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台肥光源数字柬流位置测量系统的应用研究 中文摘要 柬流位置信号是同步辐射光源的重要参数。传统的水流何置测量系统大多基于模拟信号处 理的。随着电子学技术与计算机技术的进步，数字化信号处理在我们的丁作实验中越来越普及。 数字化处理具有精确、抗十扰能力强和实现可重构技术等优点，而且数字化处理系统集成度高， 整合性能也好，可在s o c ( s y s t e m 0 1 1 c h i p ) 系统上实现各种系统功能，方便调试和升级。所以， 数字化信号处理是今后发展的趋势。本论文正足基于此在h l s 进行了数字束流位置测量系统的 应用研究t 作。 本文主要介绍数字束流位置测量及其应用。数字束流位置测量系统主要由数字接收机和数 字信号处理部分组成。数宁接收机用于实现信号的采样和信号数字化功能。数字信号处理部分 用于实现位置信号处理的各项应用。本文基于此主要介绍了位置信号处理的三种应用：种足 高精度的储存环束流位置测量；一种是h l s 的工作点测量：最后一种是注入时的流强及束流位 置分析。首先，数字束流位置测量系统最主要的工作是进行高精度的储存环束流位置测量。高 精度的储存环束流位置测量是一个窄带位置信号的测量。其次介绍了t 作点测量。最后介绍了 束流注入时的束流位置处理应用。工作点测量和束流注入时的束流位置应用都是宽带柬流位置 信号处理，它们都是基于t u r n b y t u r n 实现的。 在合肥光源中，进行了如下实验。不同束流流强时的高精度储存环束流位置测量，窄带高 斯白噪声激励时的工作点测量，注入时工作点测景，注入时瞬时位置测量( d a m p i n g 测量) ， 注入时流强跟踪分析。 本论文为围家自然科学基金项目( 1 0 2 7 5 0 6 2 ) 资助。 关键词：数字接收机数字信号处理束流位置t 作点束流注入分析 中幽科学技术大学硕士论文1 。 。g 合肥光源数字求流位置测量系统的应用研究 a b s t r a c t b e a mp o s i t i o ns i g n a li sk e ys p e c i f i c a t i o n so fs y n c h r o t r o nr a d i a t i o nl i g h ts o u r c e sa l lo v e rt h e w o r l d ，b e a mp o s i t i o nm e a s u r e m e n ti so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d si nb e a md i a g n o s t i c sn o w m a n yb e a mp o s i t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e ma r eb a s e do na n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n gw i t he e ( e l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g ) a n dc s ( c o m p u t e rs c i e n c e ) t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o nw i t hd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gi sm o r ea n dm o r eu b i q u i t o u sa n dd i g i t a lb e a md i a g n o s t i c si st h ec u r r e n to ft i m e d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n ga c h i e v e sv e r yg o o dp e r f o r m a n c es u c h a s h i g ha c c u r a c y , a n t i - j a m m i n g ， r e c o n f i g u r a b i l i t y i ta l l o w sap r o d u c tt og r o wa n ds u p p o r tn e wr e q u i r e m e n t sa n da p p l i c a t i o n sw i t h o u t c h a n g i n gh a r d w a r e i ta l l o w sap r o d u c tt oc u s t o n f i z ei t t h e r e f o r ei ti so fg r e a ti m p o r t a n c et o i m p l e m e n tan e wd i g i t a lb