多通道大功率脈沖氙燈放電監測裝置的制作方法

本實用新型涉及電子測量技術領域。

背景技術：

脈沖氙燈有連續光譜好、光強度大、發光效率高以及高壽命等特點，被廣泛用于激光領域。在慣性約束核聚變的研究中，為了得到更高功率的輸出激光，要求作為泵浦源的脈沖氙燈輸入能量能夠達到上萬焦耳，并有比較高的輻射效率，從而輻射出更多的能量用以引發慣性約束核聚變。慣性約束聚變又稱靶丸聚變，是實現受控熱核聚變的一種途徑，它依靠高功率的脈沖氙燈放電將電能轉換為輻射能。為了能夠得到巨大的輻射能量，通常需要上百路脈沖氙燈通過打靶試驗同時放電提供輻射能量。

脈沖氙燈放電過程是否正常，是打靶試驗成功的關鍵。脈沖氙燈放電輻射出的能量使釹玻璃的原子躍遷到激發態，此時，激光從釹玻璃中經過，激光的能量就得到了放大。脈沖氙燈放電不正常，氙燈有發生爆炸的可能，一個氙燈的爆炸會將一個放大器內的其他幾個氙燈損壞，同時損壞釹玻璃。一個氙燈的價格在萬元左右，一個釹玻璃的價格在幾十萬。因為脈沖氙燈放電不正常造成氙燈和釹玻璃的損壞，造成了經濟損失。

基于以上情況，在打靶試驗過程中，對脈沖氙燈放電過程的監測十分重要，因此就需要脈沖氙燈放電監測裝置來實現對脈沖氙燈放電過程的監測。

技術實現要素：

本實用新型是為了在打靶試驗時對脈沖氙燈放電過程進行監控的需求，從而提出了一種多通道大功率脈沖氙燈放電監測裝置。

多通道大功率脈沖氙燈放電監測裝置，它包括N個衰減網絡1、N個AD轉換器2、磁耦合隔離器3、主控電路4、存儲器5、網絡接口及控制電路6和上位機7；N為正整數；

N個衰減網絡1的輸入端分別作為N路脈沖氙燈放電信號的輸入端，N個衰減網絡1的信號輸出端分別與N個AD轉換器2的模擬信號輸入端，N個AD轉換器2的數字信號端通過磁耦合隔離器3分別與主控電路4的N個串行信號輸入端連接，主控電路4的觸發信號端用于接收外部的觸發信號，主控電路4通過網絡接口及控制電路6與上位機7進行數據交互，存儲器5的信號端與主控電路4的存儲器信號端連接。

每個AD轉換器2均為16位的模數轉換芯片AD7671。主控電路4為FPGA。

主控電路4包括N個串并轉換電路41、通道選擇器42、控制器43、地址計數器44和命令選擇器45；

所述N個串并轉換電路41的串行信號端分別用于接收來自磁耦合隔離器3的N路數字信號；所述N個串并轉換電路41的并行信號端分別與通道選擇器42的N路信號輸入端連接；所述通道選擇器42的信號輸出端同時與存儲器5和信號端和控制器43的通道選擇信號輸入端連接；

控制器43的通道選擇控制信號輸出端與通道選擇器42的通道選擇控制信號輸入端連接；

控制器43的地址計數信號輸出端與地址計數器44的地址計數信號輸入端連接；

所述地址計數器44的地址計數信號輸出端與存儲器5的地址存儲信號端連接；

所述控制器43的數據信號輸出端與網絡接口及控制電路6的數據信號輸入端連接；

所述網絡接口及控制電路6的命令信號輸出端與命令選擇器45的命令信號輸入端連接；

所述命令選擇器45的命令信號輸出端與控制器43的命令信號輸入端連接；

所述控制器43的觸發信號輸入端用于接收外部的觸發信號。

主控電路4內部設置有時鐘電路，所述時鐘電路包括數字鎖相環倍頻器和分頻器；

所述數字鎖相環倍頻器的輸入端接收來自20M晶振發出的信號，所述數字鎖相環倍頻器的輸出端與分頻器的輸入端連接，所述分頻率器的五個輸出端用于給N個AD轉換器2、N個串并轉換電路41、存儲器5的數據存入、存儲器5的數據讀取和通道選擇提供時鐘信號。

