太阳磁场望远镜KD*P高压脉冲电源设计

摘要：为了提高太阳磁场的测量精度，采用新的电路设计方法实现了一套可以应用于怀柔太阳磁场望远镜KD*P电光调制器高精度高压控制系统。系统中使用新技术制造的高压模块配合新的高压调制电路产生高精度的高压脉冲信号，系统输出的30Hz高压方波时其上升沿和下降沿时间小于2μs，输出1 000 V高压时上升沿结束2 μs后纹波小于2 V，提高了观测磁场数据的精度；同时，电路中加入了直流保护、放电保护等措施确保系统工作安全；所有控制逻辑、高压出接口与原有系统兼容，保证系统可以快速切换，高速运转。
关键词：KD*P；高压脉冲信号；调试电路；太阳磁场观测

0 引言
(1)怀柔太阳观测基地35cm真空折射望远镜情况简介怀柔观测基地的太阳磁场望远镜是世界上最先进的磁场观测设备之一，自投入使用的20多年来，取得了大量国际一流的观测数据，依托这些先进的设备和数据，培养了一批有影响力的天文工作者，并以此为基础形成了一个具有国际竞争力的太阳物理研究群体。太阳磁场望远镜可以在太阳光球FeI 5 324．19 ，4 861 )的观测目标，而不同的观测波长又有不同的观测内容(I，Q，U，V)，观测波长和观测内容的组合决定所需的高压。观测计算机根据观测波长和观测内容的组合发送高压选择逻辑到高压调制系统，系统中通过可编程逻辑器件的逻辑判别确定高压组合电路继电器的接通与断开。
2．1 逻辑判别与输出控制继电器电路
主控计算机根据观测波长和观测内容确定控制信号，通过数字I／O卡将组合逻辑信号发送给高压调制系统。系统中通过可编程逻辑器件(GAL 16V8)，根据输入逻辑选择工作继电器的接通与断开，实现观测内容和所需高压的对应。
2．2 光耦隔离保护电路
由于系统中存在1 000 V的高压成分，为了对主控计算机进行保护，逻辑控制侧的TTL控制信号通过光耦控制现场侧的高压脉冲信号，形成从逻辑侧到现场侧的不可“逆”电路，从而保护主控计算机及其他重要的观测设备。
2．3 数据采集与KD*P同步反转电路设计
要实现磁场测量需要进行积分计算，而且要保证左旋光和右旋光的分别进行积分，然后才能根据Stokes公式计算获得太阳磁场，通常情况下要实现10 G的测量精度，积分的数据帧数需要达到256帧以上。磁场计算公式经简化后如下：
Mag=K(I+-I-)／(I++I-) (1)
式中：Mag为太阳磁场；K为望远镜磁场测量的定标系数；I+和I-分别表示左旋光积分值和右旋光积分值。
因此，要保证磁场测量精度就必须要要保证数据采集和KD*P高压信号的同步。在该系统中，通过CCD自身提供的Strobe信号和数字I／O卡输出的数据采集结束信号经由74HC74进行同步形成KD*P高压的反转同步信号。

3 测试结果对比
3．1 高压脉冲波形指标对比
整个系统的要求指标为：由于矩形波存在有一定的上升时间，这个上升时间一起的波形误差经过了KD*P调制器及滤光器作用，会引起出射光电流的畸变，这样会影响测量视线速度的精度，以及干扰磁场信号。因此为了保证这个系统的测量精度，要求矩形波上升与下降时间在74μs之内，也就是半波的上升下降时间在37 μs之内，这相当于矩形波周期的1／100，对于电压纹波，要求矩形波顶部不规则起伏小于幅度的1／200。原有高压调制系统实测指标：矩形波的上升下降时间为10～12μs，仅为T／700新高压调制系统实测指标，如图1所示。

图1为示波器测量所得输出1 000V高压时高压脉冲信号的上升和下降沿，横坐标代表时间，每一个大格表示1μs；纵坐标代表电压幅值，一个大格代表500 V，图中显示的电压幅值为1 000 V，即脉冲幅值为1 000 V时上升沿和下降沿的时间，都小于1μs。为了能够更好地看出高压波形的上升和下降所造成的时延，分别只抓取波形的上升沿和下降沿，比较其延迟时间，从图中可以看出波形上升和下降沿总共的延迟小于2μs。
图2为示波器测量所得高压波形的纹波，为了能够清楚的显示纹波大小，在示波器上对波形进行放大，横坐标代表时间，其中每大格代表400 ns(每小格80 ns)；纵坐标代表电压幅值，一个大格代表10 V(每小格2 V)。该图表明系统输出1 000 V的脉冲序列，上升沿开始1．6μs之后，纹波小于2 V。

图2可以看出除了上升沿之后的1．2μs内有4 V左右的波动之外(可能是系统中的电容效应造成)，1．6μs之后平稳输出阶段的纹波幅值均小于2 V，即波动小于总幅值的1／500。从上面的实际波形测量中我们看到：高压波形的上升下降延迟时间总和小于2μs，常规观测周期一般为20～30μs，即：延迟时间仅相当于波形周期的1／1 500～1／1 000；电压纹波，波形的不规则起