e a mp o s i t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m t h i sp a p e rd e a l sw i t hh l s ( h e f e il i g h ts o u r c e ) d i g i t a lb e a mp o s i t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m t h e d i g i t a lr e c e i v e ra n dd i g h a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mi st h ec o m p o n e n tp a r t so ft h es y s t e m t h ed i g i t a l r e c e i v e ri su s e di nd i g i t a ls i g n a la c q u i s i t i o n t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mi su s e di na l lk i n d so f a p p l i c a t i o no fb e a mp o s i t i o ns i g n a lp r o c e s s i n g t h r e ef u n c t i o n sb a s e do nb e a mp o s i t i o na p p l i c a t i o ni s i n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h ef i r s ti sb e a mp o s i t i o nm e a s u r e m e n to f t h es t o r a g er i n gw i t hh i g ha c c u r a c y t h es e c o n di st u n em e a s u r e m e n ta n dt h el a s ti sa n a l y s i so f b e a mp o s i t i o ns i g n a lw h e ni n j e c t i n g t h e m o s ti m p o r t a n tp a r to ft h ed i g i t a lb e a mp o s i t i o nm e a s u r e m e n ti sb e a mp o s i t i o nm e a s u r e m e n tw i t h m g ha c c u r a c y , w h i c hi su s u a l l yu s e dt oc a l c u l a t ec l o s e do r b i tb e a mp o s i t i o nw i t hh i i g ha c c u r a cy _ i ti s n a r r o wb e a m p o s i t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m t h eo t h e r si sw i d e b a n db e a mp o s i t i o ns i g n a l m e a s u r e m e n ts y s t e m ，b a s e do nt u r n - b y t u r ns y s t e mt h et u n ec a l c u l a t i o na n di n s t a n t a n e o u sb e a m p o s i t i o nm e a s u r e m e n ta r et h e i rw o r k t ot e s tp e r f o r m a n c eo f t h ed e v e l o p e di n s t r u m e n t ，an u m b e ro f e x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e d ： b e a mp o s i t i o nm e a s u r e m e n tw i t hh i ；1 1 a c c u r a c yw h e n2 0 5 m a ，15 0 m aa n d 1 17 m ab e a m ；t u n e m e a s u r e m e n tw h e ni n j e c t i n ga n db e i n ge x c i t e db yn a t t o wg a u s s i a nw h i t en o i s e ；i n s t a n t a n e o u sb e a m p o s i t i o nm e a s u r e m e n t ，d a m p i n g ，w h e n 删e c t i n g ；b e a ma n a l y s i sw h e ni n j e c t i n g k e yw o r d ：d i g i t a lr e c e i v e r ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ；b e a mp o s i t i o n ；t u n e ；i n j e c t i o n 中国科学技术大学硕士论文一2 台肥光源数字求流位置测量系统的应用研究 研究意义 绪论 同步辐射加速器中，束流位置是加速器的重要参数之一。