全数字化束流位置测量系统工程样机的设计与制作

【摘要】：近年来随着高速模拟一数字变换(ADC)的技术进步,以及实时数字信号处理技术的发展,全数字化束流位置测量系统(Digital Beam Position Monitor, DBPM)也成为束流诊断领域中发展起来的最新技术。全数字化处理方法中采用了高速数字化技术和信号处理技术,简化了系统中模拟电路的比重,从而减小了模拟电路本身的非线性、噪声及各通道间不一致性带来的影响。同时,全数字处理方式,能够针对不同的系统和目标参数,灵活地构造其数字处理算法。 本论文介绍了的DBPM系统是针对上海光源位置测量需求设计出的全数字化束测工程样机系统。此系统基于全数字IQ解调技术,实现了逐圈模式下束流位置的测量’。 本文第一章引言部分首先介绍了同步辐射加速器的产生和发展,及上海光源的结构和优越性,之后阐述了束流测量的意义及相关目标参数。 第二章介绍了用于束流位置测量的三种前端探测电极及常见的束流位置信号处理方法。结合束流测量系统由全模拟向数字化发展的趋势,本章讨论了束流位置测量技术发展的三个阶段,并调研了各阶段具有代表性的束流位置测量系统的结构和技术方法。 第三章主要介绍了此束测系统输入信号特点和系统实现的硬件构架。从上海光源储存环BPM探头引出的束流感应信号为重复频率达499.654MHz的窄脉冲序列,且此信号进一步被一低频信号所调制,调制信号周期为693.964kHz,占空比为500：220；在用于机器研究时,信号动态范围达几十dB。DBPM系统由模拟调理模块和数字处理模块组成。在模拟调理模块部分,本章重点介绍了射频调理通道、相干和非相干时钟方案的设计方法；数字处理模块部分,则主要介绍了其硬件结构。 第四章首先介绍此DBPM系统的实时数字化束流处理算法。RF模拟电路输出的499.654MHz的信号直接通过高速高精度ADC进行欠采样,将信号频率搬移到中频,相当于实现第一次下变频。然后通过FPGA中的数字下变频(Digital Down Conversion, DDC)技术将其搬移到低频,并由此实时计算出束流的位置、流强等信息,所有的数字信号处理算法全部集成在单个FPGA中。通过集成单板机(Single Board Computer, SBC),此系统可以实时地通过百兆以太网口将数据送入远程计算机系统中；同时,还集成了千兆以太网、用于调试的串口等。此DBPM系统共完成了CO、SADC、STBT、BADC、BTBT、PM、FA、BFA此八种数据的处理及数据传输。 第五章介绍了此DBPM系统工程样机原型系统的电子学测试及加速器联合调试的结果,之后系统介绍了4套工程样机的电子学测试结果。 第六章介绍了基于波形展宽技术的逐束团位置测量方法研究。通过原理方法探索结合Matlab仿真,分析了波形展宽中滤波器参数选择对于最终测量误差的影响。 此DBPM系统从原型样机的设计、测试到与上海光源束流进行联合测试,根据测试中发现的问题对系统构架和方法进行了改进,期间完成了多个版本的原型系统的设计与测试。在确认系统方案后,完成了4套工程样机系统的制作和实验室电子学测试,在-40dBm～10dB(?)n输入信号动态范围内,其逐圈(693.964kHz数据更新率)位置分辨率好于7um,满足了上海光源束测的应用要求。