基于FFT的超低紋波檢測系統(tǒng)實驗研究

李開湖 郭春龍 李 瑞 李德明

(中國科學院上海應用物理研究所 上海 201204)

加速器磁鐵電源對輸出電流紋波有較高的性能指標要求(10–5-10–3)[1-3]，而影響磁場性能的紋波成分主要是工頻紋波及其倍頻。進一步降低電流紋波，特別是降低彎轉磁鐵等大功率電源的紋波，有利于進一步改善加速器的束流性能[1,4]。我們對正在研制的新型質子醫(yī)療加速器[5]的勵磁電源輸出電流紋波提出了<10–6的性能指標要求，這一指標的提出給磁鐵電源的設計和紋波電流的檢測提出了新的挑戰(zhàn)。

本文旨在設計并搭建一個針對1 kHz以下頻率紋波，能檢測到10–6數(shù)量級紋波電流的檢測系統(tǒng)，以滿足電流紋波檢測指標要求。紋波檢測系統(tǒng)由DCCT(零磁通直流電流傳感器)、高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等組成，通過FFT分析方式實現(xiàn)超低紋波電流檢測。

1 超低紋波電流檢測方法

加速器磁鐵電源的輸出電流及其紋波通常使用示波器進行測量和觀察，但要觀察10–6數(shù)量級的電流紋波，采用示波器難以實現(xiàn)。為了觀測10–6數(shù)量級的電流紋波，本文介紹一種基于數(shù)字化方式的電流紋波檢測方法：待測磁鐵電源輸出的電流經UTRASTAB 866-600I電流型DCCT和精密電阻取樣變換后接入高精度ADC作A/D變換，再經DSP處理后，通過串口將處理過的電流數(shù)據(jù)傳送至計算機分析系統(tǒng)，采用計算機對數(shù)據(jù)進行FFT頻譜分析，最終獲得加速器磁鐵電源輸出電流的紋波數(shù)據(jù)。

2 超低紋波電流檢測系統(tǒng)

本文設計的超低紋波電流檢測系統(tǒng)主要由UTRASTAB 866-600I電流型DCCT和精密電阻構成的電流測量變換部分、高精度的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、計算機數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和輔助電源等組成(見圖1)。

圖1 超低紋波電流檢測系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of the testing system on ultra-low current ripple observation.

與負載相連的待測電源輸出電流通過電流型DCCT測量變換后到達高精度數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(含輔助電源卡、模數(shù)轉換卡、控制卡)。待測電流經過采樣處理后通過串口通訊線上傳至計算機，然后利用計算機對輸入的數(shù)字信號進行FFT分析，最終得到待測電流的紋波頻譜圖。

為有效抑制空間干擾，圖1中點畫線內部的部件用一個3U機箱封裝完整，與外部器件的連接線通過機箱上的接口引出，與計算機相連的串口通訊線采用屏蔽電纜線。

依照圖1所示的硬件組成搭建了一套紋波電流檢測系統(tǒng)，電流檢測范圍為0-300 A，即被測試的電源最大直流輸出電流為300 A。本文所指紋波幅度測試性能均以300 A為參照。

3 超低紋波電流檢測系統(tǒng)的噪聲本底

檢測系統(tǒng)上電后，在沒有接通電源的情況下，測量此電流紋波檢測系統(tǒng)的噪聲本底。得到此檢測系統(tǒng)的本底數(shù)據(jù)后，再運用 MATLAB軟件對這些數(shù)據(jù)作FFT分析，得到檢測系統(tǒng)的本底電流紋波的典型頻譜圖(如圖2)。

圖2 超低紋波電流檢測系統(tǒng)的本底噪聲頻譜圖(采樣間隔140 ms)Fig.2 Self testing spectrum of the ripple current observation system(step size 140 ms).

