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(Kontroll-/Testprogramm für 3.5kV Multi-Mode e-Kanone)
23.Aug.2018 K. Huber, Strahlenzentrum Univ. Gießen
Version 19.Okt.2020
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Diese Anleitung zum eGUN-Messprogramm steht in verschiedenen Formaten zur Verfügung. Die entsprechenden Files finden Sie auf dem Host-Rechner (z.Z. Ionix) unter /usr/exp/ex_help oder auf Ihrem Experiment-Account unter $HOME/ex_home/ex_help:
| egun.txt | Text-Format, kann z.B. mit a2ps in
handlichem Format gedruckt werden. Es fehlen jedoch Bilder und Grafiken. | |
| egun.dvi | DVI-Format, kann z.B. mit dvips auf
einem Postscript-Drucker gedruckt werden oder mit xdvi auf einem X-Windows
Bildschirm dargestellt werden. | |
| egun.html | HTML-Format, kann mit jedem HTML-Browser gelesen werden. | |
| egun.info | INFO-Format, kann mit dem
GNU-Info-Browser (info -f egun.info) und GNU-emacs
gelesen werden. Es fehlen jedoch Bilder und Grafiken. | |
| egun.pdf | PDF-Format, mit dem Acrobat-Reader zu
lesen. |
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Das eGUN Programm dient vorwiegend zum Testen der 3.5kV Elektronen-Kanone
und der zu ihrem Betrieb notwendigen Geräte.
Es erlaubt die Steuerung der benötigten acht Hochspannungen einzeln oder
gemeinsam und überwacht dabei die neun Plattenströme um unzulässige
Betriebszustände zu vermeiden
Die Hard- und Software Voraussetzungen sind:
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Die notwendigen Eingaben werden in Dialogform angefordert. Der Dialog ist in einer Hierarchiestruktur aufgebaut, wobei mittels Menülisten von einer Dialogebene in die andere gewechselt werden kann. Für Parametereingaben existieren im Allgemeinen Vorbelegungswerte, die editiert werden können.
— eGUN Top-Menü —
| ||
|---|---|---|
| • Exit eGUN | ||
| • Set Configuration | ||
| • PSO-DAC-ADC Tests | ||
| • Keithley2000 | ||
| • eGun Tests | ||
| • Help | ||
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Die aktuelle Programmkonfiguration wird gerettet und das eGun Programm beendet.
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Unter diesem Konfigurations-Menü erfolgen alle notwendigen Anpassungen des Programms. Beim allerersten Start des Programms wird dieser Menüpunkt stets automatisch aufgerufen. Danach sollte er nur noch bei Konfigurationsänderungen benutzt werden.
Als Hilfe wird eine Übersicht des Address-Mapping auf dem VME-Bus ausgegeben.
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Mit den folgenden Tests können zwei MCP3208 ADC-Karten im Control-Routing adressiert werden, sowie zwei PSO14-Karten, von denen jede zwei LWL-Sender bedient. Jeder der LWL-Sender kann zwei DACs steuern. (s.h. Control Routing Doku.)
DAC Firmware LTC2752 DAC2752-16-PSO32 LTC2758 DAC2758-18-PSO32 AD5541 DAC5541-16-PSO32
Auszugeben ist der 18-Bit DAC-Code. Für die 16-Bit-DACs werden die zwei niederwertigsten Bits nicht verwendet.
Für die LTC2752/2758 DACs kann ein Spannungsbereich angegeben werden:
Span Code Spannungsbereich
0 0V - 5V
1 0V - 10V
2 -5V - 5V
3 -10V - 10V
4 -2.5V - 2.5V
5 -2.5V - 7.5V
Der AD5541-DAC kann den Span Code nicht auswerten und hat den festen
Bereich 0V - 10V.
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Um die Messungen mit dem Keithley2000 durchführen zu können, muss es mit der COM2-Buchse auf der Frontseite des VME-Rechners verbunden sein.
Auslesetakt: 10s
Mode: DC
Range: 100V
NPLC: 10 (lowest sample rate)
Die Ausgabe der Daten erfolgt auf dem Bildschirm und die Datei
$HOME/ex_home/ex_data/Keithley.txt in [s] und [V].
Mode: DC
Range: 1V
NPLC: 0.01 (highest sample rate)
Es hat sich jedoch gezeigt, dass auch dann nur niederfrequente Schwankungen berücksichtigt werden. Als geeigneter zur Messung des Rauschens hat sich die AC-RMS-Messung gezeigt (Siehe Restwelligkeit).
U0 Cath/P5 raw voltage
U1 Cath/P5 fine voltage
U2 Cath/P5: FUG 140-3500
Wenn das Keithley online betrieben wird, dann erfolgt dessen Einstellung durch das Programm. Im anderen Fall muss diese Einstellung manuell erfolgen.
Mode: DC
Range: 1000V
NPLC: 10 (lowest sample rate)
Im Online-Betrieb liest das Programm die Messwerte aus. Offline müssen die Messwerte abgelesen und eingetragen werden. In beiden Fällen jedoch muss zunächst abgewartet werden bis das Keithley einen stabilen Wert anzeigt.
Die Eichung erfolgt in sechs Schritten. Wenn die Messwerte nach jedem Schritt mehr als 1 Volt vom Sollwert abweichen, wird ein Hardwarefehler vermutet und es erfolgt ein Abbruch um das Keithley nicht in Gefahr zu bringen.
Nach Abschluss der Eichung stehen die Eichwerte im EGUN-Programm zur Verfügung und können überprüft werden. Dabei ist zu beachten, dass die Fehlertoleranz der DACs ein LSB ist, d.h. ca. 15mV für die dominierende Spannung U0.
Details zur Eichung sind im Anhang ausführlich beschrieben: (Siehe Kalibrierung der Kathodenspannung).
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Diese Tests dienen dazu, die Elektronenkanone mit den notwendigen Spannungen zu versorgen und die Ströme von den Elektroden zu überwachen, um unzulässige Betriebszustände zu vermeiden.
PSO[0/1/2] -> LWL[0/1] -> DAC[0/1]
U0 Cath/P5 raw voltage U1 Cath/P5 fine voltage U2 Cath/P5: FUG 140-3500 U3 P1/P4: FUG 140-2000 U4 P1/P4 voltage U5 P2/P3: TREK 609E-6 U6 P6: FUG 140-6500 U7 Coll.: FUG 4200-3500
Für die Spannungen U2 bis U7 ist die Eichung unkritisch und es können die berechneten Werte verwendet werden.
Für die Kathodenregelung (U0, U1) jedoch sollten die genauen Werte durch Messung ermittelt werden. Die Durchführung einer solchen Eichung ist im Anhang ausführlich beschrieben (Siehe »Kalibrierung der Kathodenspannung«).
Beschreibung des Modes (Title) Maximal zulässige Energie (Max Energy) Maximal zulässige Energieänderung (Ramp Speed) Die Faktoren zur Berechnung der Spannungen aus der Energie
Nach dem Start wird der neue Energiewert, wie zuvor beschrieben angefahren.
Dabei werden die Ströme überwacht und bei Überschreitung des
Warn-Levels eine Warnung ausgegeben.
Bei Erreichen des Stop-Levels werden alle Spannungen sofort auf Null gesetzt
und die Funktion abgebrochen.
Die aktuellen Ströme und Spannungen werden angezeigt.
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Bringt diese Anleitung über das menüorientierte GNU-INFO-Programm auf den Bildschirm. INFO läuft dabei auf einem Server (z.Z. Ionix).