为用户提供高品质高稳定性的同 步辐射光，必须采用完备的束流位置测量系统，以便诊断各种束流参数和改善机器运行。 测量束流位置的最基本的方法足耦合出柬流的电磁场。由于束流是一电流，所以它可产生 电场和磁场。在高能束流的情况下，这些场是纯横电磁场( t e m ) 。如果柬流偏离真空室中一t b ， 则耦合出束流的电磁场将被调制，由此可以得到束流位置信息。在本论文中采用探测电极测量 束流的电磁场。探测电极的感应信号是被束流调制的时域信号。h l s 的位置信号被束流调制， 其载波频率是束流高频的r f 频率，因此通过解凋可以得到束流的位置信号。 + 一 t o o u t i m e 图i 数字化信号处理器件的发展趋势 众所周知，摩尔定律颁言了数字化电路的发展趋势”。在越来越多 _ f j 领域，数字化都成了 1 i u j 避免的发展趋势。在数字化趋势中，数宁信弓处理器件的发展是费用越来越低，性能越来 越好，如图1 所示。随着宽带a d c 和高速数字信号处理器件的发展，数字化在束流测量tr 的实 现也变得越来越现实，而且其应片 变得更加容易。 数字化处理具有更精确、抗干扰能力强和实现可重构技术等优点，而且数字化处理系统集 中同科学技术大学顷十论文一5 台肥光源数字求流位置测量系统的应用研究 成度高，整台性能也好，可在s o c 系统上实现各种系统功能，方便调试和升级。木论文介绍了 数字化的束流位置测量系统的应用研究工作。 y e s t e r d a y ：d i g i t a lb a s e b a l l d s r f r f r f t o d a y ：d i g i t a li f t o m o r r o w ：d i g i t a lr f c o n t r o l l e r c o n t r o l l e r c o n t r o l l e r 图2 数字化信号处理趋势 本论文通过对数字化束流位置测量系统的搁试和测试，理解和掌握全新的数字电子学处理 和信号处理方法在束流位置测量中的应用。在此基础上，应用于h l s 的实际调试中，同时进行 t 作点测量的研究。 国内外现状 蘑丕引匹h 蛩 匿 簦m 凝7 即7 1 7 f o 翕州k s i i e t h p 。 f 锵 聃7 2 8 基融z s e r 疆p h u 船 虹卜陟印兰琏一 中国科学技术大学硕士论文一6 合肥光源数字束流位置测量系统的应用研究 用于柬流的闭轨反馈的运用，而且它采用i ，频i f 数字化处理也能获取t u r n b y - t u r n 的束流位置 信号用于束流动力学测量。 t e s l a t 4 】：如图4 所示，t e s l a 的位置测量采用了幅度相位转换的柬流位置处理方法。它 应用于f e l - u n d u l a t o r 中单束l 才1 束流位置的测量。在1 0 r a m 真空室孔径和1 0 n s 测量时问下，实 现1 0 p r o 的单束团单次测量分辨率。 - _ 一1 n q m 目二h 口_ a h m 口6 _ # 掣b hb h 耳l _ 自口日轴扫l 白a删q g 耐 固一陟一 一- 一i _ 卜 图4t e s l a 的a m p m 束流位置信号处理 n s r r c l 5 ：l o g r a t i ob e a mp o s i t i o nm o n i t o r s ( l r b p m l 采用对数比处理的方法。在n s r r c f hl r b p m 被应用于b o o s t e r - t o s t o r a g er i n g t r a n s p o r t l i n e ( b t s ) 上- ，用于测量柬流位置；同时也 被应用于b o o s t e r 中，用于研究r a m p i n g 期恻的t 作点变化；在储存环一| l 则用于非线性束流动 力学的研究中。l r - b p m 的功能模块如图5 所示。 图5 n s r r c 的l rb p m 功能模块图 巾围科学技术大学硕士论文一7 一 喜 一 盘圆 篙潼 。莲 台肥光源数字束流位置测量系统的麻用研究 目前，国内外的数字化应用j i 是很普遍，大多处于实验研究阶段。s l s 在数字化束流位置 信号处理方面研究比较成熟。特别是l i b e r a 数字接收机的应用。 以下是数宁化束流位置测量在国内外的一些应用。他们遵循的模式也大多一样。r f 前端处 理- - ) a d c 采样- - ) d s p ( 软件或硬件实现) 。