基于BEPCⅡ数字束流位置测量系统电子学系统的设计与实现

BEPCⅡ加速器的束流位置测量系统（BPM）模拟电子学经过十余年的运行逐渐老化,故障率上升,亟需进行升级改造。本文根据该需求,自行设计了基于BEPCⅡ系统参数的数字BPM电子学系统,内容包括模拟信号处理电子学、数字信号处理电子学、BPM固件算法逻辑、数据获取软件以及系统测试等多个部分。设计的数字BPM电子学系统经实验板级性能测试、实验室系统测试以及在线束流测试,结果表明该系统能满足BEPCⅡ装置对束流位置测量的需求。     

高能同步辐射光源逐束团束流位置测量电子学研制

基于高能同步辐射光源（HEPS）储存环,研制了一套逐束团束流位置测量（BPM）电子学系统,电子学的硬件部分由模拟信号采集板卡和数字信号处理板卡组成,软件部分由底层固件和顶层应用软件组成。系统的采样频率为500 MHz,带宽为1 GHz,对来自储存环BPM探头的4路模拟信号进行数字化,得到束团幅度数据,利用ZYNQ芯片计算出每个束团在真空管道中的位置。逐束团BPM电子学在实验室的测试结果为：输入信号峰峰值小于1.8 V时ADC通道非线性度小于1%,无杂散动态范围约60 dB,灵敏度系数取8.26 mm时位置分辨率优于10 μm,测试结果满足HEPS逐束团BPM的需求。     

数字BPM数字采样电子学研制

数字采集电子学是数字BPM电子学设计的关键内容,为了建设高性能数字BPM系统,本文参考BEPCII系统的具体需求,基于MTCA.4架构设计了数字BPM的采样电子学模块。其主要内容包括数字BPM的系统框架,硬件电路设计和系统测试。在硬件设计中,详细介绍了电源、时钟、ADC、BPM算法及数据传输部分的逻辑设计。在系统测试中,通过对数字BPM数字采样电子学的时钟逻辑和ADC逻辑的测试,对系统硬件进行检验;通过算法逻辑测试进一步对电子学硬件进行检验。测试结果表明,本文所设计电子学的主要性能指标均达到设计要求,能够满足系统需求。本系统的成功研制,将为数字BPM系统在BEPCII装置以及其他光源装置中的应用创造条件。     

基于BEPC Ⅱ的数字束流位置探测器信号处理算法的FPGA实现

数字束流位置探测器(BPM)算法是数字BPM系统最核心的部分,其对束流位置测量的精度起决定作用。本文在完成数字BPM算法MATLAB模拟工作的基础上,将模拟优选出的数字BPM算法在自制的电子学硬件上进行FPGA实现。首先介绍了数字BPM算法的总体设计和实现方案;其次介绍了数字BPM算法各功能模块的设计原理及其在FPGA中的具体实现方法;最后在输入信号频率499.8 MHz、强度-10 dBm、BPM探头灵敏度系数23的条件下进行了实验室测试。实验结果显示：逐圈位置分辨达2.96 μm,快响应位置分辨达0.65 μm,闭轨位置分辨达0.33 μm,验证了本算法在束流位置测量中具有良好性能。     

BEPCⅡ对撞/同步模式兼容BPM设计

根据BEPCⅡ实际运行需求,设计了对撞/同步兼容运行模式的数字BPM系统。该双模式的数字BPM系统具有可调时钟逻辑、算法逻辑和兼容工作方式等多功能设计。实验测试结果表明:本数字BPM系统的性能指标能够满足BEPCⅡ装置需求,可用于BEPCⅡ装置BPM电子学升级换代。