Wenn INFO mit ’Q’ oder ’q’ normal beendet wird, dann erfolgt die direkte Rückkehr zum Messprogramm. Wird INFO jedoch mit ’^C’ abgebrochen, so bleibt das Login auf dem INFO-Server erhalten und muss mit ’exit’ oder ’logout’ beendet werden!
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| • Multi-Mode-Elektronenkanone | ||
| • LWL-Repeater | ||
| • Dual 16/18-Bit standalone DAC-Boards | ||
| • 8-Kanal 12-Bit ADC-Boards |
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GUNLO (eGUNLOop) (neue Version 13.06.2019)
Externer Regelkreis zur Steuerung und Regelung der Kathoden- und Stangenspannung der
Multi-Mode-Kanone im Labor 017.
Autor: W.Arnold (1.12.97), K. Huber (2019)
Nächste: Kalibrierung der Kathodenspannung, Nach oben: Elektronenkanone [Inhalt]
Siehe hierzu Blockschaltbild gunlo03a.sch.
Die Kathodenspannung wird von einem FUG Netzgerät HCP140-3500 (3.5KV, 40mA) geliefert,
welchem ein bipolares Kepco-Netzgerät BOP 100-1M (+-100V, 1A) untergestockt ist. Damit ist es
möglich Kathodenspannungen bis 3,6 KV zu erzeugen. Die Steuerung und Regelung der
Kathodenspannung erfolgt in einem separaten Regeleinschub (ESGUNLO3). In diesem befindet sich
ein 1:401 Spannungsteiler von welchem der untersetzte Istwert der Kathodenspannung einer
Reglerkarte (gunlo01-neu) zugeführt wird. Der Sollwert der Kathodenspannung wird von einer
zweifach 18-Bit DAC-Karte (DC1684A-A) erzeugt. Deren 0V-10V Ausgangswerte werden
auf der Reglerkarte mit unterschiedlicher Wichtung addiert (Offset: 1, Sweep: 0.1), so dass
sich für Offset ein Vollausschlag von 4010V und für Sweep ein Vollausschlag von 401V
ergibt. Jedenfalls berechnet nach dem Entwurf der Schaltung. Tatsächlich werden diese Werte
aber dicht bei 4000V bzw. 400V gemessen. Diese Abweichung ist durch die Toleranz der Bauteile
nicht zu erklären!
Der Integrator vergleicht Ist- und Sollwert und steuert mit seinem Ausgang das Kepco-Netzgerät
an, welches als Spannungfolger mit Verstärkung v=10 beschaltet ist.
Der DAC des FUG-Netzgerätes liefert bei Vollausschlag +10 Volt, was einer Ausgangsspannung von
3500 Volt entspricht. Um mit dem Sweep den Spannungshub von +-100V des Kepco-Netzgerätes voll
ausnutzen zu können, sollte die Ausgangsspannung des FUG-Netzgerätes auf U-out= U-offset+100
Volt eingestellt werden.
Der Stangenkreis ist wie der Kathodenkreis aufgebaut. Die Stangenspannung liefert ein
MCP140-2000 (2kV, 60mA) zusammen mit einem BOP 100-1M (+-100V, 1A). Den Istwert liefert ein 1/201
Spannungsteiler.
Nächste: Komponenten der Spannungsregelung, Vorige: Funktionsbeschreibung für Kathodenspannung, Nach oben: Elektronenkanone [Inhalt]
An der Regelung der Kathodenspannung sind verschiedene Schaltungskomponenten (zwei DACs, Spannungsteiler, Soll-Istwertvergleich) mit ihren Abweichungen von den geplanten Daten beteiligt, was die Durchführung der Eichung zunächst recht unübersichtlich erscheinen lässt. Durch die Verwendung mittels passiver Bauteile stark gegengekoppelter Verstärker kann man aber von linearen Übertragungsfunktionen der einzelnen Komponenten ausgehen. Damit lassen sich die Zusammenhänge auf eine einfache Formel reduzieren:
Verhalten der DACs
U0 = a0 + b0*X0
U1 = a1 + b1*X1
Addition der DAC-Spannungen zum Sollwert
Us = as + (bs0*U0 + bs1*U1) bs0 = 1; bs1 = 0.1
= as +bs0*a0 +bs1*a1 + bs0*b0*X0 + bs1*b1*X1
Hochspannung
HV = (at + bt*T) * Us (T: Spannungsteiler)
...
= A + B0*X0 +B1*X1
In dieser letzten Formel sind alle Offset und Gain Fehler zusammengefasst. Damit kann die Eichung in sechs Schritten erfolgen:
U0 Cath/P5 raw voltage
U1 Cath/P5 fine voltage
U2 Cath/P5: FUG 140-3500
Sollwerte:
DACmin: X = 0x00000 -> U = 0V
DACmax: X = 0x3ffff -> U = 10V
Spannungsteiler T0 = 1:4010
Spannungsteiler T1 = 1:401
X0 = 0x00000 X1 = 0x00000 U2 = 0V
X0 = 0x04000 X1 = 0x00000 U2 = 250V
X0 = 0x0ffff X1 = 0x00000 U2 = 1000V
X0 = 0x00000 X1 = 0x10000 U2 = 100V
X0 = 0x00000 X1 = 0x3ffff U2 = 400V
E0_U0 = Offset E10_U0 = ((MU0-Offset) / 0x0ffff * 0x3ffff) + Offset; E0_U1 = 0 E10_U1 = MU1
Für die Durchführung dieser Prozedur steht ein Programm zur Verfügung (Siehe Keithley2000).
Durch die Offset-Verschiebung der Spannungen können, je nach DAC-Modus und HV-Gerät, die minimalen oder maximalen Spannungswerte nicht erreicht werden. Für die negative Kathodenspannung bedeutet z.B. ein Offset von -1V, dass nicht weniger als 1eV Energie eingestellt werden kann.
Nächste: Simulation, Vorige: Kalibrierung der Kathodenspannung, Nach oben: Elektronenkanone [Inhalt]
Nächste: Kathodennetzgerät, Nach oben: Komponenten der Spannungsregelung [Inhalt]
Typ: LTC DC1684A-A auf Carrier-Board Firmware: dac2758-18-pso32 DAC-Code: 0x00000 - 0x3ffff Modus: 0V - 10V
Ausführliche Beschreibung: Siehe DAC-Boards.
Nächste: Stangennetzgerät, Vorige: DAC-Karten DC1684A-A, Nach oben: Komponenten der Spannungsregelung [Inhalt]
Typ: FUG HCP140-3500
Ser.-Nr: 21869-01-01
Daten: 3.5kV, 40mA
Optionen:
Verminderter Ripple (1E-5)
Analoge Fernsteuerung (0V - 10V)
Das Gerät reagiert sowohl bei steigenden wie bei fallenden Spannungssprüngen (z.B. 100V/200V) mit einem exponentiellen Verlauf (Siehe Programmierung.).
Gemessene Störungen
Das Gerät arbeitet intern mit einer 60kHz Rechteckspannung
deren Flanken als 120kHz Schaltspitzen zu sehen sind.
Sie lassen sich durch 10 - 30nF an der Kanonenposition
(Kabelmitte, 2*6m?) deutlich reduzieren.
