SI21524A

SI21524A - Postopek natančnega merjenja amplitudne in fazne odvisnosti večjega števila visokofrekvenčnih signalov in naprava za izvedbo postopka

Info

Publication number: SI21524A
Application number: SI200300115A
Authority: SI
Inventors: Rok UR�I�
Original assignee: Instrumentation Technologies D.O.O.
Priority date: 2003-05-05
Filing date: 2003-05-05
Publication date: 2004-12-31
Also published as: SI21524B; ES2354250T3; EP1475641A2; US20040222778A1; ATE479102T1; DK1475641T3; DE602004028778D1; US6972552B2; EP1475641B1; EP1475641A3

Abstract

Predloženi izum se nanaša na postopek natančnega merjenja amplitudne in fazne odvisnosti večjega števila visokofrekvenčnih signalov, ki je zlasti uporaben pri sinhrotronskem pospeševalniku osnovnih delcev. Bistvo predlagane rešitve leži v tem, da se z eno merilno napravo doseže 0,2 mikronsko ločljivost in 1 mikronsko ponovljivost meritev do spodnje frekvenčne meje nekaj kHz in to brez prekrivnega popačenja. Sočasno pa je pri za razred slabši ločljivosti mogoče opazovati pojave v frekvenčnem področju do nekaj MHz. Postopek po izumu obsega izmenično vodenje s pomočjo radiofrekvenčnega (RF) preklopnika vsakega iz niza analognih signalov na vsako iz niza RF procesnih enot; ojačanje omenjenih analognih vhodnih signalov v RF procesnih enotah z namenom prilagoditve signalov merilnemu dosegu niza analogno digitalnih pretvornikov; vodenje ojačanih analognih vhodnih signalov v niz analogno digitalnih (A/D) pretvornikov in pretvorba analognih v digitalne signale; vodenje digitalnih signalov v niz korektorjev ojačanja; korigiranje digitalnih signalov s korekcijskimi signali iz izenačevalnika ojačanj; zbiranje iz korektorjev ojačanja izhajajočih digitalnih signalov v digitalnem preklopniku in pošiljanje urejene, rekombinantne množice digitalnih signalov v niz digitalnih sprejemnikov; in filtriranje rekombinantne množice digitalnih signalov v nizu nizkopasovnih sit.ŕ

Description

POSTOPEK NATANČNEGA MERJENJA AMPLITUDNE IN FAZNE ODVISNOSTI VEČJEGA ŠTEVILA VISOKOFREKVENČNIH SIGNALOV IN NAPRAVA ZA IZVEDBO POSTOPKA

Predloženi izum se nanaša na postopek natančnega merjenja amplitudne in fazne odvisnosti večjega števila visokofrekvenčnih signalov, prednostno pri sinhrotronskem pospeševalniku osnovnih delcev, in na napravo za izvedbo omenjenega postopka.

Moderni sinhrotronski pospeševalniki osnovnih delcev, zlasti izvori sinhrotronske svetlobe, postavljajo stroge zahteve glede natančnosti, ponovljivosti in ločljivosti pri merjenju položaja pospešenih delcev prečno na smer gibanja le-teh. Te meritve morajo zlasti zadostiti zahtevam podmikronske ločljivosti, od jakosti toka pospešenih delcev neodvisne visoke natančnosti, ponovljivosti meritev tekom daljšega časovnega obdobja, neprekinjenega posredovanja meritev v realnem času med normalnim delovanjem pospeševalnika in posredovanja množice zaporednih širokopasovnih meritev z vzorčno frekvenco, ki običajno presega milijon vzorcev na sekundo. Te meritve so ključnega pomena pri zagonu pospeševalnika in nepogrešljiva diagnostika pri optimizaciji in študiju delovanja pospeševalnika.

Večkanalne merilne naprave večinoma uspešno opravljajo svojo nalogo, imajo pa skupno pomanjkljivost, ki se odraža v neenakosti in časovni spremenljivosti prenosnih funkcij posameznih kanalov, kar posledično omejuje ponovljivost merjenja. V patentnem spisu US 5,001,416 je opisana rešitev, ki zahtevano ponovljivost položaja tirnice rešuje s postopkom časovnega multipleksiranja. Pomanjkljivost te rešitve leži v majhni frekvenčni pasovni širini merilne naprave, s čimer je omogočena le počasna korekcija tirnice. Poleg tega je merilna naprava, opisana v US 5,001,416, zaradi narave časovnega multipleksiranja občutljiva na neželeno preslikavanje frekvenčnega pasu. Vsi periodični pojavi sinhrotronskega pospeševalnika v frekvenčnem območju nad periodo časovnega multipleksa lahko sovpadejo, s čimer pokvarijo informacijo o resničnem položaju tirnice.

