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应用于怀柔太阳磁场望远镜KD*P电光调制器高精度高压控制系统设计

应用于怀柔太阳磁场望远镜KD*P电光调制器高精度高压控制系统设计

点击数:7815 次   录入时间:03-04 11:37:01   整理:http://www.55dianzi.com   其他电源技术
由于系统中存在1 000 V的高压成分,为了对主控计算机进行保护,逻辑控制侧的TTL控制信号通过光耦控制现场侧的高压脉冲信号,形成从逻辑侧到现场侧的不可“逆”电路,从而保护主控计算机及其他重要的观测设备。
2.3 数据采集与KD*P同步反转电路设计
   
要实现磁场测量需要进行积分计算,而且要保证左旋光和右旋光的分别进行积分,然后才能根据Stokes公式计算获得太阳磁场,通常情况下要实现10 G的测量精度,积分的数据帧数需要达到256帧以上。磁场计算公式经简化后如下:
    Mag=K(I+-I-)/(I++I-)      (1)
    式中:Mag为太阳磁场;K为望远镜磁场测量的定标系数;I+和I-分别表示左旋光积分值和右旋光积分值。
    因此,要保证磁场测量精度就必须要要保证数据采集和KD*P高压信号的同步。在该系统中,通过CCD自身提供的Strobe信号和数字I/O卡输出的数据采集结束信号经由74HC74进行同步形成KD*P高压的反转同步信号。

3 测试结果对比
3.1 高压脉冲波形指标对比
   
整个系统的要求指标为:由于矩形波存在有一定的上升时间,这个上升时间一起的波形误差经过了KD*P调制器及滤光器作用,会引起出射光电流的畸变,这样会影响测量视线速度的精度,以及干扰磁场信号。因此为了保证这个系统的测量精度,要求矩形波上升与下降时间在74μs之内,也就是半波的上升下降时间在37 μs之内,这相当于矩形波周期的1/100,对于电压纹波,要求矩形波顶部不规则起伏小于幅度的1/200。原有高压调制系统实测指标:矩形波的上升下降时间为10~12μs,仅为T/700新高压调制系统实测指标,如图1所示。

a.JPG

   
    图1为示波器测量所得输出1 000V高压时高压脉冲信号的上升和下降沿,横坐标代表时间,每一个大格表示1μs;纵坐标代表电压幅值,一个大格代表500 V,图中显示的电压幅值为1 000 V,即脉冲幅值为1 000 V时上升沿和下降沿的时间,都小于1μs。为了能够更好地看出高压波形的上升和下降所造成的时延,分别只抓取波形的上升沿和下降沿,比较其延迟时间,从图中可以看出波形上升和下降沿总共的延迟小于2μs。
    图2为示波器测量所得高压波形的纹波,为了能够清楚的显示纹波大小,在示波器上对波形进行放大,横坐标代表时间,其中每大格代表400 ns(每小格80 ns);纵坐标代表电压幅值,一个大格代表10 V(每小格2 V)。该图表明系统输出1 000 V的脉冲序列,上升沿开始1.6μs之后,纹波小于2 V。

b.JPG

   
    图2可以看出除了上升沿之后的1.2μs内有4 V左右的波动之外(可能是系统中的电容效应造成),1.6μs之后平稳输出阶段的纹波幅值均小于2 V,即波动小于总幅值的1/500。从上面的实际波形测量中我们看到:高压波形的上升下降延迟时间总和小于2μs,常规观测周期一般为20~30μs,即:延迟时间仅相当于波形周期的1/1 500~1/1 000;电压纹波,波形的不规则起伏小于2 V,即波动小于高压幅度的1/500。以上指标可以看出,高压波形精度满足了系统的原始要求,在实际使用中也取得了良好的效果。



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3.2 磁场数据对比
   
采用原有KD*P电光调制器高压系统和新KD*P电光调制器高压系统对日面上的一个活动区进行了对比观测,两次观测所得磁场数据之间的时间间隔为5 min,当天该活动区没有剧烈活动,而且天气状况稳定,认为这样的时间间隔内磁场基本无变化,可以通过比较两者的差异,比较新旧高压系统的性能优劣。
    图3为新旧高压磁场数据灰度显示比较,该图显示的是太阳磁场数据,其中白色部分代表黑子磁场的正极性部分,黑色部分代表黑子磁场负极性部分。

c.JPG

   
    图4为磁场数据等高线图,磁场数据按照磁场强度为20,40,80,160,320,640:960,1 280,1 600,1 920,2 240,2 560,2 880(单位:G)绘制对应于图3磁场数据的等高线图,以此对比新旧高压系统在磁场测量灵敏度方面的差异。从图3磁场灰度显示中(两幅图的显示参数设置完全一致)可以看出(b)中的黑子磁场的轮廓、边沿、内部结构等都比(a)中的对应部分要清晰。在图4磁场数据等高线图中(等高线间隔设置完全一致),图(b)中等高线的层次明显要多于图(a),在远离黑子的一些区域中,图(b)中有梯度线出现,图(a)中则根本没有。另外,取矩形框中的部分做简单对比:图(a)的等高线层次总共是4级,而图(b)中的层次则有7级。计算了两幅磁图中的最大值和最小值:原有高压调制系统测的磁场最大值450.160,最小值为-448.709;新系统的最大值为660.610,最小值为-710.741。后者的数据范围明显要大于前者。

d.JPG

    从高压脉冲波形指标的对比中可以看出,新旧两套高压调制系统都充分满足望远镜磁场测量的要求,而新系统在波形精度指标方面比原有系统有很大提高;从实测磁场数据的比较中可以看出无论从磁场灰度图直观显示,还是从等高线图分析、数据范围分析,新的高压系统测得的磁场数据都要优于原有系统。

    4 结语

    该调制器电源性能稳定、工作良好、与原有系统接口完全兼容、维护方便,满足观测要求。目前已经投入使用并已取得大量良好的磁场观测数据。另外,在这套系统研制过程中积累的技术和经验,为其他望远镜中电光调制器高压控制系统的研制、调试等提供了大量的资源,提高了这些系统的研制、调试效率。



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