FUG, gemessen am Ausgang: 50Hz-Brumm: 3mVss Schaltspitzen: 100V, 20kOhm, 0nF: 150mVss 100V, 100kOhm, 10nF: 3mVss FUG + Kabel + Spannungsteiler, gemessen in der Kabelmitte: 50Hz-Brumm: 3mVss Schaltspitzen: 100V, 20kOhm, 0nF: 70mVss 100V, 100kOhm, 10nF: 3mVss Kepco + Schutzschaltung + FUG + Kabel + Spannungsteiler, gemessen in der Kabelmitte: 50Hz-Brumm: 7mVss Schaltspitzen: 100V, 20kOhm, 0nF: 250mVss 100V, 100kOhm, 20nF: 7mVss Regelung + Kepco + Schutzschaltung + FUG + Kabel + Spannungsteiler, gemessen in der Kabelmitte: 50Hz-Brumm: 7mVss Schaltspitzen: 100V, 20kOhm, 0nF: 200mVss 100V, 100kOhm, 20nF: 10mVss 100V, 100kOhm, 30nF: 5mVss
Nächste: Kepco-Netzgeräte BOP 100-1M, Vorige: Kathodennetzgerät, Nach oben: Komponenten der Spannungsregelung [Inhalt]
Typ: FUG MCP140-2000
Daten: 2.0kV, 60mA
Optionen:
Standard-Ripple (1E-4)
Analoge Fernsteuerung (0V - 10V)
Das Gerät reagiert sowohl bei steigenden wie bei fallenden Spannungssprüngen (z.B. 100V/200V) mit einem exponentiellen Verlauf (Siehe Programmierung.).
Gemessene Störungen
Das Gerät arbeitet intern mit einer 60kHz Rechteckspannung
deren Flanken als 120kHz Schaltspitzen zu sehen sind.
Sie lassen sich durch 10 - 30nF an der Kanonenposition
(Kabelmitte, 2*6m?) deutlich reduzieren.
FUG, gemessen am Ausgang: 50Hz-Brumm: 30mVss Schaltspitzen: 100V, 20kOhm, 0nF: 300mVss 100V, 100kOhm, 20nF: 30mVss FUG + Kabel + Spannungsteiler, gemessen in der Kabelmitte: 50Hz-Brumm: 30mVss Schaltspitzen: 100V, 20kOhm, 0nF: 170mVss 100V, 100kOhm, 20nF: 30mVss Kepco + Schutzschaltung + FUG + Kabel + Spannungsteiler, gemessen in der Kabelmitte: 50Hz-Brumm: ?mVss Schaltspitzen: 100V, 20kOhm, 0nF: 400mVss 100V, 100kOhm, 20nF: 150mVss 100V, 100kOhm, 30nF: 100mVss 100V, 100kOhm, 120nF: 20mVss (Regelung gestört)
Nächste: Schutzbeschaltung, Vorige: Stangennetzgerät, Nach oben: Komponenten der Spannungsregelung [Inhalt]
Typ: Kepco BOP 100-1M
Ser.-Nr: E133086, E124474
Daten: +-100V, 1000mA
Optionen:
Analoge Fernsteuerung (-10V...+10V)
Beide Netzgeräte sind am Programmierstecker mit BNC-Buchsen ausgerüstet, die es gestatten sie
als invertierende *10-Verstärker zu betreiben. Diese Buchsen werden nicht benutzt und bleiben
unbeschaltet. Für den hier beschriebenen Betrieb als *10 Spannungsfolger wurde am
Programmierstecker zusätzlich ein 3-poliger Diodenstecker mit Schutzbeschaltung angebracht
(s. Blockschaltbild gunlo03a). Über Pin 3 dieser Stecker wird die Ausgangsspannung der
Regelung zugeführt.
Auf der Frontplatte müssen Common mit Common_Sense und Output mit Output_Sense gebrückt werden.
Falls die Geräte standalone betrieben werden sollen, ist der Diodenstecker mit einer Kurzschluss-Buchse zu versehen, welcher die Pins 1 und 2 brückt.
Beide Kepcos reagieren im ungeregelten Betrieb auf einen 10V Sprung der Steuerspannung
mit einer RC-Zeit von ca. 16us.
Der Ausgang des Kathoden-FUG reagiert auf das Kepco-Signal bis ca. 1% unter der
Sollspannung mit dem Verlauf des Kepco-Signals, steigt dann linear bis ca. 1%
über dem Sollwert um dann in 1ms auf den Sollwert abzufallen. Die Zeit des
Anstiegs (1-10ms) ist proportional zur Höhe des Spannungssprungs und
umgekehrt proportional zum vom FUG gelieferten Strom (Siehe Rätselhafte Zacken.).
Nächste: Spannungsteiler, Vorige: Kepco-Netzgeräte BOP 100-1M, Nach oben: Komponenten der Spannungsregelung [Inhalt]
Kathoden-Kepco: KGUNLO4.1
Stangen-Kepco : KGUNLO4.2
Sie dienen dem Schutz der Kepco-Netzgeräte vor Überspannungen bei Überschlägen an der
Elektronenkanone. Z.B. wird der Kurzschluss-Strom an der Kathode durch diese Beschaltung auf
ca. 150 Ampere limitiert und muss im Fehlerfall vom Varistor und von der Endstufe des
Netzgerätes übernommen werden. Dabei sind vor allem die ersten u-Sekunden des Überschlages
kritisch. Ein Dauerkurzschluss am Verbraucher ist dagegen relativ unkritisch, da die
Kepco-Endstufe die 40mA bzw. 60mA Ausgangsstrom der FUG-Netzgeräte im Dauerstrich übernehmen
kann. Dies gilt allerdings nur, wenn das Kepco-Netzgerät eingeschaltet ist, da sonst der
Endstufe die nötige Kühlung fehlt.
Nächste: Reglerkarte, Vorige: Schutzbeschaltung, Nach oben: Komponenten der Spannungsregelung [Inhalt]
Die beiden Spannungsteiler (Kathode 1:200, Stangen 1:60) für die alte Kanone waren mit 10k und 100k Widerständen des Typs VISHAY S102K (0.1%, 1ppm/K) realisiert. Um die neuen Teiler zu realisieren (Kathode 1:400, Stangen 1:200) war nur der S102C-Typ (0.1%, 2ppm/K) auf die Schnelle zu beschaffen. Deshalb wurde der alte Stangenteiler mit S102C zum Verhältnis 1:200 ergänzt und mit dem alten Kathodenteiler in Serie geschaltet. Der neue Stangenteiler ist auf einem weiteren Board mit S102C-Typen realisiert. Da bei den 20*100k die Chance besteht, dass sich ihre Fehler rausmitteln, wurde der einzelne 10k mit höherer Genauigkeit gewählt.
Kathode Board1 100k: 6*S102K (0.1%), 14*S102C (0.1%) Kathode Board2 100k: 20*S102K (0.1%); 10k: 1*S102K (0.1%) Stangen 100k: 20*S102C (0.1%); 10k: 1*S102C (0.01%)
Das Mischen von S102K und S102C Typen ist nicht ideal, da die beiden Typen gegenläufige
Temperaturabhängigkeit haben und sollte nachgebessert werden!
Die Teilerverhältnisse von 1:400 bzw. 1:200 können mittels Spannungsmessung (Keithley 2000)
und Korrekturwiderständen abgeglichen werden. Da die Hochspannungen aber ebenso die Fehler der
DACs und der Reglerkarte beinhalten, ist es sinnvoller Abweichungen vom Sollwert in der
Software durch eine Eichung zu berücksichtigen und diese gelegentlich zu wiederholen.
Nächste: Einschub ESGUNLO3, Vorige: Spannungsteiler, Nach oben: Komponenten der Spannungsregelung [Inhalt]
Die Karte enthält für die Messung von Kathoden und Stangenspannung jeweils zwei separate Spannungsfolger, je einen für die Regelung und je einen für die auf die Frontplatte geführte Sekundäranzeige. Die Sekundäranzeige sollte nur zur (erdfreien!) Messung des DC-Mittelwertes benutzt werden. Für die Messung von AC-Komponenten empfiehlt es sich direkt an der Kanone mittels Tastkopf zu messen.
