長(zhǎng)時(shí)間積分器課件

長(zhǎng)時(shí)間積分器導(dǎo)師季振山高工報(bào)告人王勇2004年12月8日長(zhǎng)時(shí)間積分器導(dǎo)師季振山高工1報(bào)告內(nèi)容長(zhǎng)時(shí)間積分器研制的意義及目標(biāo)長(zhǎng)時(shí)間積分器的若干關(guān)鍵問題長(zhǎng)時(shí)間積分器基本實(shí)現(xiàn)方案閱讀文獻(xiàn)論文進(jìn)展的大致安排目前存在困難報(bào)告內(nèi)容長(zhǎng)時(shí)間積分器研制的意義及目標(biāo)2長(zhǎng)時(shí)間積分器研制的意義及目標(biāo)在托卡馬克放電實(shí)驗(yàn)中，許多電磁測(cè)量診斷信號(hào)的輸出額均為該信號(hào)的微分量，需要使用積分器，如等離子體電流和位移的測(cè)量。等離子體的放電時(shí)間越來越長(zhǎng)，所以積分時(shí)間也要求越來越長(zhǎng)，未來建成的HT-7U超導(dǎo)托卡馬克其放電時(shí)間將達(dá)到千秒量級(jí)，因此研制長(zhǎng)時(shí)間無零漂積分器已勢(shì)在必行。長(zhǎng)時(shí)間積分器研制的意義及目標(biāo)在托卡馬克放電實(shí)驗(yàn)中，許多電磁測(cè)3傳統(tǒng)模擬積分器式中RC為積分常數(shù)，Vc(t1)是t1時(shí)刻電容C兩端的電壓值，即初始值。左圖中C為積分電容，C1為濾波電容，在A為理想運(yùn)放時(shí)：傳統(tǒng)模擬積分器式中RC為積分常數(shù)，左圖中C為積分電容，C14實(shí)際積分器等效電路VIO:輸入失調(diào)電壓IIO:輸入失調(diào)電流IIB:輸入偏置電流V＋/CMRR:共模誤差信號(hào)近似值A(chǔ)vd:開環(huán)放大倍數(shù)R1:積分電阻C：積分電容Rd:積分電容C的泄漏電阻E:電容C上初始值ri、ro：運(yùn)放的輸入輸出電阻實(shí)際積分器等效電路VIO:輸入失調(diào)電壓5長(zhǎng)時(shí)間積分器的若干關(guān)鍵問題積分漂移非線性誤差泄露現(xiàn)象長(zhǎng)時(shí)間積分器的若干關(guān)鍵問題積分漂移6積分漂移當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，理想積分電路輸出電壓應(yīng)保持不變，但實(shí)際積分電路輸出電壓仍會(huì)隨時(shí)間不斷向一個(gè)方向變化（增大或減小）。這是由于運(yùn)放存在著輸入失調(diào)電壓VIO、失調(diào)電流IIO、偏置電流引起的IIB和溫漂等，即使輸入電壓VI=0，VIO、IIO、IIB都將作為等效輸入信號(hào)被積分，使輸出電壓隨時(shí)間不斷向一個(gè)方向變化。積分漂移當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，理想積分電路輸出電壓應(yīng)保持不變，但7非線性誤差理想的反向輸入積分電路在負(fù)的單位階躍輸入電壓作用下，輸出電壓應(yīng)隨時(shí)間呈線性上升。但由于元器件性能不理想，實(shí)際積分電路的輸出與線性產(chǎn)生了偏離。這主要是由電容存在的介質(zhì)損耗和泄漏電阻引起的。非線性誤差理想的反向輸入積分電路在負(fù)的單位階躍輸入電壓作用下8泄露現(xiàn)象積分電路在一定輸入電壓下輸出電壓已達(dá)到一定值，再將Vin變?yōu)榱?，理想積分器Vout應(yīng)保持不變。實(shí)際上由于電容的介質(zhì)損耗和泄漏電阻，給積分電容上的電荷提供了放電通路，使Vout隨時(shí)間不斷下降。泄露現(xiàn)象積分電路在一定輸入電壓下輸出電壓已達(dá)到一定值，再將V9解決上述問題的一般措施在條件允許的情況下，積分時(shí)間應(yīng)盡量取短，以減小積分漂移。在積分起始，使積分電容短路，輸出初值為零。選擇優(yōu)質(zhì)運(yùn)放，以減少輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流等。選擇優(yōu)質(zhì)電容以減少介質(zhì)損耗和漏電，且電容的容量應(yīng)適當(dāng)取大。用作積分的集成運(yùn)放應(yīng)仔細(xì)調(diào)零。