其t l - r f 前端处理主要是进行抗混频处理，之后直 接进行高频的a d c 带通欠采样，如图2 p t o m o r r o w ：d i g i t a lr f ”示。 s l s ：s l s 的位置测量系统楚第个d b p m 系统1 6 j ，如图6 所示，它4 i 仪可以用进行束流 位置的快速测量( 宽带测量) ，还可以进行柬流位置的慢测量( 窄带测量) 。慢测量具有高精 度，高稳定性，可藿构，适合进行束流闭轨测量和慢反馈。快速测量土要是t u r n - b y t u r n 采集束 流位置信号，然后进行柬流其他和位置相关的参数测量，具体的有工作点测量等。此系统的关 键是数字化的可重构设计功能。因此他能够设计h z m h z 范围的数宁滤波器，进行不同功能的 处理。并且此系统具有良好的线性范围。 口 图6s l s 数字化束流位置测量系统 n s r r c ：n s r r c 也是个d b p m 系统”，如图7 所示。它通过编程实现高精度的束流位 置测量。由于使用可编程技术，因此可进行高性能的束流位置测量，t u r n b y - t u r n 测量，t 作点 测量，其他的束流参数测量等。 中国科学技术大学硕七论文一8 一 台肥光源数字柬流位置测最系统的应_ l j 研究 | 墨| 7n s s r c 数字化求流位置测量系统 h l s 束流位置测量系统的现状 合肥储存环现有3 1 个钮扣型b p m 探测器，通过采集经过处理的探测器的感应信号，可以 计算出束流在相应b p m 处的相对位置，这样可以知道束流的闭轨运动情况。 目前h l s 的束流轨道监测系统f c o d c l o s eo r b i td e t e c t i o n ) 含有2 4 个b p m 探测器及2 4 套b p m 处理线路。b p m 处理线路采用法国b e r g o z 束流仪器公a j 生产的b p m 处理模块，采用 著比和束流位置处理方法。由于每个b p m 处理模块输出水i r 和垂直位置信号，所以束流闭轨测 量系统需要4 8 路数据采集通道。 束流闭轨测量系统的数据获取系统采用v x i 系统构成，如图8 所示p 1 9 】。v x i 系统由一个 13 楠v x l 机箱、 块m x l 2 p c i 型的岑槽控制器、两块信号处理模块和一块数据采集模块构成。 v x i 机箱采用美固泰克公司生产的智能1 3 槽机箱v x 4 1 0 1 ，m x l 2 p c i 型零槽控制器采用美国 n i 公司生产的v x i p c i 8 0 1 5 ，信号处理模块采用美国n l 公司生产的v x i s c 一11 0 2 b ，数据采集 模块采用美国n i 公- j 生产的v x i m i o 一6 4 x e 一1 0 。 v x i s c l1 0 2 b 用于对b p m 处理模块输出电压信号进行调理，它具有3 2 个输入通道，其 低通滤波器的截【 频率选用2 0 0 h z ，我们利用4 8 个通道作为b p m 处理模块输出电压信号的输 入。v x i m i o 一6 4 x e 一1 0 用于对经过调坪后的b p m 处理模块输出电压进行数据采集，它具仃6 4 个输入通道，1 6 b i t 精度，最高采样率为1 0 0 k h z 。 叶l 围科学技术大学硕士论文一9 - 合肥光源数字柬流位置测量系统的应用研究 v x i 机箱 e t h e m e t 圆空阿 零槽控制器 q 叫 m x i 2 v x i p c i 8 0 1 5 三 l 八 兰 t 控机 二f 叫 二 总线u 山 圆笙目 数据获取模块 2 x v x i m i o 6 4 x e 10 ! ； 瑟，m 嚣 簇l ： 信号调理 2 x v x i s c l1 0 2 b 1 i二 斟8h l s 求流窄带位置信号测量系统 图9h l s 束流宽带位置信号测量系统 另外，合肥光源还有一套柬流宽带位置信号测量系统，如图9 所示，它采用对数比束流位 置处理的方法进行t u r n b y t u r n 束流位置测量，其使用的处理器是法国b e r g o z 公司生产的对数 b p m 处理模块。其主要功能是用于测量i i l s 工作点，束流瞬间位置测量和束流注入的研究， 如测量束流d a m p m g 等”1 。它具有低噪声，高带宽，宽的动态范同和较低耗费等优点。并在系 中田科学技术大学硕士论文一i o 合肥光源数字束流位置测量系统的应崩研究 统中采用窄带滤波频域处理，以降低对器件的频响要求，从而降低成本和执行难度。 本论文工作及论文内容安排 本课题目的足研究数字化的束流位置测最系统，蚪及对球流位置信息的丰j 步实验研究。数 字化的束流位置测量系统同时具有宽带柬流位置测量和窄带束流位置测量功能，窄带束流位置 测量土要是进行束流闭轨位置测量，宽带束流位置测量主要足用于测量束流的工作点和 t u r n - b y t u r n 伉置测量。 本课题的数字化束流位置测量系统是高频的带通欠采样之后直接进行高频的数字化处理， 然后再进行可编程实现束流的位置等参数的测量和研究。其最大的特点也是：数字化信号处理， 实现了功能的可重构性。 本论文的内容安排是： 第一章从介绍束流何置信号开始，介绍了束流位置检测器，束流位置检测器的感应信号及 其时域、频域信号分析，探讨了测量信号的意义，论证了数字化束流位置信号测量系统的台婵 性。 第二章集l = 1 _ 】介绍r 数字化束流位置测量，主要是数字接收机l i b e r a 的硬件集成和束流位茕 处理，同时还分析了束流位置测量的两种模式( 笮带和宽带) ，最后进行丁窄带来流位置测量 及结果分析。 第三章集中介绍了数字束流位置宽带信号在工作点测量【 | l 的应用，主要是工作点测量原理， 进行了高斯噪声激励源的设计和实现，工作点测量实验及结果分析。 第四章集l _ | = 1 介绍r 数字化束流位置测量在注入时的应用，以及注入时流强变化的跟踪研究， 同时分析注入时的位置信息。 最后是总结性的结论和展望。 中国科学技术大学硕士论文 合肥光源数字柬流位督洲量系统的应用研究 第一章束流位置信号和测量 1 1 束流信号及其位置 1 i 1 束流在时频域的调制 通常束团用高斯分布表示。考虑到束团中有n 个电子，束团长度为a 。，束团周期为t ，则 单个束团的时域表达式为 以归老“r ( _ 割 。， 将上式进行傅立叶展开，得 这里 ：i e n + 妻，c o s ( m o - , o t ) o m = 1 f 12 1 ，。= 等唧【 上式可以写成 ，6 ( f ) = ，e + 2 1 。一。c o s ( m 。f ) = 1 这里，平均( 直流) 流强为 ，。= 了e n m 次谐波的幅度因子为 伽唧 _ 竽 通常6 0 。口。 1 3 b c 情况下，具有n 个粒子的高斯分布束团在f u 极上的感应电压为 哪，= 番筹砉唧( _ 割 当t = f f 时，得到其感应电压的峰值为 中国科学技术人学硕士论文一1 5 一 ( 1 1 4 ) 台肥光源数字求流位置测量系统的应用研究 e q 2 re 1 “ 。9 刚。 ( 2 丌) “2 6 c 仃2 ( 11 5 1 由此可见，峰值电压反比于束1 孙长度。所以，钮扣型束流位置检测器常用于束团长度较小 的电子加速器和电子存储环。 对式( i 1 3 ) 进行傅市叶变换并利用式( 14 ) ，且取p b = 1 ，则感应电压的频域表达式为 ( 珊) 一4 2 妒r1 b a ( 国) 型 z 月c ( 1 16 】 所以，感应电压的幅度随频率近似线性增长。 1 2 2 条带电极 条芾电极( 又称为定i f i j 耦台电极) 足另外一种常见的束流位置探测器。考虑两个相对的条 带电极，长度为1 ，张角为m ，电极到真空室h d 的距离为b ，条带电极的特性阻抗为z ( 通常 为5 0 f ) ，电极的上游端接特性阻抗为5 0 f 2 的同轴电缆，一r 游端接5 0 q 的匹配电阻。条带电极 的正视图和侧视图如图16 和17 所示。 图i 6 条苷电极的正视图 中蚓科学技术大学硕十论文一1 6 合肥光源数字柬流位置测量系统的应用研究 1 2 2 1 时域分析 图17 条带电极的侧视图 当束流，b ( t ) 在真空室中心通过上游端时，则条带电极上游端截取的壁电流为( m 2 ) ，b ( t ) 。该 电流分两路， 路在上游端的同轴电缆产生感应电压为移4 口) ，。( o z ，另外路经条带传至 下游端。记该电流在条带上传输的速度为k = d ；c ，则在下游端的匹配电阻上产生感应电压为 4 r 1 lb q t fp ；c ) z 当束流传至f 游端时，考虑到束流在真空室的传输速度为v b = b b c ，则条带电极一f 游端截取 的擘电流为一( ( j 1 2 s r ) 1 6 0 一，成c ) 。该电流分两路，一路在下游端的匹配电阻产生感应电压为 一( t b 4 s r ) 1 6 ( f z 尾c ) z ，另外一路经条带传至上游端，则在上游端的同轴电缆上产生感应电 匪为一( b 4 z c ) k 6 0 t i i b h c t f8 。c ) z 。 由此可得，条带电极上下游端的感应电压分别为 和h 。雌剡 甜一万lhr 一剖 m = 驰m 小剀 i ( 。) = 8 1 巾目科学技术大学硕土论文一i7 - 合肥光源数字束流位置测量系统的应用研究 图18条带电极的感应电皿波形 1 2 2 2 频域分祈 对于高斯束团，将条带电极上游端的感应电压写成 悱斗 _ 警卜) ( p 一警肛 同样，可以得到条带电极上游端的感应电压的频域表达式为 忡) = 等卅( 蛐“ f 1 2 0 1 z 丌 f 11 当c o e = 7 r 2 时，对于频率信号的幅度最人。 如果条带电极的长度足够短，kc o e 时，则s i n c ) z6 0 l c 。这样，式可以写成 忡) z 等卅( 酗) 等 f 1 2 l 、 比较式r 1 2 1 ) 和式( 11 6 ) ，两者是致的。所以，钮 u 电极可以看成是条带电极的一个特例。 1 3 束流位置信号处理方法 1 3 1b p m 信号处理的考虑 在进行b p m 的信号处理系统没计时，很多方面需要考虑。主要有： 1 频域和时域处理。