基于FFT的超低纹波检测系统实验研究

李开湖 郭春龙 李 瑞 李德明

(中国科学院上海应用物理研究所 上海 201204)

加速器磁铁电源对输出电流纹波有较高的性能指标要求(10–5-10–3)[1-3]，而影响磁场性能的纹波成分主要是工频纹波及其倍频。进一步降低电流纹波，特别是降低弯转磁铁等大功率电源的纹波，有利于进一步改善加速器的束流性能[1,4]。我们对正在研制的新型质子医疗加速器[5]的励磁电源输出电流纹波提出了<10–6的性能指标要求，这一指标的提出给磁铁电源的设计和纹波电流的检测提出了新的挑战。

本文旨在设计并搭建一个针对1 kHz以下频率纹波，能检测到10–6数量级纹波电流的检测系统，以满足电流纹波检测指标要求。纹波检测系统由DCCT(零磁通直流电流传感器)、高精度数据采集系统、计算机数据分析系统等组成，通过FFT分析方式实现超低纹波电流检测。

1 超低纹波电流检测方法

加速器磁铁电源的输出电流及其纹波通常使用示波器进行测量和观察，但要观察10–6数量级的电流纹波，采用示波器难以实现。为了观测10–6数量级的电流纹波，本文介绍一种基于数字化方式的电流纹波检测方法：待测磁铁电源输出的电流经UTRASTAB 866-600I电流型DCCT和精密电阻取样变换后接入高精度ADC作A/D变换，再经DSP处理后，通过串口将处理过的电流数据传送至计算机分析系统，采用计算机对数据进行FFT频谱分析，最终获得加速器磁铁电源输出电流的纹波数据。

2 超低纹波电流检测系统

本文设计的超低纹波电流检测系统主要由UTRASTAB 866-600I电流型DCCT和精密电阻构成的电流测量变换部分、高精度的数据采集与处理系统、计算机数据分析系统和辅助电源等组成(见图1)。

图1 超低纹波电流检测系统组成框图Fig.1 Block diagram of the testing system on ultra-low current ripple observation.

与负载相连的待测电源输出电流通过电流型DCCT测量变换后到达高精度数据采集与处理系统(含辅助电源卡、模数转换卡、控制卡)。待测电流经过采样处理后通过串口通讯线上传至计算机，然后利用计算机对输入的数字信号进行FFT分析，最终得到待测电流的纹波频谱图。

为有效抑制空间干扰，图1中点画线内部的部件用一个3U机箱封装完整，与外部器件的连接线通过机箱上的接口引出，与计算机相连的串口通讯线采用屏蔽电缆线。

依照图1所示的硬件组成搭建了一套纹波电流检测系统，电流检测范围为0-300 A，即被测试的电源最大直流输出电流为300 A。本文所指纹波幅度测试性能均以300 A为参照。

3 超低纹波电流检测系统的噪声本底

检测系统上电后，在没有接通电源的情况下，测量此电流纹波检测系统的噪声本底。得到此检测系统的本底数据后，再运用 MATLAB软件对这些数据作FFT分析，得到检测系统的本底电流纹波的典型频谱图(如图2)。

图2 超低纹波电流检测系统的本底噪声频谱图(采样间隔140 ms)Fig.2 Self testing spectrum of the ripple current observation system(step size 140 ms).

由图2可以看出，在1000 Hz以下频段范围内的本底电流纹波幅值均在0.1 mA以下，故此检测系统本底噪声的幅度分辨率为：

系统可观测的最小纹波幅度为0.1 mA，相对于300 A 的测量范围为 0.33×10–6。

系统本底纹波测试是在室温环境下完成的，FFT采样点数N=8192，采样步长Size可调，为20 ms的整数倍。计算得到不同采样间隔对应的FFT变换的基波频率为：

当采样间隔为20 ms，基波频率为6.10 Hz；采样间隔为140 ms，基波频率为0.87 Hz；纹波测量系统的基波频率决定了系统的频率分辨率。

4 电流纹波检测系统示波器比对验证

为验证测试系统的可信性，首先将测量结果和输出电压纹波的FFT观测结果进行对比。测量对象为一台50 V/280 A 的高精度稳流电源，电源接纯电阻负载，电源输出电流为280 A，负载标称值为0.1 Ω，通电后负载实际测试的阻值约为0.124 Ω。

设置电流纹波检测系统采样步长Size=140 ms，图3是利用检测系统的电流纹波频谱分析结果。结果显示，利用上述检测系统测试的待测稳流电源的电流纹波频率为300 Hz、幅值为103.8 mA。

用 TDS3034型号示波器观测这台四极磁铁高精度稳流电源的输出电压纹波。输出电压交流耦合，市电触发，32次平均，时基10 ms/div，输出电压交流耦合FFT运算频谱见图4。

从图4中可以看出，示波器观测此稳流电源的输出电压纹波均方根值为9.12 mV，频率为300 Hz。将示波器测试的电压纹波均方根值换算成电流纹波幅值为：

这里负载电阻为通电后热态电阻，计算结果与利用上述电流纹波检测系统的观测结果(103.8 mA)相吻合，测试结果符合预期。

图3 电阻负载下280 A输出电流纹波频谱图Fig.3 Ripple current spectrum with 280 A output on resistive load.

