整形后输出，接入电光转换模块。

压频转换模块输出的方波频率信号进入电光转换模块，该模块由HFBR-1414光纤发射器及简单的外围驱动电路组成HFBR-1414是一款高功率、高稳定性的光发射机，可以将数字电信号转换为光信号进行光纤传输，提高了传输系统的稳定性和抗电磁干扰能力。转换后的光信号通过光纤由高压端远距离传输至低压控制器端，进入控制器端的光电转换模块，将光信号转换回方波频率信号。

本实施例中，频率计数模块由FPGA板卡完成，频压转换模块在上位机控制器内完成，FPGA板卡采用NI公司的PXI-7842R板卡，最大时钟频率达40MHz，满足频率计数需求。上位机控制器采用NI公司的PXI-8108嵌入式控制器，控制器配有标准设备，如集成CPU、硬盘、内存、以太网、串口、USB和其他外设，安装windows实时操作系统。光电转换模块与PXI总线控制机箱内的FPGA板卡通过64针接口连接，转换后的频率信号进入FPGA板卡进行采集与存储。图4是控制器硬件内部频率计数模块、频压转换模块和显示存储模块的分布示意图。

FPGA板卡的实时性较强，便于实现频率计数模块，按照设定的采样率进行频率的采集与计数，利用FIFO存储器进行频率数据的存储，并与上位机控制器通过FIFO方式进行实时数据传输。FPGA和上位机控制器中FIFO的数据深度要设定得当，使得FIFO不会溢出或读空，以保证频率数据的连续传输，本例中FPGA中FIFO深度设定为1024，上位机控制器FIFO深度设定为10000，图5为FPGA板卡内频率计数模块的程序流程图，频率计数模块主要实现了频率信号的采集和频率信号频率值的计数、存储与通信。

上位机控制器具有较强的计算能力与显示功能，所以负责实现频压转化模块和显示存储模块，接收FIFO中存储的频率数据，将其按照比例转换为电压，转换比例由分压器分压比，信号调理模块量程转换比例，压频转换模块频压比三个数据得出。进一步的，如有监测电源纹波并反馈控制的需要，模块可根据得到的脉冲电压波形进行频率分析和数字滤波，频谱分析结果用于对电源输出电压纹波做监测，数字滤波实现对脉冲电压波形平顶阶段的整形，方便电源的反馈控制。

本实施例频谱分析模块功能实现采用基于labview程序的FFT算法控件，数字滤波采用基于labview的数字滤波器控件，滤波器类型为2阶butterworth低通滤波器，低截止频率设计为0.25kHz，高截止频率设计为2kHz。经过滤波处理的脉冲电压波形进行最终的界面显示与文件存储，实现波形监控与反馈控制的目的。图6为上位机控制器内频压转换模块的控制器程序流程图。

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 (6)

1.一种基于压频转换技术的脉冲高压测量平台，其特征在于，其包括依次串接的分压模块、信号调理模块、压频转换模块、电光转换模块、光电转换模块、频率计数模块和频压转换模块；其中：

所述分压模块用于将脉冲高压按线性比例分压后，形成0-10V的直流脉冲电压送至信号调理模块；

所述信号调理模块用于阻抗变换和量程转换，通过阻抗变换满足分压器对输出端负载的阻值要求；通过量程转换将输入的0-10V电压按线性比例转换为5-10V输出；

所述压频转换模块用于将输入的5-10V电压转换成线性比例的方波频率信号；

所述电/光转换模块用于将压频转换模块送入的频率信号转换成光信号，便于通过光纤传输；

所述光/电转换模块用于将光纤传来的光信号还原成电信号；

所述频率计数模块用于从电信号中统计出方波个数，从而计算出频率参数；

所述频压转换模块用于将频压转换模块计算得到的频率计数值按照比例关系转换为脉冲高压幅值。

2.根据权利要求1所述的脉冲高压测量平台，其特征在于，频压转换模块之后，还接有显示存储模块，用于显示和存储频压转换模块输出的脉冲高压数据。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲高压测量平台，其特征在于，信号调理模块的量程转换是由电压基准芯片产生+5V参考电压，输入的0-10V电压经电阻分压转换为0-5V，与+5V参考电压共同输入加法电路，得到5-10V的电压输出。

4.根据权利要求1或2所述的脉冲高压测量平台，其特征在于压频转换模块输入端设有电压跟随器对输入信号进行缓冲隔离，输出端的频率信号经过反相器整形后输出，电压跟随器增大了输入阻抗，实现对前面信号调理模块的隔离，整形器提高驱动能力，同时使输出的方波频率信号上升/下降沿时间更短。

5.根据权利要求1或2所述的脉冲高压测量平台，其特征在于，频率计数模块由可编程门电路芯片FPGA设计的数字频率计实现。

6.根据权利要求1所述的脉冲高压测量平台，其特征在于，频压转换模块之后还接有频谱分析模块，能对脉冲电压进行频谱分析和滤波。