本實用新型獲得的有益效果：

(1)、采用16比特高速ADC，提高了數據采集精度、大大縮短了脈沖氙燈放電信號重構的時間，降低了功耗、減小了器件成本。

(2)、每個通道采用獨立的信號調理電路和模數轉換電路，實現了多通道同步采樣。即使一路監測通道出現故障也不會影響其他通道的正常工作。

(3)、使用網絡通信的方式，不僅提高與上位機通信速度，而且裝置間可以無限擴展。

(4)、模擬通道與數字控制電路之間使用磁耦合隔離器件，降低了強電場、強磁場環境對監測裝置的影響。

(5)、本裝置的輸入電壓范圍是±50V，可輸入電壓范圍更廣。

本實用新型充分適應了在打靶試驗時對脈沖氙燈放電過程進行監控的需求。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖；

圖2是AD7671的輸出時序的結構示意圖；

圖3是時鐘產生電路結構示意圖；

圖4是控制邏輯電路示意圖；

圖5是存儲器存流程示意圖；

圖6是網絡通信結構示意圖；

圖7是多裝置組成的網絡結構圖。

具體實施方式

具體實施方式一、結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的多通道大功率脈沖氙燈放電監測裝置，多通道大功率脈沖氙燈放電監測裝置，該裝置包括N個衰減網絡1、N個AD轉換器2、磁耦合隔離器3、基于FPGA的主控電路4、存儲器5和網絡接口及控制電路6；N為正整數；

N個衰減網絡1的輸入端分別作為N路脈沖氙燈放電信號的輸入端，N個衰減網絡1的信號輸出端分別與N個AD轉換器2的模擬信號輸入端，N個AD轉換器2的數字信號端通過磁耦合隔離器3同時與主控電路4的N個串行信號輸入端連接，主控電路4的觸發信號端用于接收外部的觸發信號，主控電路4通過網絡接口及控制電路6與上位機7進行數據交互，存儲器5的信號端與主控電路4的存儲器信號端連接。

本實用新型的工作過程如下：

脈沖氙燈放電過程中產生的信號經過模擬電路部分先衰減5倍，衰減后的信號經過高速AD轉換器以及磁耦合隔離器件被轉換為數字信號送入可編程門陣列FPGA中，在可編程門陣列FPGA的控制下，將AD轉換器采集的數據存儲到外部存儲器中。上位機通過網絡模塊使用TCP/IP網絡協議發送“開始采集”的命令給控制器，控制器接收到此命令控制可編程門陣列FPGA將存儲在外部存儲器中的數據發送給控制器。最后，控制器通過網絡協議將接收的數據發送到上位機，上位機通過這些數據將信號顯示出來。

原理：1、衰減網絡、AD轉換以及磁耦合隔離

脈沖氙燈放電過程中產生的能量非常高，通常經過互感器轉化為介于±50V的信號才可進行下一步處理。則如圖2中的衰減網絡利用運放同相端電阻分壓的方式將輸入介于±50V的信號減小為原來的五分之一，通過AD轉換將模擬量轉換成數字量，再通過磁耦合隔離電路將轉換的數字信號傳入主控電路。

本實用新型使用的是16位的模數轉換芯片AD7671，它的特點是：模擬輸入電壓范圍大、低功耗、極高采樣速率、串并行兩種輸出方式。圖2為AD7671的工作時序：

轉換信號由CNVST啟動，啟動開始便無法重新開始或終止，它有兩種數據讀取模式：第一種是數據轉換完成后讀取轉換完成的數據，第二種是在本次數據轉換完成后讀取上一次轉換完成的數據，圖2所示的時序圖為第二種形式的數據采集方式，即當收到采集信號的指令后，檢測電路檢測到未開始信號。當數據吞吐達到忙碌信號置為高電平，芯片開始讀取上一數據傳輸過程的數據。根據資料，如果是采用第二種方式進行數據讀取，需要將讀取數據的信號放置于低電平時序的前半段，這樣可以避免模擬電路與數字接口之間電壓瞬間變化發生饋通。

