抗强核辐射相机控制系统设计.pdf

第卷第期年月核电子学与探测技术 抗强核辐射相机控制系统设计陈红权，曾祥进，金子龙（武汉工程大学计算机科学与工程学院，武汉）摘要：设计了一套强核辐射环境下的真空摄像管显像控制系统。以的系列控制板为依托，借助自主设计系统电路，实现对监测环境信息的实时获取和显示。系统整体进行模块设计，改进传统真空摄像管控制信号产生方式。实验测试表明，控制模块信号可调，周期误差小于关键模块电路信号输出稳 定，其中视频信号放 大电路信号幅值、全电视信号电路信号幅值。显示成像标准满足每帧行线。该系统达到设计要求，对核辐射环境下设备的监测防护起到积极作用。关键词：真空摄像管；电路设计中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）抗强核辐射监控和显像设备是核反应 堆和空间飞行等特殊场所设施安全性监测的重要组成部分。此类摄像设备的研究，一方面是基于和图像传感器，通过对电子器件和外围进行耐辐射处理来达到使用条件；另一方面是基于真空摄像管为基础进行开发。实际使用过程中，基于等改进的耐辐射摄像系统设备稳定性和耐辐射性能不及真空摄像管摄像系统。基于目前的研究现状，本文设计了基于光电型真空摄像管为成像器件的控制系统，以控制信号模块替代传统时基信号产生电路，自主设计信号处理电路，控制真空摄像管工作，完成性能测试。收稿日期基金项目：国家自然科学基金项目（）；湖北省三峡实验室创新基金（）资助。作者简介：陈红权（），男，湖北襄阳人，在读硕士研究生，攻读方向为核仪器仪表控制系统设计研究。总体设计系统整体设计如图所示，包括耐核辐射成像器件真空摄像管、电源模块、控制信号模块、行场扫描信号放大电路模块、视频信号放大电路模块、聚焦电路模块、全电视信号电路模块等部分。电源模块产生各路所需电压，用以控制真空摄像管及其他 各模块正常工作。模块控制产生所有时序信号，其中行场锯齿波信号进人行场扫描信号放大电路进行放大处理，然后反馈到真空摄像管扫描输出视频信号，再由视频信号放大电路放大到所需电压标准，再进人全电视信号电路进行叠加编码输出，最后经分离解码输出显示。控制模块设计灵活编程的特点弥补了传统时基电路固定线路设计等缺陷，对控制真空摄像管的所有信号可进行灵活调 整；实现了时钟发生器、行场同步信号发生器、消隐信号 发生器、行场锯齿波发生器的功能。该模块实现方案如图所示。鐘合号图控制系统整体设计框图基本財产生模块图控制信号产生模块框图选用公司系列的开发板，使用开发工具，利用硬件描述语言进行开发设计。定义寄存器变量、表示行、场同步信号。行同步信号周期为网，信号脉冲宽度（）；场同步信号周期，脉冲宽度（。复合同步信号由行同步和场同步信号相或构成。奇偶场扫描的过程中，复合同步信号存在差异，在复合同步信号中加入槽脉冲和前后均衡脉冲解决信号不连续问题。同样地，定义寄存器变量和为行、场消 隐信号。行消 隐周期为脉冲宽度（）；场消隐周期为，脉冲宽度为。行场锯齿 波扫描信号采用和转换模块。定义 和￥；表行、场银齿波信号。在一个时钟周期，将寄存器值按规律增大减小，送至，输出连续变化的扫描脉冲信号。场同步信号一行同步信号 关键模块电路设计行扫描信号放大电路设计正相行锯齿波放大电路如图所示，电路设计实验过程中，在加入偏置电压后，一级放大电路（）满足需求。二级放大电路由（）和（）组成，用于推挽输出。经过行正相线性放大后，行锯齿波信号电压被放大到的范围。真空摄像管需要以为基准的锯齿波信号，在放大电路后设计电压抬升电路。外接电压，经（）分压，后通过（）对放大后电压进行 抬升，同时使用 到耐压的 电容（）进行隔离。聚焦电路设计聚焦电路设计如图所示，使用场效应管（），将栅极和 源级短接进行稳压，电阻和选用能耐高电流且稳定的水泥电阻，同时并联滑动变阻器和，实现电流的精确可调。电流信号直接输人三极管（）和（）的集电极，此处主要是起滤波 作用。（）和（）组成对称稳流电路，保证聚焦线圏 电流的稳定输出。视频信号放大电路设计于一个恒流源，电流信号为。设图为视频信号放大电路。输人信号等效计输出信号 在负载电阻的上电压输出为 猫 门！