UFC. UNILAC- Strahlstrom-Digitalisierung und -Verlustüberwachung

Transkript

1 UFC UNILAC- Strahlstrom-Digitalisierung und -Verlustüberwachung Verbesserung der elektronischen Schaltung SD-Seminar, 7.9.9, M.Witthaus und H.Reeg, SD

2 Zur Erinnerung... Wozu wird die Strahlstrom-Digitalisierung und Verlustüberwachung benötigt? - Strommessung mit Trafos (Absolut- und Differenzmessung) - Verlustüberwachung (zwischen zwei Messorten, hier Strahltrafos) - Profilgitterschutz Sie ist zum Schutz der Beschleunigeranlage vor Beschädigung und zu hoher Aktivierung unbedingt erforderlich!

3 Verlustüberwachung - Funktionsweise - Die Verustüberwachungskarte besteht aus zwei UFC, Bus-Transceiver, OpenDrain- Treiber und einem CPLD, der den größten Teil der Digitalelektronik enthält - Trafo-Kopfverstärker haben einen messbereichs-unabhängigen Spannungsausgang - Zwei Spannungsausgänge gehen jeweils auf zwei unabhängige U/F-Konverter - Der erste Trafo/UFC wird zum Aufwärtszählen genutzt, der zweite zum Abwärtszählen und gehen auf einem Zähler (ein Puls entspricht.5nc) - Der Zähler ermittelt den differentiellen Ladungsverlust und wird mit einem voreingestellten Grenzwert verglichen (Einstellung per Operating-Prg. IPD, auch über NODAL möglich) - Bei Überschreitung des Grenzwertes wird innerhalb ~ us ein Interlocksignal erzeugt, das direkt auf die Chopper-Steuerung übertragen wird - Der Chopper verkürzt die Strahlpulslänge auf das zulässige Mass

4 UFC Blockschaltbild der Verlustüberwachungskarte U/F - U/F + zwei unabhängige UFC Zähler mit Vergleicher Interlock geht direkt, ohne Umweg, auf die Choppersteuerung Schwellwert Strahlverlustüberwachung Schwellwert Profilgitter-Schutz

5 Strahlpulsverkürzung rzung Dieses Bild zeigt die Strahlpulsverkürzung in Abhängigkeit des ansteigenden Strahlstroms. Die Choppersteuerung sorgt immer für eine Mindestlänge von us. Dadurch ist eine Messung immer gerade noch möglich.

6 UFC Nun zum Spannungs-Frequenz-Konverter...

7 UFC Übersicht - Die derzeitig eingesetzte Schaltung - Gewünschte Verbesserungen - Die überarbeitete Schaltung - Temperatur- und Offsetverhalten - Vergleich der Leistungsdaten - Darstellung der erzielten Ergebnisse

8 UFC Die derzeitige Schaltung 5Vdc V R 6k V -(-)V R 5k U V 5V-5Vdc V+ B OUT 6 8 B V- AD8/AD V 5-5Vdc R6 k C.p D DN5 D D BZV85CV6/PLP UA D Q 5 CLK Q 6 PRE CLR 7HC7 DN5 R F-OUT R5 k UA 7HC 5 6 U?B 7HC Quarzoszillator 8MHz V = V V = V TD = 6.5ns TR = ns TF = ns PW = 6.5ns PER = 5ns V

9 UFC - Funktionsweise Messkurve = 8MHz-Takt; Messkurve = Q-Ausgang vom 77 (Pin 5) Messkurve = OP-Ausgang (Pin 6); Messkurve = NOR-Gatter-Ausgang (Pin )

10 UFC - Funktionsweise R 6k V -(-)V R 5k OPA-Ausgang U 7 V+ + B - V 5V-5Vdc OUT 6 8 B V- AD8/AD V 5-5Vdc R6 k C.p D DN5 D Fout 5Vdc V D BZV85CV6/PLP UA D Q 5 CLK Q 6 PRE CLR 7HC7 DN5 R "Reset" F-OUT R5 k UA 7HC 5 6 U?B 7HC 8MHz-Takt Quarzoszillator 8MHz V = V V = V TD = 6.5ns TR = ns TF = ns PW = 6.5ns PER = 5ns V

11 UFC - Funktionsweise - Eingangsspannung bewegt sich zwischen und - Volt - Ausgangsfrequenz verläuft zwischen khz und 8MHz - OPA ist als Integrator geschaltet - Spannung an OPA-Ausgang steigt an bis Flip-Flop 77 reagiert bzw. kippt - Impuls wird über ein NOR-Gatter an den neg. OPA-Eingang gegeben - Integrator wird zurückgesetzt, sprunghaftes Absinken der Spannung am Ausgang des OPA - Nachfolgendes pos. Flankensignal (Clock) setzt Flip-Flop zurück - Integration kann neu beginnen - Über. NOR-Ausgang kann die Ausgangsfrequenz abgenommen werden - Je negativer die Eingangsspannung, desto höher die Wiederholrate/Frequenz