解決上述問題的一般措施在條件允許的情況下，積分時(shí)間應(yīng)盡量取短10小節(jié)積分漂移主要是由運(yùn)放的失調(diào)電壓和失調(diào)電流所引起，而非線性誤差和泄漏的根源在于積分電容的非理想。設(shè)計(jì)長(zhǎng)時(shí)間積分器必須克服模擬器件產(chǎn)生的影響，如失調(diào)電壓和失調(diào)電流，電容的介質(zhì)損耗和泄漏電阻等。失調(diào)可通過斬波的辦法加以克服，即將積分時(shí)間分割為短時(shí)間段，分段積分。要克服電容的非理想可采用數(shù)字積分。小節(jié)積分漂移主要是由運(yùn)放的失調(diào)電壓和失調(diào)電流所引起，而非線性11積分器的基本實(shí)現(xiàn)方案數(shù)字式積分器以模擬積分器為基礎(chǔ)，與數(shù)字信號(hào)處理相結(jié)合實(shí)現(xiàn)邏輯控制。積分器的基本實(shí)現(xiàn)方案數(shù)字式積分器12數(shù)字積分器理論基礎(chǔ)數(shù)字積分器理論基礎(chǔ)13數(shù)字積分運(yùn)算原理設(shè)積分初始為零時(shí)刻，此時(shí)電容兩端電壓為零，則經(jīng)采樣后，化為數(shù)字積分的形式其中，T為對(duì)信號(hào)的采樣時(shí)間，t=nT為積分時(shí)間。得數(shù)字積分是將輸入信號(hào)每次采樣值除以N后累加數(shù)字積分運(yùn)算原理設(shè)積分初始為零時(shí)刻，此時(shí)電容兩端電壓為零，則14數(shù)字積分器實(shí)現(xiàn)框圖數(shù)字積分器實(shí)現(xiàn)框圖15模擬積分器與數(shù)字控制結(jié)合積分：1關(guān)、2開、3關(guān)、4開清零：1開、2關(guān)、3開、4開重置：1開、2開、3開、4關(guān)模擬積分器與數(shù)字控制結(jié)合積分：1關(guān)、2開、3關(guān)、4開16小節(jié)模擬積分器與數(shù)字控制結(jié)合通過斬波來分段積分，減小了漂移。且其可采用一般的元器件完成，性價(jià)比較高。數(shù)字積分器精度較高，但相對(duì)成本也較高，且信號(hào)輸入部分（A/D前端）一般是模擬電路，也不可避免的存在漂移現(xiàn)象。小節(jié)模擬積分器與數(shù)字控制結(jié)合通過斬波來分段積分，減小了漂移。17閱讀文獻(xiàn)國內(nèi)：基于DSP技術(shù)的長(zhǎng)時(shí)間積分器及光電隔離器陳曦長(zhǎng)時(shí)間積分器楊輝混合式積分器李承權(quán)國外：LongPulseAnalogueIntegrationSAli-Arshad,LdeKockAdigitalLongPulseIntegratorJ.D.Broesch,E.j.Strait,R.T.Snider,M.L.WalkerDevelopmentofanIntelligentDigitalIntegratorforLong-PulseOperationinaTokamakY.Kawamata,I.Yonekawa,K.KuriharaLongPulseAnalogueIntegratorKSTAR閱讀文獻(xiàn)國內(nèi)：18論文進(jìn)展的大致安排2004.7----2004.12文獻(xiàn)調(diào)研；2005.1----2005.10模擬電路的設(shè)計(jì)；2005.10---2005.12PLD控制設(shè)計(jì)；2006.1----2006.4總體調(diào)試；2006.5----2004.6撰寫畢業(yè)論文。論文進(jìn)展的大致安排2004.7----2004.12文19目前存在困難對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)還不是很熟悉，還需要進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。