图4 示波器观测的电压纹波频谱图Fig.4 Voltage ripple spectrum with oscilloscope.

5 函数发生器电流纹波验证

用函数发生器产生一个特定频率的电压纹波，将该电压纹波加在一个精密电阻上可以得到一个精密纹波电流源，此电流源为独立电流源，可以和基础电流组合成被测电流，从而检验上述电流纹波检测系统的纹波检测能力。实验采用Agilent 33220A型信号发生器和50 Ω精密电阻构成纹波电流源，通过向精密电阻施加正弦波电压信号获得所需电流纹波信号。

首先打开前述待测的高精度稳流电源，让它满量程 280 A输出，作为基础电流。再用 Agilent 33220A型信号发生器向50 Ω精密电阻施加一个峰值为3 V、频率为150 Hz正弦波电压纹波，对应电流纹波应为30 mA。FFT采样点数N=8192，采样步长Size=140 ms，利用上述纹波检测系统测量的结果FFT频谱图如图5。因为此电源300 Hz频率点纹波幅值太大，为便于观察150 Hz点处纹波幅值，将300 Hz频率点纹波幅值作了隐藏处理。

图5显示，采用上述纹波检测系统测试的150 Hz频率点处实际测试幅值为30.05 mA，与通过信号发生器注入的纹波电流频率和幅度相一致。

图5 用函数发生器注入一个30 mA@150 Hz正弦波的纹波电流频谱Fig.5 Ripple current spectrum with a 30 mA@150 Hz sine wave added on the load current.

此检测系统能够测试的纹波电流最小可达 0.1 mA，为进一步验证该检测系统的纹波检测能力，不加基础电流，用Agilent 33220A型信号发生器向50 Ω精密电阻施加一个峰值为100 mV、频率为150 Hz正弦波电压纹波，对应电流纹波为1 mA。FFT采样点数N=8192，采样步长Size=140 ms，利用上述检测系统测量的结果FFT频谱图如图6。

图6 零偏置1 mA @150 Hz正弦波的纹波电流频谱Fig.6 Current spectrum of a pure 1 mA @150 Hz sine wave.

图6结果显示：采用上述纹波检测系统测试的150 Hz频率点处实际测试幅值为0.9982 mA，与通过函数发生器注入的纹波电流频率和幅度相一致。

6 超低电流纹波测试

利用此检测系统对上海光源备用的30 V/10 A的储存环快校正磁铁电源进行测量，采用纯电阻负载，负载电阻标称值为20 Ω。设定电流1.2 A，测量电源的输出电流纹波。图7是实测得到的输出电流FFT频谱图，其中FFT采样点数N=8192，采样步长 Size=100 ms。

图7 10 A/30 V待测电源的输出电流纹波频谱图Fig.7 Ripple current spectrum of a 10 A/30 V power supply.

图7结果表明：在1000 Hz以下，上述被测电源的电流纹波幅值为0.58 mA，频率为50.05 Hz，其它频率成分的纹波很小或接近测量本底。

7 结语

本文采用数字化方式检测磁铁电源输出电流的超低纹波电流，采用FFT分析方法克服了模拟观测方式精度不足的限制。FFT分析具有确定的频率分辨率，通过调整采样间隔，使FFT离散频率点靠近被测频率，可减小测量误差。测试系统具有固有的本底噪声，而噪声的幅度决定了测试系统可观测的最小纹波幅度，当被测电源存在较大纹波时，测量本底会有所增加，但不影响对被测系统纹波指标的评定。

当被测磁铁电源输出电流为0-300 A时，系统能观测到0.2 mA的纹波电流，和测量范围相比好于10–6。通过示波器电压纹波观测对比和函数发生器注入纹波验证，表明此系统观测纹波数据真实可信，可用于超低电流纹波的观测和评估。

1 郭春龙, 李瑞, 李开湖. 用并联旁路吸收电路滤除超低电流纹波[C]. 第三届全国加速器磁铁电源会议文集, 2012 GUO Chunlong, LI Rui, LI Kaihu. Filtering out low-level current ripple with bypass absorbing circuit[C]. The third national symposium on accelerator magnet and power supply, 2012

2 徐建铭. 加速器原理(修订版)[M]. 北京: 科学出版社,1981: 304-309 XU Jianming. Principles of accelerator (Revision)[M].Beijing: Science Press, 1981: 304-309

3 徐中雄, 王放安, 齐欣. 加速器磁铁电源低次纹波抑制实验研究[J]. 高能物理与核物理, 2003, 27(7): 637-640 XU Zhongxiong, WANG Fangan, QI Xin. Experimental studies on sub-harmonic suppression of magnet power supply[J]. High Energy Physics and Nuclear Physics,2003, 27(7): 637-640

4 肖国春, 裴元庆, 姜桂宾, 等. 大功率低纹波稳定电源用直流有源滤波器[J]. 电力电子技术, 2001, 35(4): 12-15 XIAO Guochun, PEI Yuanqing, JIANG Guibin,et al. DC active filter for large power and low ripple stable supply[J]. Power Electronics, 2001, 35(4): 12-15

5 Accelerator complex study group. Proton-ion medical machine study (PIMMS) part one[R]. Geneva,Switzerland, 1999