在宽带处理系统中通常选用时域处理，而窄带处理系统i | = l - 通常选用 频域处理。在宽带处理系统叫1 有用信号功率大，但是由于电缆的衰减和分散，会引 起信号波形的失真。在窄带处理系统l = | = 1 ，波形的失真可以不考虑，但是有用信号功率 巾困科学技术大学碗士论文一1 8 含肥光源数字束流位置测量系统的应用研究 会降低。 2 频率处理。通常，频域信号最常用的处理频率是聚束的频率( r f 频率) 。来自电极的 信号功率与频率关系很大，这与束团 乏度和电极k 度有关。在加速器- t ，由于电子学 电路的限制，常常将r f 频率的信号下变频到t ir 频。 3 信号动态范围。由于b p m 电极的信号功率随着流强而变化，所以信号处理系统必须 具有一定的动态范围。此外，两个相对电极的差信号还随束流位置线性变化。所以总 的电子学动态范围应该足够大。 4 归化响应。如果处理信号是r l 或( r l ) ( r + l ) ，则信号幅度与流强无关，这样可以 降低对动态范同的要求。a m p m 处理和对数比处理提供归一化输出响应。 5 实时响应。b p m 处理系统的某些应用需要快速实时归一化响应。如果对电极信号先进 行数宁化再进行归一化处理，这样会使得信号获取和有用的归一化束流位置信号之间 存在较长的延时。a m p m 处理和对数比处理可以提供实时的归一化信号。 6 偏移响应的线性度。b p m 处理技术小可能保证归一化信号与束流偏移完全线性。但是， 有些信号处理技术可以对其进行补偿。 7 电缆的相位匹配。有些信号处理技术需要来自不同电极的信号保证严格的相位匹配。 通常，a m p m 处理技术需要在处理频率上相位差小十5 0 。对于差l b t n 处理，如果和 著信号在r f 包络检波之前进行，则同样需要严格的相位旺配。 8 精度和分辨率。如果不采用特殊的技术来测量和校正通道问的增益不一致性，通常 b p m 位置测量的绝对精度被限制在b p m 半孔径的1 左右。而b p m 位置删量的分辨 率可以达到b p m l i 4 l 径的o0 1 甚至更好，这主要取决于信噪比，即由热噪声和电子 学噪声系数决定。 通常有三种方法可以将原始探测电极信号转换为归一化位置信u _ 。它们是筹比和( ) 处 理、幅度一棚位转换( a m p m ) 和对数比处理。e h i 各有优缺点。人们关心的足动态范阅、线 性、带宽咀及线路简单和价格。 1 3 2 差比和处理 差比和( ) 处理方法简单地可定义为 ir ll ，r + r 1 2 2 1 这里，比值表示归一化，这样与束流流强无关。 差比和( a e ) 处理的最简单方法足应用二极管检测器、零筹检测器或解调器，产生正比于 巾国科学技术大学硕士论文一】9 _ 合肥光源数字束流位置测量系统的应用研究 r f 幅度的模拟信号，然后经过数字化和处理( 如图1 9 所示) ，或在数字化前用模拟电路进行a e 运算( 如图1 1 0 所示) 。另外种常用的方法是在进行r f 检测之前用1 8 0 0 合路器产生a e 信号( 如 图所示) 。后种方法对送至合路器的信号相位需要严格匹配。 如果在进行压运算之前进行数宁化，系统动态范围由a d c 的位数决定。如果束流流强从 1 0 0 变到1 ( 4 0 d b ) ，则具有1 2 b i ta d c 的分辨率在低端将被限制到探头的半孔径的2 。如果 a z 运算采用模拟电路，则模拟除法运算慢且动态范阳窄。一种替代的方、法是用自动增益控制 ( a g c ) 电路做归一化处理。这种还应用开关以4 0 k h z 速率进行各电极的剀换以消除各r f 放 人器通道的增益莘别，这将限制带宽。 h l s 原来的束流位置测量系统采用的是先差比和后数宁化的束流位置测量系统，木论文的 数字化束流位置测量系统则采用了先数字化后筹比和的束流位置处理方法。 存所有的处删方法中，m e 处理足最容易实现的力法，所以至今它足最常用的方法，它主要 用于高精度的闭轨测量。 来自 b p m 电极 信号 图19 先数字化后差比年( ，) 处理的方框图 l p fl i一 五f l 多 筹 1一 路 比 时 开 和 关 计 r 翮 算 图】1 0先差比平u ( 刖) 处理后数字化的方框图 1 3 3 幅度一相位转换 在a m p m 中，来自两个探测电极的两个同相r f 信号被分成四路，然后再进行四相合成( 在 处理频率上具有9 0 0 相对相位) ，这样将幅度不同的两路信号转换成相位不同的两路等幅信号。 图11 1 给出了a m p m 的方框图和矢量图。 中田科学技术大学硕士论文2 0 鱼壁些塑塑兰壅堕竺里型呈墨竺盟鏖旦型壅 键揠础到潍 输 低通l 出 滤波器t - 图i1 1a m p m 的方框图和矢量瑚 由图1 1 l 可知，其转换函数为 咖z 叫争三：， a m p m 输出的模拟电乐与两路输入信号的幅度r 和l 的关系式为 讣n 1 1 兰 一4 1 1 瞄：。， 在式( 1 ，2 3 ) 中，必须保迁进八a m p m 处理器的阿路信号的相位差小于5 。，否则该式需要修 正。因此，从探头到电子学线路的电缆必须做到相位匹配。 