专利名称：实时积分漂移补偿交替式积分器及其误差控制方法
技术领域：
本发明涉及积分器领域，具体地说是涉及一种工作时间长达IOOOs的实时积分漂移补偿交替式积分器及其误差控制方法。
背景技术：
电子积分器是一种能够使任意时刻的输出值等于输入信号在该时刻以前的所有输入值的总和的电子设备，被应用于多种场合。在托克马克实验中，通常利用磁感应原理来测量装置内部的磁场和磁通，因此需要用积分器对磁探针、罗柯线圈和单匝环输出的微分信号进行积分，从而进行等离子体的诊断和位形控制。通常采用如
图1所示的模拟积分器，其积分误差主要包括零点漂移、电容泄漏误差和非线性误差。其中，由于运算放大器的输入失调电压L输入失调电流1s和输入偏置电流Ib作为等效输入偏移量被积分，并且漂移量随着积分时间的增加而增大，这部分误差称之为零点漂移，是积分误差的主要组成部分。此外运放及元器件的非线性、积分电容的介质损耗与泄漏电阻的存在，会导致积分器还存在非线性误差和电容泄漏误差。为了减小积分器的积分误差，各国采用了不同的方法设计积分器，主要有以下几种:韩国的KSTAR装置采用ADC-register — DAC(模数转换器一寄存器一数模转换器)模块对积分器进行补偿，利用寄存器来保存以往的积分误差，设计了模拟积分器。日本的JT-60装置采用VFC - UDC (电压频率转换器一计数器)模块和DSP (数字信号处理器)构建了数字积分器。美国的Dil1-D研制了基于DSP (数字信号处理器)和高速ADC (模数转换器)的数字积分器，将模拟信号转换为数字信号后，利用数字信号处理器进行积分，对积分误差的控制是通过DSP内的程序来进行的。目前国内外普遍采用固定漂移补偿或用前一段时间的误差来补偿本次工作的误差来设计积分器。这些类型的积分器在短时间内和稳定的电磁环境中得到较好的结果，但是对于长时间和较大电磁干扰的条件下具有一定的局限性。中国科学院等离子体物理研究所自行研制的托克马克装置EAST，具有长脉冲、高参数、电磁环境复杂等特点，因此需要设计一种能够在长时间工作下保持低积分误差的积分器。本发明人在此之前设计完成了一种“实时积分漂移补偿型积分器”的设计方案，如图2。该积分器利用双运算放大器的一路运算放大器对输入信号积分，另一路运算放大器对参考地积分，然后使用仪表放大器对两路输出信号进行相减。具体方案如图2，输入信号输入到积分器a中的运算放大器的反相输入端，积分器b中的运算放大器的反相输入端接参考地，积分器a与积分器b中的运算放大器的同相输入端接地，积分器a、积分器b中的运算放大器的输出端分别接到仪表放大器的第1、第2运算放大器的同相端。该积分器的工作分两个阶段:—:积分电容清零阶段对积分电路a、b分别进行积分电容清零。如图2所示，开关kl、k3闭合，开关k2、k4断开。这时，电阻对电容泄放，泄放掉积分电容上的电荷。使得积分开始工作时刻，电容两端的初始值为零。二:积分工作阶段当工作状态控制信号给出，开关kl、k3断开，开关k2、k4闭合，这时，积分器开始进入积分工作阶段。积分器a电路对输入信号进行积分，积分电阻为Ra，Vi (t)是输入信号；积分器b对参考地进行积分，即输入为零，积分电阻为Rb。对于单个模拟积分器的输出为
权利要求
1.一种实时积分漂移补偿交替式积分器，其特征在于:包括有两路积分单元，以实时积分漂移补偿型积分器作为一个积分单元，两路积分单元的信号输入端通过开关模块一交替与微分信号接通，两路积分单元分时间段对微分信号进行积分，两路积分单元输出的信号分别经开关模块二交替接入模数转换器转换为数字信号，两路数字信号共同接入现场可编程门阵列，该数字信号在现场可编程门阵列中完成信号的保持及累加，完成积分信号的拼接，最后通过数模转换器转换成模拟信号用于输出。
2.根据权利要求1所述的实时积分漂移补偿交替式积分器，其特征在于:所述的开关模块一、二为双路单刀双掷开关。
3.根据权利要求1所述的实时积分漂移补偿交替式积分器，其特征在于:所述的模数转换器和数模转换器采用采样位数为16位的双极性芯片。
4.根据权利要求1所述的实时积分漂移补偿交替式积分器，其特征在于:所述的现场可编程门阵列为Altera公司的Cyclone II系列FPGA。
5.一种基于权利要求1所述实时积分漂移补偿交替式积分器的控制积分误差的误差控制方法，其特征在于，具体包括以下内容: T为一个工作周期，以nT时刻后的一个周期为例:在nT时刻，积分单元B的输入接地，积分单元A的输入接入微分信号，积分单元A已于nT- T时刻开始进入积分状态，同时将nT时刻的积分单元B的输出值Vb(nT)保持在FPGA的保持累加器中，在[nT，nT+T/2]时间段内，在FPGA中完成值Vb (nT)与积分单元A的输出值的相加，积分单元B于nT+ t时刻开始进入电容泄放状态； 在nT+T/2时刻，积分单元A的输入接地，积分单元B的输入端接微分信号，积分单元B已于nT+(T/2- T )时刻开始进入积分状态，同时将nT+T/2时刻的积分单元A的输出值Va(nT+T/2)保持在FPGA的保持累加器中，在[nT+T/2，nT+T]时间段内，在FPGA中完成值值Va(nT+T/2)与积分单元B的输出值的相加，积分单元A于nT+(T/2+T)时刻开始进入电容泄放状态。
全文摘要
本发明公开了一种实时积分漂移补偿交替式积分器及其误差控制方法，包括实时补偿型积分单元、现场可编程门阵列(FPGA)模块、开关模块、模数转换器(ADC)模块和数模转换器(DAC)模块，实时补偿型积分单元采用实时积分漂移补偿型积分器，开关模块采用双路单刀双掷开关，两路实时补偿型积分单元分时间段对微分信号进行交替积分，积分单元输出的信号经ADC转换为数字信号，数字信号在FPGA中完成信号的保持及累加，完成积分信号的拼接，最后通过DAC转换成模拟信号用于输出。本发明可以解决模拟积分器存在的零点漂移、电容泄漏误差、非线性误差及运放饱和问题。
文档编号H03K19/00GK103199844SQ201310094898
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者刘冬梅, 万宝年, 陈波, 赵卫忠 申请人:合肥工业大学