Bei den Präzisionswiderständen PR2, PR6 und PR9 handelt es sich um VISHAY SMNZ Präzisionswiderstände mit jeweils 4*10k in einem Gehäuse (0.01%, 0.1ppm/K).
Die Präzisionswiderstände PR3 und PR7 sind VISHAY S102K (0.01%, 1ppm/K).
Die PR1, PR4, PR5 und PR8 bieten eine Korrekturmöglichkeit für Verstärkungsfehler. Sie sind zur Zeit gebrückt, da eventuelle Verstärkungsfehler von der Software korrigiert werden.
Auf dem Original von W. Arnold sollte nach den Angaben in der gunlo01-Beschreibung der OPA124PB eingesetzt sein. Tatsächlich ist die Karte jedoch mit dem OPA124P bestückt. Da die P-Typen (DIL) nicht mehr hergestellt werden, wurde für die neue Regelung der U-Typ (SOIC) verwendet. Leider aber der 124U statt 124UA, was zu unbefriedigenden Ergebnissen bezüglich Offset und TK geführt hat, insbesondere da die U-Typen über keinen Offset-Abgleich mehr verfügen (Kathode Offset: 350mV, TK: 5mV/K). Deshalb wurden die OPA124 nochmals durch die Zero-Offset-Typen OPA189ID ersetzt. Diese haben allerdings deutlich höhere Bias- und Offset-Ströme, die sich jedoch nur im 1mV-Bereich auf die Kathodenspannung auswirken und außerdem weitgehend Temperatur unabhängig sind.
OPA (typ/max) 124U/P 124UA/PA 124PB 189ID Inp. Offs. V [uV] 200/800 150/500 100/250 0.4/3 Inp. Offs. TK [uV/K] 4/7.5 2/4 1/2 0.005/0.02 Inp. Bias I [pA] 1/5 0.5/2 0.35/1 70/300 Inp. Offs. I [pA] 1/5 0.5/2 0.25/0.5 70/300
Mit den OPA189ID wurde die Temperaturabhängigkeit der Regelung deutlich verbessert, der Offset jedoch nicht in dem erwarteten Maße (Kathode Offset: 60mV, TK: 0.1mV/K).
Der Regler für die Kathodenspannung wurde mittels C2=150p und R8=100k auf ein sauberes Einschwingen mit ca. 50us Anstiegs- und Abfallzeit bei Rechteck-Modulation des Sollwertes eingestellt. Die Einstellung erfolgte mit 1V-Rechtecken im Bereich 0v bis 200V. Mit 20nF zur HF-Glättung in der Kabelmitte tritt in manchen Lastbereichen ein leichtes Überschwingen von ca. 1% auf.
Am Regler der Stangenspannung wurde diese Zeit mittels C1=220p und R3=22k ebenfalls
auf ca. 50us eingestellt bei einem sauberen Einschwingen.
Vorige: Reglerkarte, Nach oben: Komponenten der Spannungsregelung [Inhalt]
Er enthält die beiden Spannungsteiler, die Reglerkarte, zwei DAC-Karten für Kathoden- und
Stangensollwert und ein Netzteil.
Wichtig: Das Bezugspotential des Einschubes wird über die Senseleitungen für Kathode und
Stangen von der Elektronenkanone zugeführt. Der gesamte Aufbau ist erdfrei. Es existiert auch
nur je eine einadrige Verbindung zum Kepco (Stellgröße auf Pin 3 des Steckers).
Um im Fehlerfall die Personensicherheit zu gewährleisten ist zwischen Bezugspotential des
Einschubes und Potentialerde (PE) ein Varistor S20K11 angebracht.
Die verwendeten Präzisionswiderstände sind teilweise sehr empfindlich gegen Brummeinstreuung.
Es ist deshalb darauf zu achten, dass der Einschub nicht neben Geräte gestellt wird, die ihre
Umgebung mit Elektrosmog verseuchen. Z.B. sind die beiden Kepco-Netzgeräte solche
"Dreckschleudern", weil ihre Trafos bei 50Hz-Betrieb in die Sättigung gehen und deshalb
entsprechend hohe Streufelder erzeugen.
Nächste: Abgleich, Vorige: Komponenten der Spannungsregelung, Nach oben: Elektronenkanone [Inhalt]
Die Regelung von Kathoden- und Stangenspannung wurde mit dem Programm Tina-TI von Texas Instruments untersucht und optimiert. Mit Tina-Ti lassen sich, wie auch mit LTspice (Linear Technology) und anderen, Spice-Simulationen von Schaltungen durchführen.
| • Schaltung | ||
| • Optimierung |
Nächste: Optimierung, Nach oben: Simulation [Inhalt]
V = Vu * Vr = R3/(R3+R4) * R7/R6 = 1/40 T = R1*C1/V = 60us
Die Regelverstärkung des P-Reglers wird mit R4 eingestellt.
Vorige: Schaltung, Nach oben: Simulation [Inhalt]
Zur Optimierung der Regelung wurde zunächst der L1,C4-Schwingkreis mit einer
eigenen Simulation untersucht und durch R9 auf den aperiodischen Grenzfall gedämpft.
Dazu wurde R9 von bisher 11 Ohm auf 100 Ohm erhöht. Dies sollte ohne Probleme
möglich sein, da die neue Kanone im Kathodenkreis nur maximal 40mA benötigt
gegen 1A bei der alten.
Andere R9-C4-Kombinationen sind ebenfalls möglich.
fr: gerechnete Frequenz des ungedämpften Oszillators
fr=1/(2Pi*Wurzel(L1*C4))
fm: gemessene Frequenz des ungedämpften Oszillators
Tr: gerechnete Einschwingzeit des aperiodischen Grenzfalls
Tr=2*L1/R9
Tm: gemessene Einschwingzeit des aperiodischen Grenzfalls
R9[Ohm] C4[nF] L1[uH] fr[kHz] fm[kHz] Tr[us] Tm[us]
11 200 36.4
22 200 18.2
44 390 200 18.0 9.1
100 130 200 31.2 4.0
Nächste: Restwelligkeit, Vorige: Simulation, Nach oben: Elektronenkanone [Inhalt]
Auf der neuen Reglerkarte sind die 20k-Potis zum Offset-Abgleich der Operationsverstärker ohne Funktion da die OPA189ID keinen solchen Abgleich mehr bieten. Offset und Gain kann daher nur über die DAC-Karten justiert werden.
Die DAC-Potis sind gut erreichbar wenn man die Frontseite des Regelungseinschubes entfernt. Die DAC-Potis müssen mittels Jumper auf den DAC-Boards aktiviert werden. Nicht genutzte Potis sollten deaktiviert werden (GND = off).
DAC-Offset A/B: VOSADJ A/B DAC-Gain A/B: GEADJ A/B A: Kath.-Offset B: Kath.-Sweep
Der Kath.-Offset ist am Besten mit dem Sweep-DAC (VOSADJB) einstellbar, da dieser um den Faktor 10 feiner reagiert.
Da das Kathodenspannungs-Offset nur ca. 60mV beträgt und das Temperaturverhalten des OPA189ID sich durch diese Korrekturen verschlechtert, sollte man Offset- und Gain-Fehler besser mit der Software korrigieren!
