一种铁氧体高频加载腔偏磁曲线测试装置及方法

技术领域

本发明属于粒子加速器测试领域，具体涉及一种粒子加速器铁氧体高频加载腔偏磁曲线测试装置及方法，特别涉及一种全自动高效高精度的铁氧体高频加载腔偏磁曲线测试装置及方法。

背景技术

铁氧体高频加载腔是粒子同步加速器的核心部件之一，其稳定可靠运行的重要条件之一，是要腔体在扫频工作的各个频率点，通过偏磁电源提供相应的偏磁电流使其达到谐振状态。而腔体谐振时各频率点与对应的偏磁电流给定之间的关系即为偏磁曲线。不准确的偏磁曲线函数，无法使腔体达到最优的调谐状态，末级推动系统输出电流大，容易过载，系统稳定性差。所以获取准确的偏磁曲线是系统稳定可靠运行的关键。

传统的偏磁曲线测试方法如图1所示，使用三台仪器，包括信号源、稳压电源和示波器。信号源输出某一频点且固定幅度的正弦波信号，则示波器可以观察到腔体的取样信号。再通过电压源改变偏磁电源的给定信号以调整输出电流，从而达到腔体调谐的目的。寻找调谐点的方法是，手动改变电压源输出电压，偏磁电源输出到腔体的电流随之改变，通过示波器观察腔体取样信号幅度，使其达到最大，该点即为该频率下腔体的调谐位置。此时记录该时刻的电压源给定值，同时记录信号源此刻的信号频率。

在腔体工作的扫频范围内按一定频率间隔依次增长，同时根据上述方式获取各频率点在腔体调谐(即示波器显示幅度最大)时电压源的给定值。记录每组数据，则可根据这些点手动拟合出两者之间的函数关系。此时通过给出一组腔体正常工作时连续扫频频率曲线和该对应关系，可计算出一条连续偏磁电压给定曲线用于设备正式运行。

上述方式存在几个问题：

1、测试时需要手动接入多台仪器。

2、示波器肉眼观察精度有限，影响系统最终达到的调谐状态。

3、手动方式测试的数据量有限，难以提高拟合曲线的准确性。

4、手动校准偏磁曲线过程复杂，无法在系统状态发生变化时进行实时偏磁曲线校准。

上述问题使得系统因引入人为因素而无法达到最优的工作状态，同时降低工作效率。在系统状态发生改变时，重新测试校准需要复杂的步骤且精度有限。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种铁氧体高频加载腔偏磁曲线测试装置及方法，解决了传统测试方法中需要使用多台设备手动接入问题，同时免去通过肉眼观察示波器产生的精度误差，避免了所有人为因素的影响，可提高系统性能使其达到最优的调谐状态。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一个方面，是提供一种铁氧体高频加载腔偏磁曲线测试装置，其包括：测试系统、高频低电平、功率源、铁氧体高频加载腔、偏磁电流源以及腔压取样器；所述测试系统用于按照预设频率间隔输出频率逐次累加或递减的正弦波信号，同时输出给定电压源信号；所述高频低电平和功率源用于对输出的正弦波信号进行滤波和放大后输出到所述铁氧体高频加载腔；所述偏磁电流源用于根据给定电压源信号输出对应的偏磁电流到所述铁氧体高频加载腔；所述腔压取样器用于对所述铁氧体高频加载腔的电压进行取样后发送至所述测试系统；所述测试系统根据返回的腔压取样信号对输出的给定电压源信号进行自动调节，直至所述铁氧体高频加载腔达到谐振状态，进而得到各给定频率的正弦波信号下铁氧体高频加载腔达到谐振状态时所对应的电压源给定值，并据此得到所述铁氧体高频加载腔的偏磁曲线。

进一步，所述测试系统包括计算机控制器、DDS扫频信号输出模块、DAC电压给定输出模块以及ADC数据采集模块；所述计算机控制器用于按照预设频率间隔输出频率控制信号到所述DDS扫频信号输出模块，同时输出电压控制信号到所述DAC电压给定输出模块；所述DDS扫频信号输出模块用于根据接收到的频率控制信号输出对应频率的正弦波信号；所述DAC电压给定输出模块用于根据接收到的电压控制信号输出对应的电压信号；所述ADC数据采集模块用于对腔压取样器的腔压取样信号进行采集处理后发送到计算机控制器；所述计算机控制器用于对腔压取样信号进行处理后得到铁氧体高频加载腔的偏磁曲线。

进一步，所述计算机控制器中设置有上位机，所述上位机内设置有频率控制模块、电压控制模块、数据采集模块、实时峰值检测模块、数据记录模块以及曲线拟合模块；所述频率控制模块用于按照预设频率间隔以及预设步进累加输出频率控制信号到DDS扫频信号输出模块；所述电压控制模块用于在每一个频点，由低到高或由高到低全范围按预设步进输出电压控制信号到DAC电压给定输出模块；所述数据采集模块用于控制ADC数据采集模块进行数据采集并获取ADC数据采集模块采集的腔压取样信号数据；所述实时峰值检测模块用于根据腔压取样信号数据得到腔压取样信号的最大值，即在电压源全范围变化时，获取各频点峰值检测结果的最大值；所述数据记录模块，用于记录腔压取样信号最大值时的DDS扫频信号输出模块的输出频率及DAC电压给定输出模块的输出电压值；所述曲线拟合模块，用于对数据记录模块记载的数据进行曲线拟合，获取偏磁曲线函数关系。

进一步，所述计算机控制器通过PCI总线与所述DDS扫频信号输出模块、DAC电压给定输出模块以及ADC数据采集模块进行通讯。

本发明的第二个方面，是提供一种铁氧体高频加载腔偏磁曲线测试装置的测试方法，其包括以下步骤：

步骤1：测试开始，计算机控制器将DDS扫频信号输出模块的输出频率设定为扫频最低频率点f

步骤2：计算机控制器控制DAC电压给定输出模块的输出电压V

步骤3：计算机控制器控制DDS扫频信号输出模块的输出频率累加步进Δf，即将DDS扫频信号输出模块的输出频率设定为f

步骤4：重复步骤3，直到DDS扫频信号输出模块的输出频率达到最大设定值f

步骤5：将所有的频率f

步骤6：偏磁曲线测试结束。

进一步，所述步骤2中，得到第一组数据的方法，包括以下步骤：

步骤2.1：计算机控制器将DAC电压给定输出模块的输出电压V

步骤2.2：ADC数据采集模块读取腔体电压取样信号，并由实时峰值检测模块检波出腔压取样信号的最大值，记为

步骤2.3：计算机控制器控制DAC电压给定输出模块的输出电压V

步骤2.4：ADC数据采集模块读取腔体电压取样信号，并由实时峰值检测模块检波出腔压取样信号的最大值，记为

步骤2.5：将当前检波结果

步骤2.6：重复步骤2.3～步骤2.5，对腔压取样信号的最大值

进一步，所述频率间隔Δf依据实际设备工作的频带宽度和需要拟合的数据量来确定。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置有测试系统，该测试系统中设置有计算机控制器，通过设置频率控制模块和电压控制模块，能够自动输出给定频率和电压源信号，避免了传统方式人为因素影响，大大提高了系统偏磁曲线测试的准确性，可更精准的找到铁氧体腔系统各个频率点的调谐位置，提高系统的运行精度，同时降低系统功耗。在粒子加速器同步加速器铁氧体加载腔工程应用上非常实用，具有很好的推广性。2、本发明由于设置有ADC数据采集模块，并在计算机控制器的上位机中设置有实时峰值检测模块和曲线拟合模块，使得所有测试数据自动完成，自动生成曲线拟合结果，可提高测试数据量，提高曲线拟合精度。在系统发生状态变化的情况下，可实时进行重测校准。提高系统调谐性能的同时，提高工作人员的工作效率。因此，本发明可以广泛应用于粒子加速器测试领域。

附图说明

图1是传统偏磁曲线测试方法系统框图；

图2是本发明铁氧体高频加载腔偏磁曲线测试装置的系统框图；

图3是本发明测试系统框图；

图4是本发明铁氧体高频加载腔偏磁曲线测试方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2所示，本发明提供了一种铁氧体高频加载腔偏磁曲线测试装置，其包括：测试系统、高频低电平、功率源、铁氧体高频加载腔、偏磁电流源以及腔压取样器。其中，测试系统用于按照预设频率间隔输出频率逐次累加或递减的正弦波信号，同时输出给定电压源信号；高频低电平和功率源用于对输出的正弦波信号进行滤波和放大后输出到铁氧体高频加载腔；偏磁电流源用于根据给定电压源信号输出对应的偏磁电流到铁氧体高频加载腔；腔压取样器用于对铁氧体高频加载腔的电压进行取样后发送至测试系统；测试系统根据返回的腔压取样信号对输出的给定电压源信号进行自动调节，直至铁氧体高频加载腔达到谐振状态，进而得到各给定频率的正弦波信号下铁氧体高频加载腔达到谐振状态时所对应的电压源给定值，并据此得到铁氧体高频加载腔的偏磁曲线。

进一步，如图3所示，测试系统包括计算机控制器、DDS扫频信号输出模块、DAC电压给定输出模块以及ADC数据采集模块。其中，计算机控制器用于按照预设频率间隔输出频率控制信号到DDS扫频信号输出模块，同时输出电压控制信号到DAC电压给定输出模块；DDS扫频信号输出模块用于根据接收到的频率控制信号输出对应频率的正弦波信号；DAC电压给定输出模块用于根据接收到的电压控制信号输出对应的电压信号；ADC数据采集模块用于对腔压取样器的腔压取样信号进行采集处理后发送到计算机控制器；计算机控制器用于对腔压取样信号进行处理后得到铁氧体高频加载腔的偏磁曲线。

进一步，计算机控制器中设置有上位机，上位机内设置有频率控制模块、电压控制模块、数据采集模块、实时峰值检测模块、数据记录模块以及曲线拟合模块。其中，频率控制模块用于按照预设频率间隔以及预设步进累加输出频率控制信号到DDS扫频信号输出模块；电压控制模块用于在每一个频点，由低到高或由高到低全范围按预设步进输出电压控制信号到DAC电压给定输出模块；数据采集模块，用于控制ADC数据采集模块进行数据采集并获取ADC数据采集模块采集的腔压取样信号数据；实时峰值检测模块用于根据腔压取样信号数据得到腔压取样信号的最大值，即在电压源全范围变化时，获取各频点峰值检测结果的最大值；数据记录模块，用于记录腔压取样信号最大值时，即系统调谐时的DDS扫频信号输出模块的输出频率及DAC电压给定输出模块的输出电压值；曲线拟合模块，用于对数据记录模块记载的数据进行曲线拟合，获取偏磁曲线函数关系。

进一步，计算机控制器通过PCI总线与DDS扫频信号输出模块、DAC电压给定输出模块以及ADC数据采集模块进行通讯。

如图4所示，基于上述铁氧体高频加载腔偏磁曲线测试装置，本发明还提供一种铁氧体高频加载腔偏磁曲线测试方法，包括以下步骤：

步骤1：测试开始，计算机控制器将DDS扫频信号输出模块的输出频率设定为扫频最低频率点f

步骤2：计算机控制器控制DAC电压给定输出模块的输出电压V

具体的，包括以下步骤：

步骤2.1：计算机控制器将DAC电压给定输出模块的输出电压V

步骤2.2：ADC数据采集模块读取腔体电压取样信号，并由实时峰值检测模块检波出电压取样信号的最大值，记为

步骤2.3：计算机控制器控制DAC电压给定输出模块的输出电压V

步骤2.4：ADC数据采集模块读取腔体电压取样信号，并由实时峰值检测模块检波出腔压取样信号的最大值，记为

步骤2.5：将当前检波结果

步骤2.6：重复步骤2.3～步骤2.5，对腔压取样信号的最大值

步骤3：计算机控制器控制DDS扫频信号输出模块的输出频率累加步进Δf，即将DDS扫频信号输出模块的输出频率设定为f

步骤4：重复步骤3，直到DDS扫频信号输出模块的输出频率达到最大设定值f

步骤5：将所有的频率f

步骤6：偏磁曲线测试结束。

进一步，频率间隔Δf依据实际设备工作的频带宽度和需要拟合的数据量来确定，比如工作频段在0.5HMz～3.9MHz，中间实际频率间隔取多大就看拟合数据准备用多少点。间隔越小数据点会越多，精度越高但是花费时间越长。

进一步，电压步进ΔV

进一步，延时Δt一般在ms量级。

当设备正常运行时，根据调束需要，物理给定一组实际运行频率曲线，根据该实际运行频率曲线数据及上述方法得到的偏磁曲线方程，即可得到该频率曲线与之对应的偏磁电压给定波形曲线。则系统通过该波形曲线，运行于最佳调谐状态。

实施例1

在本实施例中，采用PCI9054+FPGA+AD9854架构作为DDS模块。AD9854是一款集成12位高性能DAC的数字频率合成器。采用PCI9054+FPGA+DAC714架构作为DAC电压输出模块。DAC714是一款具有16位精度的数模转换器。采用PCI9054+FPGA+AD974作为ADC数据采集模块。AD974为一款16位高精度模数转换器。上位机软件模块通过VC实现。

本实施例以兰州重离子加速器CSRm高频一号站作为实施平台，以包括铁氧体加载腔、末级电子管功放、前级功放及偏磁电源四大部分组成被测件。采用上述基于PCI总线的软硬件架构组成的铁氧体高频加载腔偏磁曲线测试系统对被测系统进行测试。采用本发明描述的测试步骤由系统自动完成行。

本实施例中，采用的DDS扫频信号输出模块除用于扫频范围各点频输出外，同时可作为该系统正常运行时的正交信号扫频输出模块。DAC电压给定输出模块除测试要求的功能外，同时也可以作为正常运行时偏磁曲线电压输出及腔体给定电压包络信号的输出。而ADC数据采集模块除了测试需求外，还可作为实际运行时腔体电压采集系统，即系统状态获取模块。即该系统不仅可作为偏磁曲线自动测试系统，同时在硬件无需变动的情况下可作为CSRm高频一号站系统运行的计算机监控系统。避免了在测试完成后运行时，更换为正式运行的计算机控制系统的情况下带来的额外不确定性。进一步提高系统运行的稳定性。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。