由圖2可以看出，在1000 Hz以下頻段范圍內的本底電流紋波幅值均在0.1 mA以下，故此檢測系統(tǒng)本底噪聲的幅度分辨率為：

系統(tǒng)可觀測的最小紋波幅度為0.1 mA，相對于300 A 的測量范圍為 0.33×10–6。

系統(tǒng)本底紋波測試是在室溫環(huán)境下完成的，F(xiàn)FT采樣點數(shù)N=8192，采樣步長Size可調，為20 ms的整數(shù)倍。計算得到不同采樣間隔對應的FFT變換的基波頻率為：

當采樣間隔為20 ms，基波頻率為6.10 Hz；采樣間隔為140 ms，基波頻率為0.87 Hz；紋波測量系統(tǒng)的基波頻率決定了系統(tǒng)的頻率分辨率。

4 電流紋波檢測系統(tǒng)示波器比對驗證

為驗證測試系統(tǒng)的可信性，首先將測量結果和輸出電壓紋波的FFT觀測結果進行對比。測量對象為一臺50 V/280 A 的高精度穩(wěn)流電源，電源接純電阻負載，電源輸出電流為280 A，負載標稱值為0.1 ?，通電后負載實際測試的阻值約為0.124 ?。

設置電流紋波檢測系統(tǒng)采樣步長Size=140 ms，圖3是利用檢測系統(tǒng)的電流紋波頻譜分析結果。結果顯示，利用上述檢測系統(tǒng)測試的待測穩(wěn)流電源的電流紋波頻率為300 Hz、幅值為103.8 mA。

用 TDS3034型號示波器觀測這臺四極磁鐵高精度穩(wěn)流電源的輸出電壓紋波。輸出電壓交流耦合，市電觸發(fā)，32次平均，時基10 ms/div，輸出電壓交流耦合FFT運算頻譜見圖4。

從圖4中可以看出，示波器觀測此穩(wěn)流電源的輸出電壓紋波均方根值為9.12 mV，頻率為300 Hz。將示波器測試的電壓紋波均方根值換算成電流紋波幅值為：

這里負載電阻為通電后熱態(tài)電阻，計算結果與利用上述電流紋波檢測系統(tǒng)的觀測結果(103.8 mA)相吻合，測試結果符合預期。

圖3 電阻負載下280 A輸出電流紋波頻譜圖Fig.3 Ripple current spectrum with 280 A output on resistive load.

圖4 示波器觀測的電壓紋波頻譜圖Fig.4 Voltage ripple spectrum with oscilloscope.

5 函數(shù)發(fā)生器電流紋波驗證

用函數(shù)發(fā)生器產生一個特定頻率的電壓紋波，將該電壓紋波加在一個精密電阻上可以得到一個精密紋波電流源，此電流源為獨立電流源，可以和基礎電流組合成被測電流，從而檢驗上述電流紋波檢測系統(tǒng)的紋波檢測能力。實驗采用Agilent 33220A型信號發(fā)生器和50 ?精密電阻構成紋波電流源，通過向精密電阻施加正弦波電壓信號獲得所需電流紋波信號。

首先打開前述待測的高精度穩(wěn)流電源，讓它滿量程 280 A輸出，作為基礎電流。再用 Agilent 33220A型信號發(fā)生器向50 ?精密電阻施加一個峰值為3 V、頻率為150 Hz正弦波電壓紋波，對應電流紋波應為30 mA。FFT采樣點數(shù)N=8192，采樣步長Size=140 ms，利用上述紋波檢測系統(tǒng)測量的結果FFT頻譜圖如圖5。因為此電源300 Hz頻率點紋波幅值太大，為便于觀察150 Hz點處紋波幅值，將300 Hz頻率點紋波幅值作了隱藏處理。

圖5顯示，采用上述紋波檢測系統(tǒng)測試的150 Hz頻率點處實際測試幅值為30.05 mA，與通過信號發(fā)生器注入的紋波電流頻率和幅度相一致。

圖5 用函數(shù)發(fā)生器注入一個30 mA@150 Hz正弦波的紋波電流頻譜Fig.5 Ripple current spectrum with a 30 mA@150 Hz sine wave added on the load current.