Nächste: Step-Verhalten, Vorige: Abgleich, Nach oben: Elektronenkanone [Inhalt]
Unter Restwelligkeit sind hier alle Störungen zusammengefasst, die beabachtet werden konnten:
| • Messverfahren | ||
| • Kathode Testaufbau | ||
| • Kathode Laborbetrieb | ||
| • Stangen Testaufbau | ||
| • Stangen Laborbetrieb |
Nächste: Kathode Testaufbau, Nach oben: Restwelligkeit [Inhalt]
Die Messung der Störungen erfolgte als Effektivspannung (RMS-Wert) mit einem Keithley 2000 im VAC-Mode mit Filter = 10 und Rate = med oder slow. Der Frequenzgang sollte laut Anleitung abhängig von Filter und Rate sein, ist es aber nicht. Der VAC-Frequenzgang wurde mit einem Sinussignal vermessen.
Da der Eingang des Keithley2000 auf 1kV begrenzt ist, wurde zur Messung der Spannungsabhängigkeit der Störung die HV-Spannung mittels Spannngsteiler auf 1kV unterteilt, während der AC-Anteil über 100nF im interessierenden Frequenzbereich in voller Höhe übertragen wird. Da die 100nF nur für max. 1kV vorhanden waren konnten die spannungsabhängigen Störungen nur bis 2kV gemessen werden.
Die Stromabhängigkeit der Störung wurde mit einem niederohmigen Lastwiderstand (5k, 4W) gemessen um die Abhängigkeit von der Spannung gering zu halten.
Bewertung der RMS-Messwerte:
(Formeln in TEX-Schreibweise, s.h. PDF und DVI für grafische Formeln)
Da eine Messung der Verteilungsfunktion der Störspannungen mit Hilfe der
VDC Abtastwerte des Keithley 2000 erfolglos war (trotz abgeschaltetem Filter
und Fast-Mode werden nur niedere Frequenzen erfasst), soll versucht werden
an Hand von zwei Spezialfällen (Sinus, Rauschen) eine Abschätzung der
Energieauflösung der Kanone aus den gemessenen Effektivwerten zu erhalten.
Mit ’Rauschen’ soll hier eine Störung U(t) verstanden werden, deren Wahrscheinlichkeitsdichte W(U) eine Normalverteilung ist. Dann lässt sich der Effektivwert U_{eff} der Störung durch Integration von U^2 * W(U) und anschließender Normierung bestimmen. Es zeigt sich, dass der Effektivwert gleich dem \sigma der Normalverteilung ist.
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Für eine Sinus-Störung U(t) ist der Effektivwert U^2_{eff} der Mittelwert von U^2(t). Damit erhält man eine Beziehung zwischen dem gemessenen Effektivwert und den Spitzenwerten der Störung. Die Verteilungsfunktion F(U) für den Sinus ist gegeben durch den ArkusSinus und die Wahrscheinlichkeitsdichte W(U) durch die Ableitung von F(U).
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In der Grafik sind beide Wahrscheinlichkeitsdichten, normiert auf einen Messwert von 1V_{eff}, gegenübergestellt. Die Halbwertsbreite und die Spitzenspannung sind markiert. Sie liegen recht dicht zusammen und lassen erwarten, dass die gemessenen Effektivwerte ein brauchbares Maß für die Energieauflösung der Kanone sind.
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Die Messungen wurden mit den Kabeln durchgeführt, die anschließend auch im Labor zum Einsatz kommen sollten. Für die beiden WWZ-Spannungszuführungen wurde jedoch ein gemeinsames Kabel verwendet. Sowohl für WWZ- als auch Labor-Ground diente der Zentrale-Erdungspunkt am Regelungseinschub.
Die Störungen sind sowohl Spannungs- als auch Stromabhängig, wobei der Strom einen eher geringeren Beitrag liefert. Das Kepco hat in seinem gesamten Spannungsbereich (+-100V) nur untergeordneten Anteil. Einen deutlichen Einfluss auf das Maß der Störung hat der Wert des Filterkondensators in der Filterbox vor der Kanone. Der Wert kann jedoch nicht beliebig hoch gewählt werden, da sonst eine schnelle Ausregelung der Spannungssprünge im Scan-Betrieb nicht mehr gewährleistet ist (Siehe Step-Verhalten.).
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Die Störungen wurden gemessen zwischen Kathode und WWZ1 (Siehe FilterBox.). Proben für WWZ2 ergaben ähnliche Werte. Die Störungen werden verstärkt durch die zwei 10 Ohm Entkopplungswiderstände und können durch parallel geschaltete Kondensatoren wieder verringert werden. Zunächst standen für diesen Zweck nur unipolare Kondensatoren zur Verfügung. Die Nachrüstung mit bipolaren einige Wochen später hat leider nicht das erhoffte Ergebnis gebracht. Der Grund dafür muss noch untersucht werden.
Bauteile von WWZ1/WWZ2 gegen Mittelabgriff [1]: 0/0 Ohm, -/- mF [2]: 10/10 Ohm, -/- mF [3]: 10/10 Ohm, 4.7/4.7 mF unipolar [4]: 10/10 Ohm, 9.4/4.7 mF unipolar [5]: 10/10 Ohm, 13.6/13.6 mF bipolar Kathode Noise[mV-RMS] zwischen Kathode und WWZ1 U[V] [1] [2] [3] [4] [5] ----------------------------------------------------- 0 9.2 8.5 13.7 20 7.1 11.4 8.7 8.2 13.1 100 6.9 11.0 8.6 7.9 13.0 200 7.0 11.1 8.6 8.0 300 7.3 11.2 8.9 8.3 400 7.6 11.4 9.2 8.6 500 8.0 11.7 9.6 9.0 600 8.5 12.0 10.1 9.5 700 9.0 12.3 10.5 10.0 800 9.6 12.7 11.0 10.5 900 10.2 13.2 11.6 11.1
In einem weiteren Test wurde die Masseverbindung zwischen Stangen-FUG und Stangen-Regler entfernt (mögliche Brummschleife; Siehe FilterBox.). Dies führte jedoch zu etwa einer Verdopplung der Störung der Kathodenspannung.
Nächste: Stangen Laborbetrieb, Vorige: Kathode Laborbetrieb, Nach oben: Restwelligkeit [Inhalt]
Die Messungen wurden mit kurzen Kabeln durchgeführt.
Die Störungen sind für das weniger gut gefilterte MCP140-2000
wie erwartet deutlich höher, können jedoch durch einen höheren Wert
des Filterkondensators (30nF) für niedrige Spannungen deutlich reduziert
werden. Die Abhängigkeit vom Strom ist nur von geringer Bedeutung.
Störungen und die Reaktion der Stangenspannung auf Scan-Schritte
haben nur eine untergeordnete Auswirkung auf die Energieauflösung der
Kanone.
Vorige: Stangen Testaufbau, Nach oben: Restwelligkeit [Inhalt]
Gemessen zwischen Stangen und Ground-Zuleitung, 30nF Filter (Siehe FilterBox.). Stangen U[V] Noise[mV-RMS] ----------------------------------------------------- 0 11.2 100 11.5 200 12.3 300 13.5 400 15.1 500 17.1 600 19.4 700 22.1 800 25.0
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| • Einschwingvorgang | ||
| • Rätselhafte Zacken |
Nächste: Rätselhafte Zacken, Nach oben: Step-Verhalten [Inhalt]
Kathode Testaufbau:
Das dynamische Verhalten der Regelung auf Spannungssprünge ist abhängig von
dem Modus, in dem die Kanone betrieben wird. Die Abhängigkeit von der
Kathodenspannung, der Strombelastung des Kathodennetzgerätes, dem Lastwiderstand
und dem Filterkondensator wurde im Testbetrieb (ohne Kollektorstrom) untersucht.
Für den Lastwiderstand ist zu beachten, dass er bezüglich DC- und AC-Spannungen
unterschiedliche Werte annimmt (R_{DC} = U/I, R_{AC} = dU/dI). Eine Messreihe
von Michel Döring für den Hochenergiemodus (Stangenspannung = 10%*Kathodenspannung)
zeigt den Unterschied:
Im Testbetrieb, ohne die Kanone, wurde dieses Verhalten mit Hilfe einer zusätzlichen Spannung (MCP140-2000: manuell; Kepco: off) nachgebildet. Rl bildet den Wechselstromlastwiderstand (Impedanz) und mit dem MCP140-2000 kann ein zusätzlicher, konstanter Gleichstrom eingestellt werden.
Die Messungen erfolgten mit einem HAMEG HZ52-Tastkopf (1/10, 10MOhm, max. 600V) an einem HAMEG HM1507-3 Oszilloscop mit Tastkopf-Ground an WWZ-Ground in der Filter-Box. Eine Differenzmessung mit zwei Tastköpfen und dem Labor-Ground als Tastkopf-Ground zeigte gleiche Ergebnisse. Bei Anschluss von Tastkopf-Ground an das Filter-Box-Gehäuse (Labor-Ground) tritt ein ca. 17MHz ’Klingeln’ (200mVss, Dauer 1us) mit der doppelten Periode (120kHz) des HCP140-3500 Schaltnetzteils auf.
Es zeigte sich, dass das Regelverhalten bei Spannungssprüngen im Wesentlichen von der Impedanz (Wechselstromwiderstand, dU/dI) der Last abhängt und kaum von Strom und Spannung. Bei Lastwiderständen kleiner ca. (20-30)kOhm zeigt die Regelung aperiodisches Verhalten und bei höheren Widerständen tritt Überschwingen bis maximal 2% des Spannungssprunges auf (Siehe Einschwingverhalten.).
Kathode Laborbetrieb:
Mit angeschlossener Kanone konnte kein wesentlicher Unterschied zum Testbetrieb
beobachtet werden.
Stangen Testaufbau:
Es tritt Überschwingen bis ca. 3% des Spannungssprunges bei ca. 0.8ms Dauer auf
(Filter Cf=25nF), das für die Funktion der Stangenspannung vernachlässigbar ist.
Stangen Laborbetrieb:
Mit angeschlossener Kanone konnte kein wesentlicher Unterschied zum Testbetrieb
beobachtet werden.
Vorige: Einschwingvorgang, Nach oben: Step-Verhalten [Inhalt]
Kathode Testaufbau:
Bei Spannungssprüngen zu niedrigeren Spannungswerten folgt je nach
eGun-Parametern in unterschiedlichem Abstand vom Einschwingvorgang ein mehr
oder weniger deutlicher Zacken im Spannungsverlauf. Zwischen Einschwingvorgang
und Zacken liegt der Spannungsverlauf leicht unterhalb des Sollwertes.
Dieses Verhalten der Regelung lässt sich durch die Eigenschaft des HCP140-3500 erklären, dass es keine zurück fließende Ladung aufnehmen kann. Die Regelung der Kathodenspannung sorgt deshalb mittels Kepco über die Glättungskondesatoren CF des HCP140-3500 so lange für eine Entladung der Verbraucherkondensatoren Cf bis die überschüssige Ladung über den Laststrom I entsorgt ist. Am Spannungsverlauf des Kepco lässt sich dieser Vorgang gut verfolgen. Die Regelung fährt das Kepco nach dem Spannungsprung dU im Verhältnis Cf/CF tiefer als den Sollwert (woraus sich CF errechnen lässt: ca. 220nF). Damit übernimmt CF die überschüssige Ladung von Cf. Anschließend wird diese Ladung durch den konstanten Laststrom I abgeführt. Damit wäre der Vorgang eigentlich erledigt. Aber das HCP140-3500 benötigt noch Bedenkzeit (ca. 0.5 der Entladezeit, max. 7ms) bis es wieder Strom liefert. Die Folge ist, dass CF weiter entladen wird und anschließend wieder geladen werden muss. Sowohl die Entlade- als auch die Laderampe führen durch die verzögerte Reaktion der Regelung, abhängig von der Steilheit der Rampen, zu einer Abweichung der Kathodenspannung vom Sollwert. Dieses Verhalten konnte auch durch eine Tina-Ti-Simulation (Siehe Zacken-Untersuchung.) gezeigt werden, womit die folgenden Grafiken erstellt wurden.
Mit den Erklärungen von zuvor lässt sich der Entladevorgang in folgende Formel schreiben, mit dem Faktor A (ca. 1.5) um den verzögerten Start des Stroms zu berücksichtigen. Die Messungen am Testaufbau haben diesen Zusammenhang bestätigt.
T Abstand des Zackens [ms] A Faktor dU Spannungssprung [V] Cf Filterkondensator in der Filterbox [nF] I Entladestrom [mA] T = A * dU * Cf / I
Mit steigendem Laststrom wandern die Zacken zum Spannungssprung hin. Ab ca. 4ms Abstand werden die Zacken kleiner und bei ca. 0.8ms verschwinden sie ganz. Dieser Punkt lässt sich recht gut beobachten. Für Messungen mit unterschiedlichen Parametern (dU=1/2/5V, Cf=17/45nF, CF=220nF) waren die Ströme um die 0.8ms zu erreichen stets kleiner als 1mA (Siehe Zacken-Untersuchung.). Nach den Messungen von Michel Döring an der Elektronenkanone wird diese Grenze in keinem Betriebsmodus unterschritten. Dieses Verhalten des HCP140-3500 ist deshalb wohl eher nur von akademischem Interesse...
Kathode Laborbetrieb:
(bearbeiten!)
Stangen Testaufbau:
Das MCP140-2000 verhält sich in Bezug auf die Zacken ähnlich wie das HCP140-3500.
Jedoch erfolgt nicht nur bei der Entladerampe ein Überschießen sondern auch bei der
folgenden Laderampe was wiederum eine etwa halb so lange erneute Entladerampe zur Folge
hat. Es ensteht so eine ganze Folge von Rampen, die immer kleiner werden.
Auffällig ist ferner, dass bei positiven Spannungssprüngen die Rückseite des
Überschwingers ebenfalls eine solche Rampenfolge erzeugt.
Wie für das HCP140-3500 tritt dieses Verhalten nur bei Strömen kleiner 1mA auf. Für eine Energie von 100eV hat Michel (He-10%) jedoch einen Strom von 0.5mA gemessen. Da die Zacken aber nur ca. 3% des Spannungssprunges betragen bei ca. 1ms Dauer sollten sie für die Stangenspannung im Laborbetrieb keine Probleme bereiten.
Stangen Laborbetrieb:
(bearbeiten!)
Nächste: Schaltpläne, Vorige: Step-Verhalten, Nach oben: Elektronenkanone [Inhalt]
Die FUG HCN 140-2000/3500/6500 Netzgeräte zeigen sowohl bei einem Spannungsanstieg als auch -Abfall einen exponentiellen Verlauf, dessen Abklingzeit nur von der Last und Up/Down abhängig ist. Auch jeder Spannungssprung (z.B. 1000V/1100V) hat diese Abklingzeit:
HCN 140-3500 HCN 140-6500 HCP 140-2000
(reduz. ripple) (standard) (standard)
Load up down up down up down
4M 120ms 1000ms 120ms 300ms
910k 150ms 200ms 125ms 125ms
500k 150ms 150ms 125ms 125ms
Mit dem Ziel, das Kepco nicht zu übersteuern, müssen große (>100V) Spannungsänderungen in einzelne kleinere Sprünge unterteilt werden, mit den notwendigen Wartezeiten nach jedem Sprung. Dabei kann jedoch genutzt werden, dass das Kepco bis zu 100V der FUG-Verzögerung über die Regelung ausgleicht. Wählt man die Sprünge klein (z.B. 10V) so kann man den steilen Anfangsbereich des exponentiellen Verlaufs nutzen. Zu kleine Sprünge würden allerdings die benötigte Systemzeit erhöhen.
Mit
U = U0 * exp(-t/Tau),
t = -Tau * ln(U/U0)
ergibt sich für einen einzigen Sprung von 1000V auf 50V:
t = 3*Tau
Für eine Folge von n kleinen Sprüngen
dU = U0-U
von 1000V bis 0V mit Kepco Ausgleich U0 ergeben sich folgende Zeiten:
dU[V] n U0[V] U[V] t[Tau] n*t[Tau]
5 200 50 45 0.105 21
10 100 50 40 0.22 22
20 50 50 30 0.51 25.5
10 100 80 70 0.133 13.3
10 100 100 90 0.105 10.5
Schritte von 10V und ein maximaler Kepco Ausgleich von 100V liefern ein gutes Ergebnis. Man erhält eine lineare Rampe mit z.B.:
1000V / (10.5 * 200ms) = 476V/s
Bei den folgenden Messungen am HCN 140-6500 (Last 910k, Tau 125ms) wurde die "Ramp Speed" und die Schrittweite "Step" vorgegeben. Über die erreichte Rampe (dU/dt) wurde die benötigte Systemzeit T pro Schritt für den MVME 162 Laborrechner ermittelt. In der Systemzeit ist enthalten die Zeit für die Programmierung der acht DACs und der zwei Timer-Boards, sowie die Verarbeitung des Timer-Interrupts:
Speed[V/s] Step[V] dU[V] dt[ms] dU/dt T[ms] 500 10 400 850 471 1.25 1000 5 400 500 800 1.25 1000 10 400 450 889 1.25 1000 20 400 425 941 1.25
Nächste: Testdaten, Vorige: Programmierung, Nach oben: Elektronenkanone [Inhalt]
| • Schaltplan der Kanone | ||
| • Spannungen und Ströme | ||
| • Regelung der Kathoden-Spannung | ||
| • Steuerung der Hochspannungen | ||
| • Kabelverbindungen | ||
| • FilterBox |
Nächste: SpannungStrom, Nach oben: Schaltpläne [Inhalt]
Die unterschiedlichen Potentiale der Elektroden sind farblich unterschieden.
Bei der Wechselwirkungszone ist dies aus unbekanntem Grund jedoch missraten,
sie müsste schwarz sein da sie mit der Betriebserde von Rack 2 verbunden ist.
Nächste: Regelung, Vorige: Schaltplan der Kanone, Nach oben: Schaltpläne [Inhalt]
In der zugehörigen Grafik stehen die Farben für die Potentialebene der die Betriebserde eines Moduls angehört. Die Verbindungspfeile zwischen den Modulen zeigen den Signal- bzw. Spannungsfluss. Die Pfeile neben den Verbindungslinien zeigen den negativen Stromfluss. Von den eGun-Elektroden sind nur Kathode, Wechselwirkungszone und Kollektor explizit aufgeführt, alle anderen sind unter "weitere" zusammengefasst.
Der Haupanteil des Elektronenstroms sollte von der Kathode zum Kollektor fließen und von dort über das Kollektor-FUG zurück zur Kathode. Da für das Aufsammeln der Elektronen im Kollektor mit geringeren Spannungen gearbeitet werden kann als die Kathodenspannung, lässt sich die Belastung von Kollektor (Wärme) und FUG (elektrisch) auf diese Weise deutlich niedriger halten.
Das Kathoden-FUG hingegen muss die volle Spannung liefern, hat jedoch erheblich geringere Ströme zu verkraften und benötigt deshalb ebenfalls nicht die volle Leistung, die man aus Kathodenstrom und -Spannung errechnen könnte. Die anfallenden Ströme, die das Kathoden-FUG treffen, summieren sich aus den auf die verschiedenen Elektroden auftreffenden Elektronen (abzüglich Sekundärelektronen) und dem Strom über den HV-Teiler.
Nächste: Steuerung der Hochspannungen, Vorige: SpannungStrom, Nach oben: Schaltpläne [Inhalt]
Der Istwert der Regelung ergibt sich aus der Spannungsdifferenz zwischen Kathode und Wechselwirkungszone. Beide Spannungen werden möglichst nahe an der Kanone gemessen und über Koax-Kabel gleichen Typs, die durch Laborerde abgeschirmt sind, zur Regelung abgeleitet. Dabei sollten die beiden Kabel dicht nebeneinander verlegt werden damit die eingefangenen Störungen gleich sind.
Der Hochspannungsteiler untersetzt diese Spannungsdifferenz im Verhältnis 1/400. Da die Regelung als Istwert maximal 10V verarbeiten kann, ist damit die Kanone bis 4kV zu betreiben.
Der Regler hat als Betriebserde das Wechselwirkungspotential. Der Sollwert wird durch zwei 18 bit DACs vorgegeben, deren Ausgänge (0-10V) mit unterschiedlicher Wichtung zum Sollwert summiert werden. Durch Soll-/Istwert-Vergleich wird mittels Integralregelung der Stellwert für das Kepco BOP 100 erzeugt (sh. auch: Alte Kanone). Bezogen auf die Kathodenspannug beträgt die durch die DACs gegebene Auflösung:
DAC Wichtung Auflösung grob 1 15.25885 mV fein 1/10 1.525885 mV
Zur Unterdrückung von Hf-Störungen haben sich 150nF (Cy-Typ!) zwischen Betriebserde und Chassis-Erde bewährt.
Das Kepco (+-100V) liefert die Betriebserde für das nachfolgende FUG. Es hat als Betriebserde eine direkte Verbindung zum Wechselwirkungspotential und darf nicht mit der Betriebserde des Reglers (ebenfalls WWZ-GND) verbunden sein damit die Ströme der WWZ1/2 gemessen werden können!
Das nachfolgende FUG liefert die Kathodenspannung. Es wird gesteuert durch einen 16 bit DAC mit der selben Betriebserde wie das FUG. Die Zuleitung erfolgt über ein zweiadriges Kabel, das mit Chassis-Erde geschirmt ist. Zur Unterdrückunng von Hf-Störungen haben sich 150nF (Cy-Typ!) zwischen Betriebserde und Chassis-Erde bewährt.
Die WWZ besteht aus zwei Elektroden um die auftreffenden Ströme getrennt messen zu können. Die Regelung benötigt die Spannung innerhalb der WWZ. Durch je einen Widerstand in den Ableitungen zur Regelung werden die beiden Elektroden so weit entkoppelt, dass eine getrennte Strommessung möglich ist.
Durch diese Entkopplungswiderstände entsteht allerdings eine Rückwirkung auf die Spannungs- und Strommessung:
Optional kann das Wechselwirkungspotential durch ein weiteres Hochspannungsgerät in Verbindung mit einem Trenntrafo hoch gelegt werden.
Der Schutzleiter (SL) aller Module ist mit dem WWZ-GND verbunden und dieser wiederum mit der Laborerde (Lab-GND) falls WWZ-GND nicht hoch gelegt ist.
