鎖相環Ⅲ型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法
2023-12-02 10:44:21 1
鎖相環Ⅲ型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法
【專利摘要】本發明涉及一種鎖相環Ⅲ型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法,該方法通過在脈衝模式下對鎖相環Ⅲ型數字鑑相器的輸出結果進行甄別，選擇大多數脈衝響應值為鎖相環Ⅲ型數字鑑相器的相位工作區間，據此設置鎖相環Ⅲ型數字鑑相器工作的初始狀態，指定鎖相環Ⅲ型數字鑑相器兩路輸入信號的其中一路作為參考信號源，從而限定鎖相環Ⅲ型數字鑑相器的相位工作區間，將不滿足該相位工作區間的輸出電壓值校正為選定的相位工作區間，消除工作狀態的不確定性。本發明實現了鎖相環Ⅲ型數字鑑相器在低電平系統脈衝和連續模式調諧環路的穩定工作。
【專利說明】鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於回旋加速器低電平系統設計技術，具體涉及一種鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法。
【背景技術】
[0002]低電平系統是回旋加速器射頻系統的重要組成部分，實現腔體Dee電壓穩定性控制及腔體調諧的功能。調諧環路多採用鑑頻鑑相器實現相位鑑別，利用鑑相結果調節腔體的諧振頻率或調節信號源實現對腔體諧振頻率的追蹤。
[0003]III型數字鑑相器多用在要求最小鎖定頻差或相差的鎖相環電路中，其輸入不要求是對稱的方波，既可鑑頻同時也可鑑相。鑑相器兩個輸入信號頻率分別為fv (VC0頻率)和fE (輸入參考信號頻率)，產生兩個不互補的輸出U、D。當fv>fK或者頻率相同但V的相位超前於R，鑑相器輸出D為正脈衝,脈衝寬度正比於兩輸出信號頻差或相差,輸出U則為低電平；反之，鑑相器輸出U為正脈衝，脈衝寬度正比於兩輸出信號頻差或相差，輸出D則為低電平。根據兩輸入信號的相差，通過低通濾波將相差轉化為控制VCO的平均電壓，即得到圖1所示相差與平均輸出電壓的關係。
[0004]一般地，將鑑頻鑑相器的工作狀態劃分為三種，分別為O態、I態和II態，對應於fv等於、大於和小於fK，如圖2所示。對於鎖相環電路連續狀態下，根據輸出信號頻差或者相差，鑑相器工作狀態在三者之間跳轉。在低電平系統脈衝模式下，射頻信號頻率及脈衝周期的特定設置可能導致鑑相器工作狀態在I態和II態之間頻繁跳轉。由於相位的2 π迴轉特性，故脈衝模式下鑑相器輸出跳轉電平之間對應的輸入相差為2π。實際上，低電平系統連續狀態下信號源調諧根據腔體響應調整參考源頻率，微調電容板調諧則通過改變腔體響應適應參考源頻率，兩者並非嚴格意義上的鎖相環，存在參考源變動的可能，在工作狀態上同樣表現為I態和II態之間頻繁跳轉。即，由於低電平系統下脈衝模式及連續模式均非嚴格意義的鎖相環，無法確定參考源，鑑相器的工作狀態不穩定，無法實現環路頻率或者相位鎖定。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於針對現有技術的缺陷，提供一種能夠使鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路中穩定工作的方法。
[0006]本發明的技術方案如下:一種鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法，該方法通過在脈衝模式下對鎖相環III型數字鑑相器的輸出結果進行甄別，選擇大多數脈衝響應值為鎖相環III型數字鑑相器的相位工作區間，據此設置鎖相環III型數字鑑相器工作的初始狀態(是指設置鎖相環III型數字鑑相器處在O態、I態或II態中的一種固定狀態)，指定鎖相環III型數字鑑相器兩路輸入信號的其中一路作為參考信號源，從而限定鎖相環III型數字鑑相器的相位工作區間，將不滿足該相位工作區間的輸出電壓值校正為選定的相位工作區間，消除工作狀態的不確定性。[0007]進一步，如上所述的鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法，其中，所述的鎖相環III型數字鑑相器的相位工作區間分為-2 π?O和O?+2 π，對應的差分輸出電壓分別為-(VL-VH) /2?O和O?(VL-VH) /2，其中，VH為鎖相環III型數字鑑相器輸出信號高電平，VL為鎖相環III型數字鑑相器輸出信號低電平；兩個相位工作區間只能選其一，其鑑相工作範圍與差分輸出形成單調線性映射。
[0008]進一步，如上所述的鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法，其中，利用射頻信號源脈衝模式生成鎖相環III型數字鑑相器的兩路輸入信號，根據頻率相位關係，兩路輸入信號相位調整可採用移相器，也可在器件工作頻率範圍內通過改變信號源頻率實現。