Naloga predloženega izuma je torej ustvariti postopek natančnega merjenja amplitudne in fazne odvisnosti večjega števila visokofrekvenčnih signalov, prednostno pri sinhrotronskem pospeševalniku osnovnih delcev, ki bo odpravil pomanjkljivosti znanih rešitev.

Nadaljnja naloga izuma je tudi ustvariti napravo za izvedbo omenjenega postopka natančnega merjenja amplitudne in fazne odvisnosti večjega števila visokofrekvenčnih signalov.

Bistvo predlagane rešitve leži v lem, da se z eno merilno napravo doseže 0,2 mikronsko ločljivost in 1 mikronsko ponovljivost meritev do spodnje frekvenčne meje nekaj kHz in to brez prekrivnega popačenja. Sočasno pa je pri za razred slabši ločljivosti mogoče opazovati pojave v frekvenčnem področju do nekaj Mhz.

Postopek natančnega merjenja amplitudne in fazne odvisnosti večjega števila visokofrekvenčnih signalov obsega s pomočjo radiofrekvenčnega (RF) preklopnika ciklično povezovanje vsakega iz niza vhodnih signalov, izhajajočih iz npr. v vakuumski cevi sinhrotronskega pospeševalnika osnovnih delcev simetrično razporejenih elektrodnih plošč, z vsako iz niza RF procesnih enot. Ciklično povezovanje je pri tem neodvisno od sekvence vse dotlej, dokler je vsakokratni RF vhod priključen na vsako iz niza RF procesnih enot v enako dolgih časovnih intervalih. Pri tem je vsakokratni analogni vhodni signal časovno enakomerno zastopan v posamezni RF procesni enoti. Vhodne analogne signale se v RF preklopniku obdela na način, da so omenjeni vhodni analogni signali lahko sočasno paroma prisotni v poljubni kombinaciji različnih parov signalov na izhodu iz RF preklopnika.

Sekvence stanj RF preklopnika so po izumu ciklične, pri čemer je hitrost rotiranja preklopov tolikšna, da se komponente asimetričnosti ojačanja v izhodnih digitalnih signalih izloči s filtriranjem z nizkopasovnim sitom. Sekvence stanj RF preklopnika pa so po izumu lahko tudi aciklične v širokem frekvenčnem področju, s čimer se zmanjša prekrivno popačenje.

Iz vsakokratne RF enote se signale vodi dalje v niz analogno digitalnih (A/D) pretvornikov. Vsaka iz niza RF procesnih enot ima nastavljivo ojačanje oz. slablenje, zaradi česar se z nastavitvijo enakega ojačanja vseh RF procesnih enot prilagodi vrednost amplitude največjega signala merilnemu dosegu vsakokratnega (A/D) pretvornika.

Izhodni signal iz vsakokratnega A/D pretvornika se vodi v korektor ojačanja, ki vrednost digitaliziranega vhodnega signala korigira po navodilih sistema za identifikacijo razlik med ojačanji posamezne RF enote s pripadajočim A/D pretvornikom. Iz vsakokratnega korektorja ojačanja izhajajoči signal se vodi v digitalni preklopnik, s katerim se izvrši rekombinacijo signalov. Omenjeni digitalni preklopnik je sinhroniziran z RF preklopnikom, tako da se prvi vhodni signal vedno obdela v prvem digitalnem sprejemniku, da se drugi vhodni signal vedno obdela v drugem digitalnem sprejemniku, in da se N-ti vhodni signal vedno obdela v N-tem digitalnem sprejemniku. Vsakokratni signal se nadalje iz niza digitalnih sprejemnikov filtrira v nizu nizkopasovnih sit, katerih pasovna širina je izbrana tako, daje bistveno nižja od frekvence preklapljanja preklopnikov. S tem se v digitalnem delu doseže vektorsko povprečenje signalov iz analognega dela, kar zagotavlja preslikavo amplitudnega in faznega razmerja med vhodnimi signali na izhodne signale na način:

Oj/1_} = O₂/I₂ = ... = O/I_N = G, kjer je

G — (Gi + G₂ + ... + G_n)/N in kjer pomeni: Ij... In i

O,... On i

G, G j... Gn vhodni signal, izhodni signal, število posameznih merjenih signalov, prenosna funkcija RF procesne enote in A/D pretvornika

Digitalne signale na izhodu iz korektorjev ojačanja se korigira s korekcijskimi signali iz izenačevalnika ojačanj. Pri tem se korekcijske signale iz izenačevalnika ojačanj pridobi tako, da se digitalizirane signale neposredno za korektorjem ojačanja vodi skozi digitalni sprejemnik v nizkopasovno sito, nakar se jih obdela z vezjem, ki te signale medsebojno primerja in z namenom medsebojne uskladitve iz A/D pretvornika v korektor ojačanja vstopajočih signalov ustvarja korekcijske signale, ki se jih vodi nazaj v korektor ojačanja.