積分器工作時(shí)序的實(shí)現(xiàn)——ＰＬＤ部分還不太熟悉。積分器的漂移、非線性、泄漏與長(zhǎng)時(shí)間工作的固有矛盾，都增加了論文的難度。目前存在困難對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)還不是很熟悉，還需要進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。20Thankyouverymuch!Thankyouverymuch!21長(zhǎng)時(shí)間積分器導(dǎo)師季振山高工報(bào)告人王勇2004年12月8日長(zhǎng)時(shí)間積分器導(dǎo)師季振山高工22報(bào)告內(nèi)容長(zhǎng)時(shí)間積分器研制的意義及目標(biāo)長(zhǎng)時(shí)間積分器的若干關(guān)鍵問題長(zhǎng)時(shí)間積分器基本實(shí)現(xiàn)方案閱讀文獻(xiàn)論文進(jìn)展的大致安排目前存在困難報(bào)告內(nèi)容長(zhǎng)時(shí)間積分器研制的意義及目標(biāo)23長(zhǎng)時(shí)間積分器研制的意義及目標(biāo)在托卡馬克放電實(shí)驗(yàn)中，許多電磁測(cè)量診斷信號(hào)的輸出額均為該信號(hào)的微分量，需要使用積分器，如等離子體電流和位移的測(cè)量。等離子體的放電時(shí)間越來越長(zhǎng)，所以積分時(shí)間也要求越來越長(zhǎng)，未來建成的HT-7U超導(dǎo)托卡馬克其放電時(shí)間將達(dá)到千秒量級(jí)，因此研制長(zhǎng)時(shí)間無零漂積分器已勢(shì)在必行。長(zhǎng)時(shí)間積分器研制的意義及目標(biāo)在托卡馬克放電實(shí)驗(yàn)中，許多電磁測(cè)24傳統(tǒng)模擬積分器式中RC為積分常數(shù)，Vc(t1)是t1時(shí)刻電容C兩端的電壓值，即初始值。左圖中C為積分電容，C1為濾波電容，在A為理想運(yùn)放時(shí)：傳統(tǒng)模擬積分器式中RC為積分常數(shù)，左圖中C為積分電容，C125實(shí)際積分器等效電路VIO:輸入失調(diào)電壓IIO:輸入失調(diào)電流IIB:輸入偏置電流V＋/CMRR:共模誤差信號(hào)近似值A(chǔ)vd:開環(huán)放大倍數(shù)R1:積分電阻C：積分電容Rd:積分電容C的泄漏電阻E:電容C上初始值ri、ro：運(yùn)放的輸入輸出電阻實(shí)際積分器等效電路VIO:輸入失調(diào)電壓26長(zhǎng)時(shí)間積分器的若干關(guān)鍵問題積分漂移非線性誤差泄露現(xiàn)象長(zhǎng)時(shí)間積分器的若干關(guān)鍵問題積分漂移27積分漂移當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，理想積分電路輸出電壓應(yīng)保持不變，但實(shí)際積分電路輸出電壓仍會(huì)隨時(shí)間不斷向一個(gè)方向變化（增大或減小）。這是由于運(yùn)放存在著輸入失調(diào)電壓VIO、失調(diào)電流IIO、偏置電流引起的IIB和溫漂等，即使輸入電壓VI=0，VIO、IIO、IIB都將作為等效輸入信號(hào)被積分，使輸出電壓隨時(shí)間不斷向一個(gè)方向變化。積分漂移當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，理想積分電路輸出電壓應(yīng)保持不變，但28非線性誤差理想的反向輸入積分電路在負(fù)的單位階躍輸入電壓作用下，輸出電壓應(yīng)隨時(shí)間呈線性上升。但由于元器件性能不理想，實(shí)際積分電路的輸出與線性產(chǎn)生了偏離。這主要是由電容存在的介質(zhì)損耗和泄漏電阻引起的。非線性誤差理想的反向輸入積分電路在負(fù)的單位階躍輸入電壓作用下29泄露現(xiàn)象積分電路在一定輸入電壓下輸出電壓已達(dá)到一定值，再將Vin變?yōu)榱?，理想積分器Vout應(yīng)保持不變。實(shí)際上由于電容的介質(zhì)損耗和泄漏電阻，給積分電容上的電荷提供了放電通路，使Vout隨時(shí)間不斷下降。