[0009]進一步，如上所述的鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法，其中，通過示波器觀察鎖相環III型數字鑑相器的輸出信號，確定脈衝響應值的正、負值的數量，以大多數脈衝響應值為鎖相環III型數字鑑相器的相位工作區間。
[0010]更進一步，如上所述的鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法，其中，若選擇的相位工作區間對應的鎖相環III型數字鑑相器的差分輸出電壓值大於+0.1V，則對鎖相環III型數字鑑相器輸出結果減去2 π相位所對應的電壓值，來對輸出電壓值進行校正；反之，輸出結果不做任何處理。
[0011]進一步，如上所述的鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法，其中，通過雙極性模擬開關對鎖相環III型數字鑑相器的輸出結果做分壓限制及安全聯鎖。
[0012]本發明的有益效果如下:本發明針對回旋加速器，拓展了鎖相環III型數字鑑相器的應用領域，能夠採用鎖相環III型數字鑑相器實現低電平系統的調諧環路功能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為鎖相環III型數字鑑相器工作特性示意圖；
[0014]圖2為鎖相環III型數字鑑相器工作狀態轉換圖；
[0015]圖3為鎖相環III型數字鑑相器輸出結果校正及安全聯鎖完整過程示意圖；
[0016]圖4為實施例的鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路工作流程示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0018]本發明通過對鎖相環III型數字鑑相器工作狀態甄別，提供一種在低電平系統調諧環路穩定工作的方法。
[0019]首先，對進入鎖相環III型數字鑑相器的兩路輸入信號進行限幅放大，消除幅度對相位信息的調製，提高鑑相器輸出的信噪比。在回旋加速器低電平系統中，需要對進入鎖相環III型數字鑑相器的兩路輸入信號，即腔體取樣進行功率標定，避免對後級器件的損毀，同時避免因後級增益過高引起高次諧波及振蕩。
[0020]然後，確定數字鑑相器工作區間及輸出甄別算法。工作區間分為-2 π?O和O?+2 π，兩個區間均可用，但只能選其一，其鑑相工作範圍與差分輸出形成單調線性映射。利用射頻信號源脈衝模式生成鑑相器兩路輸入信號，連接如圖3所示。兩路輸入信號之間有相位差，並且相位差可調，指定兩路輸入信號的其中一路作為參考信號源，由於硬體電路只能接受一個參考信號，將待測信號與參考信號進行相位差比較，然後輸出鑑相結果。根據頻率相位關係，兩路信號相位調整可採用移相器，也可在器件工作頻率範圍內簡單地改變信號源頻率實現。通過示波器觀察鎖相環III型數字鑑相器輸出信號，以大多數脈衝響應值為鑑相器的相位工作區間。
[0021]如圖4所示，以工作區間O?+2 31對應輸出電壓O?(VL-VH)/2為基準，得到輸出甄別算法:若選擇相位工作區間對應的鑑相器差分輸出電壓值為正，則對鎖相環III型數字鑑相器輸出結果減扣2 JI相位所對應的電壓值，其絕對值為(VH-VL)/2，實際值由鎖相環III型數字鑑相器的電氣特性決定；反之，輸出結果不做任何處理。對鎖相環III型數字鑑相器輸出結果處理的判定標準理論至為0V，實際應用中考慮熱噪聲及環境電磁幹擾的影響，對鎖相環III型數字鑑相器輸出結果判定標準進行修正，設置為-0.1V或+0.1V。S卩，鑑相器差分輸出電壓值為正時判定標準選+0.1V，輸出大於+0.1V的鑑相結果將被校正為負值；反之判定標準選定為-0.1V。
[0022]最後，考慮安全聯鎖及外圍接口信號，對輸出結果做進一步優化。在回旋加速器射頻系統中，腔體內打火及局部放電等因素可能會引起取樣信號相位突變，此時信號的相頻特性不滿足洛倫茲曲線，鑑相結果沒有物理意義，有可能超過後級信號處理的輸入範圍。一方面可以對輸出結果做分壓限制，另一方面增加安全聯鎖，即在腔體打火等現象發生時，禁止鑑相器輸出(置零)，該功能通過雙極性模擬開關實現。
[0023]實施例
[0024]以某醫用回旋加速器射頻低電平系統為例，介紹鎖相環III型數字鑑相器在調諧環路的改進及應用情況。
[0025]該醫用回旋加速器射頻系統採用兩個內導體在中心區連接的高頻腔、用一臺20kW射頻發射機通過I英寸硬饋管和耦合電容饋入高頻功率。射頻腔體諧振頻率72.9MHz,Dee電壓設計值40kV。在射頻諧振腔陶瓷耦合窗處用安裝有新型耦合器，用來產生低電平系統調諧環路兩輸入信號，耦合量分別為-55.17dB和-54.6dB。外靶出束運行時射頻系統功率約16kW，對應調諧環兩輸入信號分別為2.42Vpp和2.59Vpp(線損按5.2dB)，經過限幅放大後轉換為ECL邏輯射頻信號。