12 UFC UFC bei C; AD8 mit alten Platinenlayout, ursprüngliche Schaltung f/mhz U/V Messdaten Abw. in Promille Linear (Messdaten) y =,7897x +,8 Verwendetes Messinstrument: HP 57A Frequency and Time Interval Analyzer

13 UFC Bisherige Leistungsdaten: - Dynamikbereich von 7,kHz bis ca. 8MHz - Veralteter Operationsverstärkertyp - Layout-Realisierung mit THT-Bauteilen - Dioden-Schutzschaltung notwendig - spezielles Logik-IC notwendig (hier 77, nur von NS) - Temperaturstabilität nicht sicher gestellt

14 UFC Folgende Wünsche standen an: - Erhöhung des Dynamikbereiches - Austausch des Operationsverstärkers - Layout-Realisierung mit SMD-Bauteilen - Verbesserung der Temperaturstabilität - Verbesserung der Linearität

15 UFC - Änderungen Externe Offsetschaltung V R 6k -(-)V R 5k +6V AD885 U 7 V+ + B - V 5V-5Vdc OUT 6 8 B V- AD8/AD V 5-5Vdc R6 k C.p JPAD5 D DN5 D 5Vdc V D BZV85CV6/PLP UA D Q 5 CLK Q 6 PRE CLR 7HC7 DN5 R F-OUT R5 k UA 7HC 5 6 U?B 7HC Logikbauteile: +5V-Versorgung über AD Quarzoszillator 8MHz MHz V = V V = V TD = 6.5ns TR = ns TF = ns PW = 6.5ns PER = 5ns V

16 UFC Überarbeitete Schaltung k R6 R5 Meg externer Offsetabgleich V 6Vdc 6Vdc V D N58 V5 Vdc R 7k R 6k 5k R UA V+ OUT AD865 V- C n 6 C n D JPAD5 UA D Q 5 CLK Q 6 PRE CLR 7HC7 -(-V)dc U-Eingang V V 5-5Vdc Spannungseingang R k UA 5 6 UB Uf(Puls) F-Ausgang 7HC 7HC Quarzoszillator MHz V

17 UFC Verbesserte Schaltung, max. Frequenz MHz Frequenz/MHz Messdaten Abw. in Promille Linear (Messdaten) Spannung -U/V y =,955x -,

18 UFC Vergleich beider Schaltungen UFC bei C; AD8 mit alten Platinenlayout, ursprüngliche Schaltung 5 rel. Abweichung in Promille (rechts) f/mhz Mes s daten Abw. in Promille Linear (Messdaten) Verbesserte Schaltung mit MHz -U/V y =,7897x +,8 5 5 Frequenz/MHz 5 5 Messdaten Abw. in Promille Linear (Messdaten) 5-5 Ausgangsfrequenz in MHz (links) Spannung -U/V y =,955x -,

19 UFC - Offsetverhalten bei Temperaturänderung Offset - Temperatur - Verhalten Alte Schaltung - nichtlinearer Abfall 6 - in diesem Versuch ist ab ca. 8 C keine Funktion mehr gegeben! - Offset bei C ca. 5kHz Offsetfrequenz/Hz 8 6 Offsetfrequenz/Hz Offset - Temperatur - Verhalten Temperatur/ C Überarbeitete Schaltung Alte Schaltung Überarbeitete Schaltung - linearer Abfall - sichere Funktion auch bei > 5 C Temperatur/ C Überarbeitete Schaltung Alte Schaltung - Offset bei C nur ca. khz

20 UFC - Vergleich der Leistungsdaten ALT NEU Bauteile THT SMT Nichtlinearität in Promille zwischen -8 und +6 zwischen -7 und Funktion über 8 C gegeben nein ja Offsetdrift [mv/ C],, Dynamikbereich 7kHz bis 8MHz khz bis MHz durchschnittliche Temperaturstabilität [ppm/ C] 66 Temperaturgang im Mittel nicht linear -Hz/ C bei 8MHz entspricht dieses 5ppm/ C linear -5Hz/ C bei MHz entspricht dieses,6ppm/ C Offsetfrequenz ca. 7kHz ca. khz

21 UFC Bisherige Ergebnisse - deutlich größerer Dynamikbereich - bessere Linearität/geringerer Fehlerbereich - geringerer Temperaturgang und Offsetdrift - größere Temperaturstabilität - geringere Offsetfrequenz - große Funktionssicherheit bei höherer Betriebstemperatur

22 Vielen Dank an Hannes für Tips und Ratschläge

23 ENDE Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit