具有远程控制增益和自校准功能的多通道抗辐射放大系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有远程控制增益和自校准功能的多通道抗辐射放大装置，包含有数据通信模块，以及对通信模块总线指令的接收解码、信号的处理分析及控制单元，增益可编程的集成放大器，自检信号产生电路，自检开关模块，高集成的输入输出接口；上位机的控制指令被通信模块转换隔离，经过控制器的处理及分析，对各个模块进行控制，实现增益的远程调节及系统的自校准。在此基础上，对放大器的布局布线进行了周密设计，增加了放大器通道数的集成度，从而减小抗辐射屏蔽防护体的尺寸。本发明专利技术具备抗强电磁干扰和抗核辐照能力，可在托卡马克装置等强磁强核辐射环境下工作，同时具备增益的远程调节与自校准。

Multi-channel anti-radiation amplification system with remote control gain and self-calibration function

The invention discloses a multi-channel anti-radiation amplifier with remote control gain and self-calibration function, which includes data communication module, receiving and decoding of bus instructions of communication module, signal processing and analysis and control unit, gain programmable integrated amplifier, self-check signal generating circuit, self-check switch module and highly integrated input and output interface of host computer. The control instructions are transformed and isolated by the communication module. After the processing and analysis of the controller, each module is controlled to realize the remote adjustment of gain and the self-calibration of the system. On this basis, the layout and wiring of the amplifier are carefully designed to increase the integration of the number of channels of the amplifier, thereby reducing the size of the radiation shielding shield. The invention has the ability of resisting strong electromagnetic interference and nuclear irradiation, can work in the environment of strong magnetic nuclear radiation such as Tokamak device, and has the remote adjustment and self-calibration of gain.

【技术实现步骤摘要】
具有远程控制增益和自校准功能的多通道抗辐射放大系统
本专利技术涉及放大器
，尤其涉及一种具有远程控制增益和自校准功能的多通道抗辐射放大系统，应用在核聚变托卡马克装置、裂变反应堆、高能粒子加速器和同步辐射光源等强核辐射和强磁场环境的放大器领域。
技术介绍
在核探测领域，信号的强弱在不同的条件下波动范围很大，在宽量程的信号测量场合一般都需要通过不同增益的放大器分成独立通道对信号进行放大处理或者通过人工拨段开关的方式进行不同量程通道的切换选择。但在裂变反应堆、核聚变托卡马克装置、高能粒子加速器和同步辐射光源等特殊场合，环境非常复杂，有很强的核辐射以及其他辐射（电磁、热辐射）。放大器一般会放置在相对离探测器比较接近的位置以保证小信号的提取质量，该位置核辐射和电磁辐射都是非常强的，此时人工手动控制增益的方案不具备使用条件。目前国内外在可控放大器研究和应用领域，多通过网络或者串口等通讯方式进行放大器增益控制，但是这些通讯转换模块并没有具体的抗辐照指标。此外，放大器在核环境下运行一段时间后，如何检测放大器是否工作正常，增益有无变化，还需要具备一套自校准的功能。因此，本专利技术研制的具有远程增益控制功能和自校准功能的多通道抗辐射放大器在涉核领域具有较强的应用价值。
技术实现思路
本专利技术目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种具有远程控制增益和自校准功能的多通道抗辐射放大系统。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种具有远程控制增益和自校准功能的多通道抗辐射放大系统，包括有I/V转换与隔离模块、背板、控制器FPGA、16路增益可编程放大器、输入输出接口、继电器驱动电路、继电器、自检信号产生电路、缓冲器和PLC控制系统，所述的PLC控制系统发送控制指令，PLC电流信号被I/V转换与隔离模块转换并光电隔离，传入背板，并被控制器FPGA接收、解码并处理，判断指令为自检还是增益调节，如果为自检，则输出对应通道的控制指令，给继电器驱动电路，经过继电器驱动电路控制继电器的闭合，所述的自检信号产生电路产生的自检信号经过缓冲器后输入到16路增益可编程放大器内，放大后的信号经输入输出接口传送至PLC控制系统；如果为增益调节，控制器FPGA输出5位控制指令到16路增益可编程放大器，实现增益的远程控调节。在此基础上，对放大器的布局布线进行了周密设计，增加了放大器通道数的集成度，从而减小抗辐射屏蔽防护体的尺寸。所述的16路增益可编程放大器的型号为PGA281，其具有数字可编程及故障指示功能。所述的继电器的型号为JRW-221MD，为抗电磁干扰的军工级继电器，常用于航空、航天领域。所述的自检信号产生电路包括有电阻R61、电阻R62和电阻R63，电阻R61分别与电阻R62和电阻R63连接，电阻R62和电阻R63并联，电阻R62和电阻R63的另一端接地，由电阻R61、电阻R62和R63通过分压产生自检信号，所述的缓冲器包括有运放，自检信号通过运放的同相输入端输入进运放内，运放的反相输入端连接电阻R64的一端，电阻R64的另一端连接运放的输出端，运放的输出端还与所述的继电器连接。所述的控制器FPGA采用的是Cyclone3的EP3C16Q240C8。所述的I/V转换与隔离模块的电路为：通过电阻R87将PLC电流信号采样转换为电压信号，再通过电阻R85后发送到放大器U8A中，信号由放大器U8A的输出端输出后发送到光电耦合器U9。所述的放大器U8A的型号为OPA2140AID；所述的光电耦合器U9的型号为HCPL2631。采用3U4HP的PXI硬件架构加上自定义J4连接的基于PLC电流控制方式数据通信模式，标准PXI硬件架构有利于多通道多板卡的高密度系统集成，同时支持快速的热插拔更换，而基于PLC的电流传输能有效提高了信号的远距离传输及抗电磁干扰的能力。采用可编程逻辑整列（FPGA），其丰富的输入输出端口，有助于系统的高度集成，并且FPGA相比于其他类型的控制器有更好的抗辐照性能。通过多种核辐射防护及测试，使得该放大系统可适用于强核辐照环境中，耐中子辐照量累计可达到9.89×1013n/cm2。根据前期对器件进行的大量抗辐照实验，筛选出增益可编程放大器PGA281，控制器FPGA，与此同时，在电路设计时，采用多层PCB使电路高度集成，将16通道集成在一起，降低了单通道受辐照面积，从而减少了整体受辐照概率；在此基础上，通过放大器整体抗核辐射实验，找出易受辐射损伤的电路，并进行单独抗辐照加固。本专利技术的优点是：1、本专利技术具有远程控制能力，可以在远端实现对增益的控制使用，避免了人在现场调节，降低了人员受核、磁辐射的可能性，保证人员的安全。2、本专利技术采用了抗强电磁干扰和抗核辐射的设计方法使得在反应堆或者托卡马克装置等强磁强核辐射领域，该放大装置仍然可以正常工作。3、本专利技术采用FPGA作为核心逻辑处理单元，具备较高的抗电磁辐射和核辐射能力，同时通过FPGA硬件逻辑编程算法的优化，可以减少FPGA在受到强核辐射的时候发生SEE单粒子事件的概率，该结论已在加速器中子辐照实验和裂变反应堆中子辐照实验中得到了验证。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术可编程放大器电路图。图3为自检信号产生电路与缓冲器电路图。图4为I/V转换与隔离模块电路图。图5为本专利技术辐照实验框图。具体实施方式如图1、2、5所示，一种具有远程控制增益和自校准功能的多通道抗辐射放大系统，包括有I/V转换与隔离模块1、背板2、控制器FPGA3、16路增益可编程放大器4、输入输出接口5、继电器驱动电路6、继电器7、自检信号产生电路8、缓冲器9和PLC控制系统10，所述的PLC控制系统10发送控制指令，PLC电流信号被I/V转换与隔离模块1转换并光电隔离，传入背板2，并被控制器FPGA3接收、解码并处理，判断指令为自检还是增益调节，如果为自检，则输出对应通道的控制指令，给继电器驱动电路6，经过继电器驱动电路6控制继电器7的闭合，所述的自检信号产生电路8产生的自检信号经过缓冲器9后输入到16路增益可编程放大器4内，放大后的信号经输入输出接口5传送至PLC控制系统10；如果为增益调节，控制器FPGA3输出5位控制指令到16路增益可编程放大器4，实现增益的远程控调节。在此基础上，对放大器的布局布线进行了周密设计，增加了放大器通道数的集成度，从而减小抗辐射屏蔽防护体的尺寸。所述的16路增益可编程放大器4的型号为PGA281，其具有数字可编程及故障指示功能。所述的继电器7的型号为JRW-221MD，为抗电磁干扰的军工级继电器，常用于航空、航天领域。如图3所示，所述的自检信号产生电路8包括有电阻R61、电阻R62和电阻R63，电阻R61分别与电阻R62和电阻R63连接，电阻R62和电阻R63并联，电阻R62和电阻R63的另一端接地，由电阻R61、电阻R62和R63通过分压产生自检信号，所述的缓冲器9包括有运放，自检信号通过运放的同相输入端输入进运放内，运放的反相输入端连接电阻R64的一端，电阻R64的另一端连接运放的输出端，运放的输出端还与所述的继电器连接。所述的控制器FPGA3采用的是Cyclone3的EP3C16Q240C8。如图4所示，所述的I/V转换与隔离模块1的电路为：通过电阻R87将PLC电流信号采样本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有远程控制增益和自校准功能的多通道抗辐射放大系统，其特征在于：包括有I/V转换与隔离模块、背板、控制器FPGA、16路增益可编程放大器、输入输出接口、继电器驱动电路、继电器、自检信号产生电路、缓冲器和PLC控制系统，所述的PLC控制系统发送控制指令，PLC电流信号被I/V转换与隔离模块转换并光电隔离，传入背板，并被控制器FPGA接收、解码并处理，判断指令为自检还是增益调节，如果为自检，则输出对应通道的控制指令，给继电器驱动电路，经过继电器驱动电路控制继电器的闭合，所述的自检信号产生电路产生的自检信号经过缓冲器后输入到16路增益可编程放大器内，放大后的信号经输入输出接口传送至PLC控制系统；如果为增益调节，控制器FPGA 输出5位控制指令到16路增益可编程放大器，实现增益的远程控调节。

【技术特征摘要】
1.一种具有远程控制增益和自校准功能的多通道抗辐射放大系统，其特征在于：包括有I/V转换与隔离模块、背板、控制器FPGA、16路增益可编程放大器、输入输出接口、继电器驱动电路、继电器、自检信号产生电路、缓冲器和PLC控制系统，所述的PLC控制系统发送控制指令，PLC电流信号被I/V转换与隔离模块转换并光电隔离，传入背板，并被控制器FPGA接收、解码并处理，判断指令为自检还是增益调节，如果为自检，则输出对应通道的控制指令，给继电器驱动电路，经过继电器驱动电路控制继电器的闭合，所述的自检信号产生电路产生的自检信号经过缓冲器后输入到16路增益可编程放大器内，放大后的信号经输入输出接口传送至PLC控制系统；如果为增益调节，控制器FPGA输出5位控制指令到16路增益可编程放大器，实现增益的远程控调节。2.根据权利要求1所述的一种具有远程控制增益和自校准功能的多通道抗辐射放大系统，其特征在于：所述的16路增益可编程放大器的型号为PGA281。3.根据权利要求1所述的一种具有远程控制增益和自校准功能的多通道抗辐射放大系统，其特征在于：所述的继电器的型号为JRW-221MD。4.根据权利要求1所述的一种具有远程控制增益和自校准功能的多通道抗辐射...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵金龙，曹宏睿，陈开云，胡立群，盛秀丽，牛璐莹，李超智，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34