图视频信号放大电路原理图全电视信号电路全新设计电路如图、图所示，电路整体包括运算放大、调节基准以及加法电路三大部分。图中，选用去干扰能力强，可以实现精确高增益的运算放大器，（）输入输出端接人反馈电阻（）和电容（）构成低频增益放 大电路电阻和二极管并联（两组）构成信号基准调节电路，（）和 周围 电阻（）构成加法器，叠加形成复合同步消 隐信号。图中，使用视频放大器对图像信号进行滤波放大处理，最终形成全电视信号输出。此电路通过调节可适用不同解码格式（、等）的信号输出，效果优于全电视编码芯片电路。设计低噪声髙放大电路，保证视频信号质量。第一级放大使用电流和电压都有较髙增益的结型场效应管，经过负载电阻（阻值）形成信号电压输出。第二级放大电路中和组成和的互补反馈放 大器，是的电流负反馈电阻，的输出电压通过和负反馈到的基极，使得电路频带宽、工作稳定。下 系统部件性能测试控制信号产生模块测试该模块测试使用软件仿真，模块时钟。主要验证控制模块产生各信号是否符合规范，观察记录波形对比制式规范，分析波形误差，并进行精细调整，结果如图所示。图中可以看出复合同步信号（）包含行、场同步信号，前后均衡脉冲以及槽脉冲（）。场锯齿波信（）的周期和相位与场消隐信号相对应，整体信号设计符合规范。使用示波器进行波形信号检测，图显示输出信号和行锯齿波线性放大和抬升后的信号。图（）波形在放大后电压存在失真和变形等问题，主要改进在于更换放大器件，使用耐髙电压稳定电阻。图（）显示修正后波形。示波器输入接口使用倍档，通道单位电压，时间单位。示波器输出放大电路的行锯齿波幅值为左右，周期，符合设计要求。（）（）图行锯齿波放大信号测试图全电视信号电路测试全电视信号输出测试如图所示。示波器显示波形满足脉冲性、周 期性和单极性的特（垂？議图控制信号仿真图行场扫描放大电路测试时间图短期稳定性测试变化图点。复合同步信号在产生时已加入均衡脉冲和槽脉冲，同步 信号叠加在消隐信号之上图（）所示为使用全电视编码芯片电路测试结果，存在干扰和频率无法调节等问题。图（）所示为全电视信号电路测试结果，各信号幅值可调，叠加效果较好，视频信号干扰较低。（）（）图全电视信号测试图系统整体性能测试可靠性测试为验证控制系统的可靠性，对其中控制模块可靠性测试包括热插拔测试、自检功能测试、波形误差测试等。行锯齿波放大电路、聚焦电路和视频信号放大电路三个模块的可靠性测试包括温漂测试、髙压冲击实验、输出测试等。各项测试结果均达到设计要求，满足系统可靠性需要。稳定性测试为确保系统可以长期稳定运行对系统进行稳定性测试。在温度、湿度条件下，开机运行后进行测试。取全电视信号电压值进行短期和长期测试。图和图分别为运行和运行的变化趋势图，使用绘制。结果表明电压值输出满足设计范围，无中断异常情况，可以长期稳定运行。图长期稳定性测试变化图结论本文围绕 真空摄像管设计控制系统，以模块产生所有时序信号，并采用模块实现扫描信号发生器功 能，克服传统时基电路波形不正和易干扰等问题。视频信号放大电路两级放大和全电视信号电路可叠加可调节的功能，改善了电路使用固化、应用场景少的缺陷。通过整体性能测试，信号输出均在设计范围内，可稳定输出视频图像，验证了控制系统的准确性，为有关强核辐射下真空摄像管控制研究提供思路。下一步工作方向是 改进模块设计，在 核 辐射环境下提高图像清晰度，优化系统。参考文献：曾源，李振卿核电站高耐辐射照相设备的原理及应用科技展望，（）：杜霆，冯常，王从政一种型的耐辐射图像采集系统电子技术应用，（）：韩春雷，张彦敏，陈兵新型耐辐射摄像机的设计舰船科学技术，（）：蔡毓龙，李豫东，文林，等图像传感器单粒子效应及加固技 术研究进展核 技术，（）：杨利彪，杨扬：业电视系统在核电厂中的应用 与设计方案？电气应用，（）：尹宝娟，李晶，王？琦，等用于核电仪控系统安全关键技术解析核电子学与探测技术，（）：卫建华，刘琪，齐攀，等基于的可配置时序信号发生系统设计国外电子测量技术，？碧中？啪一一！袖（）：千奕，苏弘，李小刚，等一种抑制 高增益直流耦合放大电路中直流漂移的 电路核 技术，（）：，（，）：，；，：；