Eno od značilnosti predloženega izuma predstavlja tudi dejstvo, da se posamezne digitalne signale ojača za povprečno ojačanje vseh RF procesnih enot.

Naprava za izvedbo postopka po izumu je v nadaljevanju pobliže predstavljena s sklicevanjem na priložene skice, kjer kaže sl. 1 blokovno zgradbo merilne naprave sl. 2 blokovno zgradbo RF preklopnika

V vakuumski cevi 1 sinhrotronskega pospeševalnika je simetrično postavljen niz elektrodnih plošč 2_b 2₂,... 2_N, ki so v cevi 1 razporejene tako, da v prečni ravnini cevi 1 oz. tirnice pospešenih delcev merijo potencialno razliko električnega polja vsled električnega naboja pospešenih osnovnih delcev. V elektrodnih ploščah 2_b 2₂, ... 2_N se inducirajo električni signali F, I₂, ... I_N, ki se jih vodi v radiofrekvenčni (RF) preklopnik 3, ki je detajlneje opisan v nadaljevanju. RF preklopniku 3 je priključen niz RF procesnih enote 4_b4₂, ... 4_N z nastavljivim ojačanjem oz. slablenjem, katerih vsaki sledi analogno digitalni (A/D) pretvornik 5_b 5₂, ... 5_N- Z nastavitvijo enakega ojačanja vseh RF procesnih enot prilagodi merilna naprava po izumu vrednost amplitude največjega signala l_h I₂, ... In merilnemu dosegu vsakega A/D pretvornika. Iz vsakokratnega A/D pretvornika izhajajoči digitalni signali so vodeni v korektor ojačanja 6_b 6₂, ... 6_N, v katerem se vrednost vsakokratnega digitaliziranega vhodnega signala korigira po napotkih sistema 7 za identifikacijo in izenačitev razlik med ojačanji posamezne RF enote s pripadajočim A/D pretvornikom.

Iz vsakokratnega korektorja ojačanja 6_h 6₂, ... 6_N se signale I_h I₂, ... I_N vodi v digitalni preklopnik 8, v katerem poteka rekombinacija omenjenih signalov, nakar se signale vodi v niz digitalnih sprejemnikov 9i, 9₂, ... 9_N, ki so priključeni omenjenemu preklopniku 8. Digitalni preklopnik 8 je sinhroniziran s RF preklopnikom 3 na način, da se ne glede na stanje RF preklopnika 3 vhodni signal f vedno procesira v digitalnem sprejemniku 9j, da se vhodni signal I₂ vedno procesira v digitalnem sprejemniku 9₂, in da se vhodni signal I_Nvedno procesira v digitalnem sprejemniku 9_N.

Na sl. 2 je prikazana zgradba RF preklopnika 3, pri čemer je predpostavljeno, da se obdeluje štiri vhodne signale. RF preklopnik 3 pri tem sestoji iz niza enakih preklopnikov TS₍, TS₂, TS₃, TS₄, pri čemer sta na vhoda a, c prvega preklopnika TSj speljana vhodna signala I_b 1₃ in sta na vhoda a, c drugega preklopnika TS₂ speljana vhodna signala I₂, hPreklopnika TS₃, TS₄ sta pri tem prosta, kar pomeni, da nista povezana z vhodnimi signali. Vsakokratna izhoda b, d preklopnikov TSi, TS₂ sta priključena vhodom a, c preklopnikov TS₃, TS₄. Vsakokratna izhoda b, d preklopnikov TS₃, TS₄ sta zatem priključena ustrezni RF procesni enoti.

Vsakokratni preklopnik TSj, TS₂, TS₃, TS₄ lahko zavzame zgolj dve različni stanji. To pomeni, daje v prvem stanju omogočen prehod signalov po poteh a-b; c-d, medtem ko so ostale poti zaprte, in da je v drugem stanju omogočen prehod signalov po poteh a-d; b-c, medtem ko so ostale poti zaprte. Poti b-d; a-c sta v vsakem primeru zaprti.