[0026]根據前期測試，在脈衝模式下調節鎖相環III型數字鑑相器輸入信號相差，大多數脈衝響應值均為負值，故選定負值對應的O?+2 Ji為穩定的相位工作區間，同時選定鑑相器差分輸出電壓值為正時判定標準選+0.1V。
[0027]鑑相器輸出結果校正及安全聯鎖完整過程如圖3所示。電壓比較器對鑑相器輸出做甄別，電壓大於+0.1V時，比較器輸出為邏輯1，電壓小於+0.1V，比較器輸出為邏輯0，該邏輯電平經緩衝後進入一級電位器分壓。對鑑相器原始輸出值和電位器分壓值做增益為1V/V的差分放大即完成對鑑相器輸出的校正，其中差分放大器的輸入正負端分別對應鑑相器原始輸出值和電位器分壓值。
[0028]電位器的分壓值即2 π相位所對應的電壓值，其調整按下述方式進行:電位器的分壓值絕對值為(VH-VL)/2，由鎖相環III型數字鑑相器的電氣特性決定。某ECL邏輯鎖相環III型數字鑑相器輸出信號高電平VH為-955mV，低電平VL為-1705mV (O?70°C)，則(VH-VL)/2=375mV。實際調試中，開通信號源的射頻脈衝模式，以鑑相器大多數脈衝響應負值為基準，調節電位器，即後級差分放大的Offset，觀察後級差分放大器輸出，將個別脈衝響應正值降為負的基準值即可。
[0029]由於鑑相器本級解析度為375mV/360Deg，即1.042mV/Deg,信號較小，後級提供
5.1V/V增益的電壓放大，同時為避免與相位工作點求和比較後輸出超過後級電壓輸入範圍，增加一級分壓。
[0030]在回旋加速器射頻系統中，腔體內打火及局部放電等因素可能會引起取樣信號相位突變，此時信號的相頻特性不滿足洛倫茲曲線，鑑相結果沒有物理意義。故增加安全聯鎖，即在腔體打火等現象發生時，禁止鑑相器輸出(置零)，該功能通過雙極性模擬開關實現。
[0031]顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其同等技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.一種鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法，其特徵在於:該方法通過在脈衝模式下對鎖相環III型數字鑑相器的輸出結果進行甄別，選擇大多數脈衝響應值為鎖相環III型數字鑑相器的相位工作區間，據此設置鎖相環III型數字鑑相器工作的初始狀態，指定鎖相環III型數字鑑相器兩路輸入信號的其中一路作為參考信號源，從而限定鎖相環III型數字鑑相器的相位工作區間，將不滿足該相位工作區間的輸出電壓值校正為選定的相位工作區間，消除工作狀態的不確定性。
2.如權利要求1所述的鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法，其特徵在於:所述的鎖相環III型數字鑑相器的相位工作區間分為-2 ?O和O?+2 ，對應的差分輸出電壓分別為-(VL-VH)/2?O和O?(VL-VH)/2，其中，VH為鎖相環III型數字鑑相器輸出信號高電平，VL為鎖相環III型數字鑑相器輸出信號低電平；兩個相位工作區間只能選其一，其鑑相工作範圍與差分輸出形成單調線性映射。
3.如權利要求1所述的鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法，其特徵在於:利用射頻信號源脈衝模式生成鎖相環III型數字鑑相器的兩路輸入信號，根據頻率相位關係，兩路輸入信號相位調整可採用移相器，也可在器件工作頻率範圍內通過改變信號源頻率實現。
4.如權利要求1所述的鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法，其特徵在於:通過示波器觀察鎖相環III型數字鑑相器的輸出信號，確定脈衝響應值的正、負值的數量，以大多數脈衝響應值為鎖相環III型數字鑑相器的相位工作區間。
5.如權利要求2所述的鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法，其特徵在於:若選擇的相位工作區間對應的鎖相環III型數字鑑相器的差分輸出電壓值大於+0.1V，則對鎖相環III型數字鑑相器輸出結果減去2 π相位所對應的電壓值，來對輸出電壓值進行校正；反之，輸出結果不做任何處理。
6.如權利要求1所述的鎖相環III型數字鑑相器在低電平調諧環路的穩定工作方法，其特徵在於:通過雙極性模擬開關對鎖相環III型數字鑑相器的輸出結果做分壓限制及安全聯鎖。
【文檔編號】H03L7/099GK103701460SQ201310680691
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月12日 優先權日:2013年12月12日
【發明者】李鵬展, 殷治國, 張天爵, 紀彬, 趙振魯, 雷鈺, 付曉亮, 宋國芳 申請人:中國原子能科學研究院