基于FPGA的EAST-ICRH天线相位测量研究-论文.pdf

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1、第35卷第4期核电子学与探测技术V01．35NO．42015年4月NuclearElectronics&DetectionTechnologyApr．2015基于FPGA的EAST—ICRH天线相位测量研究陈照2，赵燕平，程艳，陈根(1．中科院等离子体物理研究所，合肥230031；2．中国科学技术大学，合肥230026)摘要：离子回旋波加热(ICRI-I)是EAST超导托卡马克核聚变实验装置加热等离子体的重要手段之一，而离子回旋加热天线电流带之间的相位关系影响到天线的加热效果。论文提出了一种基于FPGA的ICRH天线相位测量方案，采用双AD8302模

2、块以及新的算法解决了相位测量的二值性和非线性误差问题，测量精度高。同时利用FPGA可编程的特点，使得系统的设计变得简洁灵活，便于后期功能的扩展。关键词：离子回旋波加热；现场可编程门阵列；相位测量；AD8302中图分类号：TP274文献标志码：A文章编号：0258-0934(2015)04-0317-05离子回旋波作为加热、维持、控制高温等离1相位测量系统设计子体的重要手段之一，被视为芯部等离子体加热和电流驱动的首选手段。它不仅可以加热电1．1整体方案子、离子，还用来控制等离子体某些重要参数的ICRH天线相位测量系统主要包括相位检空间分布和产生等离子体

3、极向电流，以及驱动测模块、信号调理与采集模块以及上位机程序。等离子体等⋯。理论计算和实验研究表明，离相位检测模块放置在EAST实验装置天线端，子回旋天线运行在(0，)相位时，具有较好的用来检测天线电流带之间的相位差，鉴相模块加热效果且产生相对较小的杂质。另外，天线将相位差信号转化为对应的模拟量信号，转化在(0，at／2)相位运行时可以驱动不对称谱，有后的模拟量信号通过视频双绞线传输到高功率利于电流驱动的研究。在未来ITER装置上，微波加热实验大厅的采集处理系统，8台发射离子回旋电流驱动将作为驱动芯部电流的重要机，每4台为一组，每组需要3个相位检测模手

4、段，因而天线相位的测量和精确控制无论对块，共6个相位检测模块。信号调理与采集模于离子回旋加热还是驱动研究都有着重要的意块负责将采集到的相位模拟信号滤波放大，并义，如果天线的相位不能够精确测量并加以反且转化为数字量最终计算出实际的相位值。上馈控制，则可能导致天线电流带之间的功率不位机程序负责将信号调理与采集模块上传的相平衡，影响加热效果。位数据实时显示和自动保存，并且可以调用查看历史数据。1．2相位检测模块设计收稿日期：2015—03—26相位检测模块用来检测天线电流带之前的基金项目：国家磁约束核聚变ITER专项支持相位差，鉴相手段多种多样，主要有锁相

5、环鉴相(2015GB101001)；国家自然科学基金(11375236，和正交鉴相。本系统选择的是正交鉴相，选用11375235)。的是利用正交鉴相原理的AD8302芯片，作者简介：陈照(1989一)，男，安徽安庆人，博士研究AD8302是ADI公司设计的用于RF／IF幅度和生，主要从事高速电路和控制方面研究。3l7相位测量的单片集成电路，主要由精密匹配的相位差，输入信号范围为一6O—OdBm(50Q系两个宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放统)[21。ICRH系统工作的频率范围为20MHz大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓～110MHz，满

6、足设计要求，AD8302鉴相模块冲器等部分组成，能同时测量从低频到2．7的电路原理图如图1所示，AD8302芯片的输出CHz频率范围内的两输人信号之间的幅度比和信号经过有源二阶低通滤波器降低纹波大小。图1AD8302鉴相模块原理图AD8302芯片的鉴相特性曲线如图2所示，1．3信号调理与采集模块可以看出，AD8302的相位测量范围从0。到该模块的主要功能是将鉴相模块传人的模180。，一180。到O。的曲线呈镜像，斜率取反。拟信号进行数字化并计算出实际的相位值。信号调理与采集模块的框图如图4所示。该模块．、共有24路输入通道，可以并行处理24路模拟I

7、

8、‘、J信号。输入信号首先经过有源二阶滤波器滤除，’／f、j噪声干扰，然后利用放大器和偏置电路将输入，rI信号调整到ADC的动态范围内，最后通过差分7，Jf、、放大器AD8132将单端信号转换为差分信号传送给ADC。采集模块采用芯片型号为，ADS5270的8通道、40blSPS采样率、串行输出、l2bit的ADC。经过数字化后的串行信号传人图2AD8302芯片的鉴相特性曲线FPGA进行串并转换、相位符号判断、相位区间为了得到360。的鉴相范围，设计中采用2判断、相位值计算、SPI数据传输等相关处理，个鉴相器为一组来确定相位的正负，如图3所最后计算得到的

9、相位值送给反馈控制板和上位示。来自传输线探针的射频信号经过功分器一机进行相位反馈控制和相位的实时显示与保分为