Kot že zgoraj omenjeno, lahko preklopniki TSi, TS₂, TS₃, TS₄ zavzamejo poljubno kombinacijo dveh stanj, za katere paje značilno, da od šestnajstih mogočih stanj tvorijo štiri skupine, ki imajo v časovno enaki razporeditvi stanj lastnost enakomerne prisotnosti vhodnih signalov I_b I₂, I₃, I₄ in izhodnih signalov Oj, O₂, O₃, O₄. Simetrična zgradba vsakokratnega preklopnika pomeni, da je pri obeh stanjih preklopnika pot takšna, da ima enako električno karakteristiko. Zgradba preklopnikov je tudi geometrijsko simetrična, zaradi česar ima enake električne lastnosti tudi pri frekvencah nad 100 Mhz. Navedeno velja tudi za medsebojno povezavo preklopnikov TSi, TS₂, TS₃, TS₄.

Sistem 7 za identifikacijo in izenačitev razlik med ojačanji posamezne RF procesne enote 4_h 4₂, ... 4_N s pripadajočim A/D pretvornikom 5_b 5₂, ... 5_N sestoji iz niza vzporednih digitalnih sprejemnikov 11,, 11₂, ... 11_N, katerih vsakokratni vhod je povezan z mestom vsakokratnega prehoda iz digitalnega sprejemnika 9_b 9₂,... 9_N v nizkopasovno sito 10,, 10₂, ... 10_N. Omenjeni digitalni sprejemniki ll_b 11₂, ... 11n so zaporedno priključeni nizu nizkopasovnih sit 12_b 12₂, ... 12_n, pri čemer so izhodi iz omenjenih nizkopasovnih sit vzporedno priključeni izenačevalniku 13 ojačanj. Izhodi omenjenega izenačevalnika 13 ojačanj so priključeni nazaj na vsakokratni korektor ojačanja 6_b 6₂,... 6_N.

Instrumentation Technologies d.o.o.

Claims

PATENTNI ZAHTEVKI

1. Postopek natančnega merjenja amplitudne in fazne odvisnosti večjega števila visokofrekvenčnih signalov, pridobljenih iz merilnih elektrod, značilen po tem, da

5 obsega naslednje korake:

- izmenično vodenje s pomočjo radiofrekvenčnega (RF) preklopnika vsakega iz niza analognih vhodnih signalov na vsako iz niza RF procesnih enot;

- ojačanje omenjenih analognih vhodnih signalov v RF procesnih enotah z namenom prilagoditve signalov merilnemu dosegu niza analogno digitalnih (A/D)

10 pretvornikov;

- vodenje ojačanih analognih vhodnih signalov v niz analogno digitalnih pretvornikov in pretvorba analognih v digitalne signale;

- vodenje digitalnih signalov v niz korektorjev ojačanja;

- korigiranje digitalnih signalov s korekcijskimi signali iz izenačevalnika ojačanj;

15 - zbiranje iz korektorjev ojačanja izhajajočih digitalnih signalov v digitalnem preklopniku in pošiljanje urejene, rekombinirane množice digitalnih signalov v niz digitalnih sprejemnikov; in

- filtriranje rekombinirane množice digitalnih signalov v nizu nizkopasovnih sit.

20
2. Postopek po zahtevku 1, značilen po tem, daje vsakokratni analogni vhodni signal časovno enakomerno zastopan v posamezni RF procesni enoti, in da se vhodne analogne signale v RF preklopniku obdela na način, da so omenjeni vhodni analogni signali lahko sočasno paroma prisotni v poljubni kombinaciji različnih parov signalov na izhodu iz RF preklopnika.
3. Postopek po zahtevku 1, značilen po tem, da se korekcijske signale iz izenačevalnika ojačanj pridobi tako, da se digitalizirane signale neposredno za korektorjem ojačanja vodi skozi digitalni sprejemnik v nizkopasovno sito, ki se jih obdela z vezjem, ki te signale medsebojno primerja in z namenom medsebojne uskladitve iz A/D

30 pretvornika v korektor ojačanja vstopajočih signalov ustvarja korekcijske signale, ki se jih vodi nazaj v korektor ojačanja.
4. Postopek po zahtevkih 1 do 3, značilen po tem, da so sekvence stanj RF preklopnika ciklične, pri čemer je hitrost rotiranja preklopov tolikšna, da se komponente asimetričnosti ojačanja v izhodnih digitalnih signalih izloči s filtriranjem z nizkopasovnim sitom.
5. Postopek po zahtevkih 1 do 3, značilen po tem, da so sekvence stanj RF preklopnika aciklične v širokem frekvenčnem področju, s čimer se zmanjša prekrivno popačenje.
6. Postopek po zahtevkih 1 do 4, značilen po tem, da se posamezne digitalne signale