泄露現(xiàn)象積分電路在一定輸入電壓下輸出電壓已達(dá)到一定值，再將V30解決上述問題的一般措施在條件允許的情況下，積分時(shí)間應(yīng)盡量取短，以減小積分漂移。在積分起始，使積分電容短路，輸出初值為零。選擇優(yōu)質(zhì)運(yùn)放，以減少輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流等。選擇優(yōu)質(zhì)電容以減少介質(zhì)損耗和漏電，且電容的容量應(yīng)適當(dāng)取大。用作積分的集成運(yùn)放應(yīng)仔細(xì)調(diào)零。

解決上述問題的一般措施在條件允許的情況下，積分時(shí)間應(yīng)盡量取短31小節(jié)積分漂移主要是由運(yùn)放的失調(diào)電壓和失調(diào)電流所引起，而非線性誤差和泄漏的根源在于積分電容的非理想。設(shè)計(jì)長(zhǎng)時(shí)間積分器必須克服模擬器件產(chǎn)生的影響，如失調(diào)電壓和失調(diào)電流，電容的介質(zhì)損耗和泄漏電阻等。失調(diào)可通過斬波的辦法加以克服，即將積分時(shí)間分割為短時(shí)間段，分段積分。要克服電容的非理想可采用數(shù)字積分。小節(jié)積分漂移主要是由運(yùn)放的失調(diào)電壓和失調(diào)電流所引起，而非線性32積分器的基本實(shí)現(xiàn)方案數(shù)字式積分器以模擬積分器為基礎(chǔ)，與數(shù)字信號(hào)處理相結(jié)合實(shí)現(xiàn)邏輯控制。積分器的基本實(shí)現(xiàn)方案數(shù)字式積分器33數(shù)字積分器理論基礎(chǔ)數(shù)字積分器理論基礎(chǔ)34數(shù)字積分運(yùn)算原理設(shè)積分初始為零時(shí)刻，此時(shí)電容兩端電壓為零，則經(jīng)采樣后，化為數(shù)字積分的形式其中，T為對(duì)信號(hào)的采樣時(shí)間，t=nT為積分時(shí)間。得數(shù)字積分是將輸入信號(hào)每次采樣值除以N后累加數(shù)字積分運(yùn)算原理設(shè)積分初始為零時(shí)刻，此時(shí)電容兩端電壓為零，則35數(shù)字積分器實(shí)現(xiàn)框圖數(shù)字積分器實(shí)現(xiàn)框圖36模擬積分器與數(shù)字控制結(jié)合積分：1關(guān)、2開、3關(guān)、4開清零：1開、2關(guān)、3開、4開重置：1開、2開、3開、4關(guān)模擬積分器與數(shù)字控制結(jié)合積分：1關(guān)、2開、3關(guān)、4開37小節(jié)模擬積分器與數(shù)字控制結(jié)合通過斬波來分段積分，減小了漂移。且其可采用一般的元器件完成，性價(jià)比較高。數(shù)字積分器精度較高，但相對(duì)成本也較高，且信號(hào)輸入部分（A/D前端）一般是模擬電路，也不可避免的存在漂移現(xiàn)象。小節(jié)模擬積分器與數(shù)字控制結(jié)合通過斬波來分段積分，減小了漂移。38閱讀文獻(xiàn)國內(nèi)：基于DSP技術(shù)的長(zhǎng)時(shí)間積分器及光電隔離器陳曦長(zhǎng)時(shí)間積分器楊輝混合式積分器李承權(quán)國外：LongPulseAnalogueIntegrationSAli-Arshad,LdeKockAdigitalLongPulseIntegratorJ.D.Broesch,E.j.Strait,R.T.Snider,M.L.WalkerDevelopmentofanIntelligentDigitalIntegratorforLong-PulseOperationinaTokamakY.Kawamata,I.Yonekawa,K.KuriharaLongPulseAnalogueIntegratorKSTAR閱讀文獻(xiàn)國內(nèi)：39論文進(jìn)展的大致安排2004.7----2004.12文獻(xiàn)調(diào)研；2005.1----2005.10模擬電路的設(shè)計(jì)；2005.10---