1 3 4 对数比处理 由于对数比处理技术具有高带宽、宽的动态范围以及输出信号的线性度好等优点，特别是 近几年随着快电子学技术的进步，工作频率口t 达2 8 g h z 的带有包络检波功能的宽带对数放大器 应运而生，对数比技术得到广泛的应曰；j “”l 。对数比技术尤其适用于储存环的逐圈( t u m b y m r n ) 束流位置测量以及直线加速器和输运线”1 的柬流位置测量。 圉l1 2 对数比处理电路的方框图 对数比处理电路的方框罔如图11 2 所示。 巾国科学技术大学硕士论文一2 台肥光源数字柬流位置测量系统的应用研究 在对数比方法中，对数比电路的输出为 圳n ( 争z n n 一1 瓮 1 3 5三种信号处理方法的性能比较 ( 1 2 5 ) 图l1 3 给出了对于4 5 0 电极的二种信号处理方法的幅度响应的比较。很显然，对数比技术 的线性范罔最宽。 口 兰 q e c u o d i s p l a c e m e n t ，m m 图11 3 三种信号处理方法的幅度响应的比较 表11 三种b p m 信号处理方法的性能比较 中国科学技术大学硕士论文一2 2 合肥光源数字束流位置测量系统的应用研究 根据b p m 信号处理方法的特点，差比和( a x ) 处理方法主要用于高精度的闭轨测量。 叶1 国科学技术大学顾士论文- 2 3 台肥光源数字束流位置测量系统的应_ e 】研究 第二章数字化束流位置系统 2 1l m e r a 数字束流位置处理器【2 3 】 如图2 1 ，l i b e r a 是一种高度集成化的产 i ! 】，即a 1 1 一i n o r l e 的束流位置测量解决方案。它的 功能由编程来实现，它能实现精确地位置测量和束流位置反馈。l i b e r a 由一个模拟处理块和一 个数字处理块组成，独立的电源支持，并且支持系统和功能的软件优化及升级。l i b e r a 还提供 优秀的、】f 毫米的解决方案。在通信方面，l i b e r a 还提供了高速的通信接口，其强大的f p g a 功 能和优秀的嵌入式系统，是束流反馈得以实现的基础。 图2 1l i b e r a 的外j | ! i | 1 ；意图 l i b e r a 提供的是差比和处理的束流处理方式，如图2 2 所示。 x = k x ( ( + ) 一( + ) ) + x 啦“ ( 2 1 ) y 2 t ( ( k + ) 一( 1 + v d ) x + k 触 ( 2 2 ) 其中= 圪+ 圪+ + 屹，k 。，岛由机器的参数决定，在h i _ s ，。= k = 3 0 5 r a m 中国科学技术大学硕士论文一2 4 台肥光源数字柬流位置测量系统的应用研究 x y dc 图2 2l i b e r a 的讯流位置信号的处理原理图 表2 1l i b e r a 的性能 p a r a m e t e r 互x1 9 r a m s i g n a ll e v e ld e p e n d e n c e ，p i nr a n g e = 一3 0d b mt o0d b m 一8 0 d b “m m su n c e r t a i n t y1k h zb a n d w i d t h ，p i n = 一2 0d b m一9 3 d b0 2 “m r m su n c e r t a i n b 1m h zb a n d w i d t h ，p i n = 一2 0d b m一6 3 d b础m 8 - h o urs t a b i l i t y ( a m b i e n tt e m p = t 1 。c )一8 0 d b 1 “m t e m p e r a t u r ed r i f t a m b i e n tt e m p r a n g e ：10t o3 5 ：c ) 一9 3 d b 。o 知m 。c b u n c hp a f l e md e p e n d e n c e 一8 0 d b l p m 表2l 给出了l i b e r a 的性能表，主要显示了l i b e m 运行时一些参数动态范围。如湍度工作范 围是1 0 3 5 。c 输入功率衰减的动态范围是3 0 d b m o d b m 。 a1 be t h e r n e l2 c3 d 1 s y s t e mc l o c k 2 m a c h i n ec l o c k 3 p o s t m o n e m s f p 4 t r i g g e r sl o t s 5 c u s l o m 6 i n t e d o c k7 p m c 8 抑饶i ? v a c 一1 5 0 托0 h 2 r s 4 8 5 i 图2 , 3l i b e r a 接口界面 巾国科学拄术人学硕十论文一2 5 合肥光源数字束流位置测量系统的应用研究 表2 2l i b e m 接口参数说明 弗 n a m e t y p e c e n t i c e t o f d e s c r i p t i o n c o n n e c t st op o s i t i o np i c k u p t h e 1 a jb ? c ? d i