JO ojača za povprečno ojačanje vseh RF procesnih enot.
7. Naprava za natančno merjenje amplitudne in fazne odvisnosti večjega števila visokofrekvenčnih signalov, značilna po tem, da obsega

- radiofrekvenčni (RF) preklopnik (3), na katerega vhod je pripeljan niz vhodnih

15 signalov (I_b I₂, ... In), izhajajočih iz v vakuumski cevi (1) simetrično razporejenih merilnih elektrodnih plošč (2_b 2₂,... 2_N);

- niz RF preklopniku (3) vzporedno priključenih radiofrekvenčnih (RF) procesnih enot (4,,4₂, ...4_n);

- vsakokratni RF procesni enoti (4,, 4₂,... 4_n) zaporedno priključen analogno digitalni

20 (A/D) pretvornik (5|, 5₂,... 5_N);

- vsakokratnemu A/D pretvorniku (5_h 5₂, ... 5_N) zaporedno priključen korektor ojačanja (6_b 6₂,... 6_N);

- digitalni preklopnik (8), ki mu je na vhodni strani vzporedno priključen omenjeni niz korektorjev ojačanja (6_t, 6₂, ... 6_N), in ki mu je na izhodni strani vzporedno

25 priključen niz digitalnih sprejemnikov (9,, 9₂,... 9_N);

- vsakokratnemu digitalnemu sprejemniku (9i, 9₂, ... 9_N) zaporedno priključeno nizkopasovno sito (1 Oi, 10₂,... 10_N), iz katerega izhaja ustrezen niz izhodnih signalov (Oi, O₂,... O_N) za nadaljnje ovrednotenje; in

- sistem (7) za identifikacijo in izenačitev razlik med ojačanji posamezne RF

30 procesne enote (4_b 4₂, ... 4_N) s pripadajočim A/D pretvornikom (5_b 5₂, ... 5_N), pri čemer je niz vhodov sistema (7) povezan z mestom vsakokratnega prehoda iz korektorja ojačanja (6_b 6₂, ... 6_N) v digitalni preklopnik (8) in pri čemer je niz izhodov sistema (7) priključen na vsakokratni korektor ojačanja (6_b 6₂₎... 6_N).
8. Naprava po zahtevku 7, značilna po tem, da RF preklopnik (3) sestoji iz niza enakih preklopnikov (TS_b TS₂, ... TS_N), pri čemer sta na vhoda (a, c) prvega preklopnika

5 (TSi) speljana vhodna signala (I_b I₃) in sta na vhoda (a, c) drugega preklopnika (TS₂) speljana vhodna signala (I₂, h), medtem ko sta preklopnika (TS₃, TS₄) prosta; da sta vsakokratna izhoda (b, d) preklopnikov (TS_b TS₂) priključena vhodom (a, c) preklopnikov (TS₃, TS₄); in da sta vsakokratna izhoda (b, d) preklopnikov (TS₃, TS₄) priključena ustrezni RF procesni enoti (4_h 4₂,... 4_N).
9. Naprava po zahtevku 7 in 8, značilna po tem, da vsakokratni preklopnik (TS_b TS₂,... TS_N) lahko zavzame dve različni stanji, tako daje v prvem stanju omogočen prehod signalov po poteh (a-b; c-d), medtem ko so ostale poti zaprte, in da je v drugem stanju omogočen prehod signalov po poteh (a-d; b-c), medtem ko so ostale poti /5 zaprte, pri čemer sta poti (b-d; a-c) v vsakem primeru zaprti.
10. Naprava po zahtevku 7, značilna po tem, da sistem (7) za identifikacijo in izenačitev razlik med ojačanji posamezne RF procesne enote (4_b 4₂, ... 4_N) s pripadajočim A/D pretvornikom (5i, 5₂, ... 5_N) sestoji iz niza vzporednih digitalnih sprejemnikov (ll_b

20 112,... 11 n), katerih vsakokratni vhod je povezan z mestom vsakokratnega prehoda iz digitalnega sprejemnika (9_b 9₂,... 9_N) v nizkopasovno sito (10_b 10₂, ... 10_N), in ki so zaporedno priključeni nizu nizkopasovnih sit (12_b 12₂, ... 12_N), pri čemer so izhodi iz omenjenih nizkopasovnih sit vzporedno priključeni izenačevalniku (13) ojačanj, katerega izhodi so priključeni vsakokratnemu korektorju ojačanja (6_]; 6₂,... 6_N).