此檢測系統(tǒng)能夠測試的紋波電流最小可達 0.1 mA，為進一步驗證該檢測系統(tǒng)的紋波檢測能力，不加基礎電流，用Agilent 33220A型信號發(fā)生器向50 ?精密電阻施加一個峰值為100 mV、頻率為150 Hz正弦波電壓紋波，對應電流紋波為1 mA。FFT采樣點數(shù)N=8192，采樣步長Size=140 ms，利用上述檢測系統(tǒng)測量的結果FFT頻譜圖如圖6。

圖6 零偏置1 mA @150 Hz正弦波的紋波電流頻譜Fig.6 Current spectrum of a pure 1 mA @150 Hz sine wave.

圖6結果顯示：采用上述紋波檢測系統(tǒng)測試的150 Hz頻率點處實際測試幅值為0.9982 mA，與通過函數(shù)發(fā)生器注入的紋波電流頻率和幅度相一致。

6 超低電流紋波測試

利用此檢測系統(tǒng)對上海光源備用的30 V/10 A的儲存環(huán)快校正磁鐵電源進行測量，采用純電阻負載，負載電阻標稱值為20 ?。設定電流1.2 A，測量電源的輸出電流紋波。圖7是實測得到的輸出電流FFT頻譜圖，其中FFT采樣點數(shù)N=8192，采樣步長 Size=100 ms。

圖7 10 A/30 V待測電源的輸出電流紋波頻譜圖Fig.7 Ripple current spectrum of a 10 A/30 V power supply.

圖7結果表明：在1000 Hz以下，上述被測電源的電流紋波幅值為0.58 mA，頻率為50.05 Hz，其它頻率成分的紋波很小或接近測量本底。

7 結語

本文采用數(shù)字化方式檢測磁鐵電源輸出電流的超低紋波電流，采用FFT分析方法克服了模擬觀測方式精度不足的限制。FFT分析具有確定的頻率分辨率，通過調整采樣間隔，使FFT離散頻率點靠近被測頻率，可減小測量誤差。測試系統(tǒng)具有固有的本底噪聲，而噪聲的幅度決定了測試系統(tǒng)可觀測的最小紋波幅度，當被測電源存在較大紋波時，測量本底會有所增加，但不影響對被測系統(tǒng)紋波指標的評定。

當被測磁鐵電源輸出電流為0-300 A時，系統(tǒng)能觀測到0.2 mA的紋波電流，和測量范圍相比好于10–6。通過示波器電壓紋波觀測對比和函數(shù)發(fā)生器注入紋波驗證，表明此系統(tǒng)觀測紋波數(shù)據(jù)真實可信，可用于超低電流紋波的觀測和評估。

1 郭春龍, 李瑞, 李開湖. 用并聯(lián)旁路吸收電路濾除超低電流紋波[C]. 第三屆全國加速器磁鐵電源會議文集, 2012 GUO Chunlong, LI Rui, LI Kaihu. Filtering out low-level current ripple with bypass absorbing circuit[C]. The third national symposium on accelerator magnet and power supply, 2012

2 徐建銘. 加速器原理(修訂版)[M]. 北京: 科學出版社,1981: 304-309 XU Jianming. Principles of accelerator (Revision)[M].Beijing: Science Press, 1981: 304-309

3 徐中雄, 王放安, 齊欣. 加速器磁鐵電源低次紋波抑制實驗研究[J]. 高能物理與核物理, 2003, 27(7): 637-640 XU Zhongxiong, WANG Fangan, QI Xin. Experimental studies on sub-harmonic suppression of magnet power supply[J]. High Energy Physics and Nuclear Physics,2003, 27(7): 637-640

4 肖國春, 裴元慶, 姜桂賓, 等. 大功率低紋波穩(wěn)定電源用直流有源濾波器[J]. 電力電子技術, 2001, 35(4): 12-15 XIAO Guochun, PEI Yuanqing, JIANG Guibin,et al. DC active filter for large power and low ripple stable supply[J]. Power Electronics, 2001, 35(4): 12-15

5 Accelerator complex study group. Proton-ion medical machine study (PIMMS) part one[R]. Geneva,Switzerland, 1999