n p u t s m a - f p o s i t i o no fap a r t i c l eb e a mi sc a l c u l a t e d f r o mm e a s ur e da m p l i t u d e so ft h ef o u r s i g n a l s d i f f e r e n t i a i o p t i o n a l s y n c h r o n i z e sl i b e r aw i t ht h e 2 s v s t e mc l o c k i n p u t l m oa c c e l e r a t o rt i m i n gs y s t e m d i f f e r e n l i a i o p t i o n a l s y n c h r o n i z e sl i b e r aw i t ht h e 3m a c h i n ec l o c k i n p u t l e m 0a c c e l e r a t o rr e v o l u t i o nf r e q u e n c y d i f f e r e n h 口 w h e ns e t ，t h em e a s u r e m e n t sa r e 4p o s fm o d e m i n p u t b u f f e r e da n da v a i l a b l ef o rp o s tm o d e m l e m o a n a l y s i s d i f f e r e n l i a iu s e df o rs y n c h r o n i z a t i o no f 5 i n g g e ri n p u t l e m om e a s u r e m e n t sw i t he x t e r n a le v e n t s d i f f e r e n t i a i s i g n a lc o nb eu s e df o rf u t u r en e e d s o n 6c u s t o m o u t p u t l e m 0 r e q u e s ti t c a nb ec o n f i g u r e da sa ni n p u t d i f f e r e n t i a i c o n n e c t st ot h ea c c e l e r a t o ri n t e r l o c k 7i n t e r l o c k o u t p u ts y s t e m s e t saw a r n i n gs g n a li fb e a m l e m o p o s i t i o ni so u t s i d eap r e d e f i n e dr o n q e d e p e n d so n 8p m c d e p e n d so no p t i o n a l ，o ) g ) t o lb o a r dh a sap m cs l o t p m c o rem e z z a n i n eb o a r d b e ar d e t h e r n e 0 0b a s e te t h e r n e tc o n n e c t st ot h e 9f u l ld u p l e xr j 4 5a c c e l e r a t o rc e n t r e is y s t e m e t h e m e t 1 ，2 ，3 s t a n d a r de t h e r n e t2a n d3o p t i o n a l s f ps l o t s1 8a r ei n t e n d e df o rf a s t 1 0s f pf u l id u p l e xs f p c o m m u n i c a t i o np u r p o s e s r s 4 8 5c o n n e c t st oh o r i z o n t a fa n dv e d i c a l 1 1h a l fd u p l e xr j l l ，2 c or r e c t e rm a g n e tp o w e rs u p p l y 1 1 0 2 3 0 v a c 1 2 i n p u t i e ca cs u p p l yv o l t a g e 。 5 0 一6 0h z 图23 所示，是l i b e r a 的外部接口界面，在表22c | _ l ，是对接口界面的详细描述。 中国科学技术大学硕十论文一2 6 合肥光源数字束流位置测量系统的应h j 研究 2 1 1l i b e r a 数字束流位置处理器的功能 如图2 4 所示，显示了l i b e r a 的基本功能模块。从b p m 过来的信号( a ，b ，c ，d ) 进入 l i b e r a 进行束流位置信号处理。这些处理模块包括了模拟处理模块，数字处理模块和采样等。 其中t i m i n g 和h