2、主控電路

本實用新型中，主控電路是利用可編程邏輯門陣列FPGA中數量龐大的LE(邏輯單元)和LAB(邏輯陣列模塊)，搭建復雜的時鐘產生和控制邏輯電路，完成對AD轉換的數據存儲、數據讀取、數據傳輸等一系列復雜的工作。

(1)時鐘產生電路

圖3為脈沖氙燈放電監測裝置時鐘產生電路，如圖，外部20MHz的晶振在FPGA內部數字鎖相環倍頻電路中產生100MHz的時鐘，經過由不同計數器和比較器組成的分頻電路分別產生AD轉換、AD串并行轉換、外部存儲器存儲數據、外部存儲器讀取數據以及各個通道轉換所需的時鐘。

如圖4為控制邏輯電路框圖，控制單元是主控電路的核心部分，它在一定時鐘下，完成以下任務：對上位機傳送命令類型和觸發信號進行判斷；對AD轉換后的10個通道的數據進行選擇；將選擇的通道數據存儲到外部存儲器中；讀取外部存儲器數據并傳送給上位機。由于本實用新型使用了AD7671的串行輸出方式，因此10個通道的信號經過AD轉換的數字信號在一定時序下，經過移位寄存器轉換成并行數據，再經過計數器，通過地址總線找到存儲地址后，將這一路數據存儲在外部儲存單元中。一個通道數據的存儲完成，則需要在通道選擇器的配合下，順序地存儲每路通道的數據。

網絡接口及控制電路接收到來自上位機傳送的命令，通過命令選擇器，對命令和觸發信號進行判斷，若產生了觸發信號，則外部存儲器中存儲的每個通道的數據將通過控制邏輯電路傳送給上位機，完成采集任務。

3、外部存儲電路

為了采集更多的數據和實現多通道信號同步采樣，本實用新型采用了外部存儲電路組成的數據緩存模塊。本發明選用ISSI公司的高速靜態RAM IS62WV12816ALL，其存儲容量為128K×16位。它使用了高度可靠的工藝，加上最新的電路設計技術，達到高性能、低功耗的特點。

由于選用的是128K×16位的高速靜態RAM，則使用17位的地址總線，16位的數據總線。如圖5，通過地址總線尋址的方式傳送或接收數據。每傳送或接收一組16位數據，計數器加1，使得地址總線指向下一個存儲空間。若通過比較電路得知存儲空間滿值，地址總線被重置。同時，通過通道選擇電路，使得數據的讀取和存儲交替進行。

4、網絡接口電路

為了提高傳輸速度和降低實現多裝置擴展的難度，本實用新型使用了網絡通信。如圖6中，本實用新型使用網絡接口芯片DM9000，移植TCP/IP網絡協議，完成與上位機通信。這里，移植了占用資源少、運行效率高的UIP協議。

本實用新型以FPGA為核心搭建的控制邏輯電路，對多片高速AD轉換后的數據處理實現高速同步采樣。使用FPGA內部大量邏輯單元，搭建倍頻、分頻產生的高速時鐘產生電路，在各種時鐘的工作下，對AD采樣后通過以外部大容量存儲器為核心的高速數據存儲讀取電路，實現多通道信號同步采樣。使用支持網絡協議的網絡接口芯片與上位機通信的方法，實現無限可擴展的多路脈沖氙燈放電信號的監測。信號輸入端使用衰減電路對輸入信號衰減的處理，擴大了輸入信號電壓的輸入幅值。模擬通道與數字控制電路之間使用磁耦合隔離電路，降低了強電場、強磁場對監測裝置的干擾。

有益效果：(1)采用16比特高速ADC，提高了數據采集精度、大大縮短了脈沖氙燈放電信號重構的時間，降低了功耗、減小了器件成本。

(2)每個通道采用獨立的信號調理電路和模數轉換電路，實現了多通道同步采樣。即使一路監測通道出現故障也不會影響其他通道的正常工作。

(3)使用網絡通信的方式，不僅提高與上位機通信速度，而且裝置間可以無限擴展。圖7為多臺裝置組成的網絡系統，此種方式很容易擴展至上百路或更多的監測通道。

(4)模擬通道與數字控制電路之間使用磁耦合隔離器件，降低了強電場、強磁場環境對監測裝置的影響。

(5)本裝置的輸入電壓范圍是±50V，可輸入電壓范圍更廣。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。