Nächste: Kabelverbindungen, Vorige: Regelung, Nach oben: Schaltpläne [Inhalt]
Empfohlener Einsatz der DACs
Pot.Ebene Box/Board/DAC/Bits Typ U0 Grnd Regl 1 0 18 DAC2758 Cath/P5 raw voltage U1 Grnd Regl 1 1 18 DAC2758 Cath/P5 fine voltage U2 Kepco-Kath Box1 1 0 16 DAC2752 Cath/P5: FUG 140-3500 U3 Kepco-P1/5 Box1 2 0 16 DAC2752 P1/P4: FUG 140-2000 U4 Grnd Regl 2 0 16 DAC2752 P1/P4 voltage U5 Grnd Box1 3 0 16 DAC2752 P2/P3: TREK 609E-6 U6 Kath Box2 1 0 16 DAC2752 P6: FUG 140-6500 U7 Kath Box2 1 1 16 DAC2752 Coll.: FUG 4200-3500 Reserve 1 18 DAC2758 Reserve 5 16 DAC5541 Reserve Box3 Die DAC-Boards müssen mit der Firmware PSO32 programmiert sein.
Nächste: FilterBox, Vorige: Steuerung der Hochspannungen, Nach oben: Schaltpläne [Inhalt]
Vorige: Kabelverbindungen, Nach oben: Schaltpläne [Inhalt]
Vorige: Schaltpläne, Nach oben: Elektronenkanone [Inhalt]
| • Einschwingverhalten | ||
| • Zacken-Untersuchung |
Nächste: Zacken-Untersuchung, Nach oben: Testdaten [Inhalt]
Uk Kathodenspannung, negativ dUk Spannungssprung, neg./pos. Rl Lastwiderstand parallel zu 4MOhm Spannungsteiler, 10MOhm Tastkopf Cf Filterkondensator in der Filterbox Rl=10k, Cf=(10,20)nF, dUk=+-2V, Uk=(10,20,50,100)V: aperiodisch, ca 0.6ms bis zum Rauschen Rl=25k, dUk=+-5V, Uk=(20,50,100,200,300)V: Cf=10nF: aperiodisch, ca 0.3ms bis zum Rauschen Cf=20nF: minimales Überschwingen, ca 0.6ms bis zum Rauschen Rl=100k, dUk=+-5V, Uk=(20,50,100,200,300)V: Cf=10nF: (0.5-1)% Überschwingen, ca 0.5ms bis zum Rauschen Cf=20nF: (1-1.5)% Überschwingen, ca 0.5ms bis zum Rauschen Rl=500k, Uk=(20,50,100,200,500,800)V: Cf=10nF, dUk=+5V: (-,-,1,1,0.5,?)% Überschwingen, ca 0.3ms Cf=10nF, dUk=-5V: (.5,1,1,1,.5,.5)% Überschwingen, ca 0.3ms Cf=20nF, dUk=+5V: (.5,.5,1,2,1,.5)% Überschwingen, ca 0.3ms Cf=20nF, dUk=-5V: (2,2,2,2,1,1)% Überschwingen, ca 0.3ms Rl=---, Uk=(20,50,100,200,300,400)V: Cf=10nF, dUk=+5V: (-,-,-,-,.5,.5)% Überschwingen, ca 1ms Cf=10nF, dUk=-5V: (1,1,1,1,1,1)% Überschwingen, ca 1ms Cf=20nF, dUk=+5V: (.5,.5,.5,-,-,-)% Überschwingen, ca 1ms Cf=20nF, dUk=-5V: (1.5,1.5,1.5,1.5,1,1)% Überschwingen, ca 1ms
Vorige: Einschwingverhalten, Nach oben: Testdaten [Inhalt]
dUk Spannungssprung Uk Kathodenspannung Rl totaler Lastwiderstand Cf Filterkondensator in der Filterbox Uh Hilfsspannung T1 min. Grenze für Zacken = Ende Einschwingvorgang I1=(Uk+Uh-dUk)/Rl notwendiger Strom damit Zacken verschwindet dUk Uk Rl Cf Uh T1 I1 [V] [V] [Mohm] [nF] [V] [ms] [uA] 5 20 0,800 45,0 456,0 0,8 588,8 5 35 0,800 45,0 423,0 0,8 566,3 5 50 0,800 45,0 387,0 0,8 540,0 5 65 0,800 45,0 354,0 0,8 517,5 5 80 0,800 45,0 316,0 0,8 488,8 5 95 0,800 45,0 303,0 0,8 491,3 5 110 0,800 45,0 269,0 0,8 467,5 5 125 0,800 45,0 256,0 0,8 470,0 5 140 0,800 45,0 224,0 0,8 448,8 5 155 0,800 45,0 199,0 0,8 436,3 5 170 0,800 45,0 184,0 0,8 436,3 5 185 0,800 45,0 166,0 0,8 432,5 dUk Uk Rl Cf Uh T1 I1 [V] [V] [Mohm] [nF] [V] [ms] [uA] 2 20 0,800 45,0 134,0 0,8 190,0 2 35 0,800 45,0 172,0 0,8 256,3 2 50 0,800 45,0 157,0 0,8 256,3 2 65 0,800 45,0 117,0 0,8 225,0 2 80 0,800 45,0 77,0 0,8 193,8 2 95 0,800 45,0 52,0 0,8 181,3 2 110 0,800 45,0 32,0 0,8 175,0 2 125 0,800 45,0 19,0 0,8 177,5 dUk Uk Rl Cf Uh T1 I1 [V] [V] [Mohm] [nF] [V] [ms] [uA] 1 20 0,800 45,0 61,0 0,8 100,0 1 35 0,800 45,0 46,0 0,8 100,0 1 50 0,800 45,0 46,0 0,8 118,8 1 65 0,800 45,0 34,0 0,8 122,5 1 80 0,800 45,0 1,5 0,8 100,6 dUk Uk Rl Cf Uh T1 I1 [V] [V] [Mohm] [nF] [V] [ms] [uA] 5 20 0,800 17,0 114,0 0,8 161,3 5 35 0,800 17,0 133,0 0,8 203,8 5 50 0,800 17,0 137,0 0,8 227,5 5 65 0,800 17,0 111,0 0,8 213,8 5 80 0,800 17,0 70,0 0,8 181,3 5 95 0,800 17,0 45,0 0,8 168,8 5 110 0,800 17,0 25,0 0,8 162,5 5 125 0,800 17,0 1,4 0,8 151,8
Nächste: DAC-Boards, Vorige: Elektronenkanone, Nach oben: Anhang [Inhalt]
Jede DAC-Karte beherbergt zwei DACs, die jedoch ein gemeinsames Masse-Potential haben und deshalb nicht ohne Wechselwirkungen zum Steuern von zwei HV-Netzgeräten verwendet werden können. Um die Anzahl der PSO-Karten zu reduzieren, kommt der LWL-Repeater zum Einsatz. Er ist durch Umprogrammieren des obsoleten LWL-CAN-Bus-Repeaters entstanden. Er verzweigt einen LWL-Eingang auf zwei LWL-Ausgänge um zwei DAC-Karten simultan zu steuern.
Nächste: ADC-Boards, Vorige: LWL-Repeater, Nach oben: Anhang [Inhalt]
| • Aufbau | ||
| • Funktion | ||
| • Bedienelemente | ||
| • Programmierung | ||
| • Probleme und Lösungen | ||
| • Einsatz bei der Elektronenkanone |
Nächste: Funktion (DAC), Nach oben: DAC-Boards [Inhalt]
Für diese DAC-Karten wurden sogn. Demo-Boards DC1684A mit den DACs LTC2752 (16 Bits) bzw. LTC2758 (18 Bits) verwendet, die auf eine Europakarte mit Netzteil, LWL-Empfänger, Offset-/Gain-Abgleich und einem FPGA zur Steuerung montiert sind.
Beide Varianten dieser DACs verhalten sich bezüglich der Programmierung im Rahmen ihrer Möglichkeiten gleich. Bei den 16 Bit-DACs kommen die zwei niederwertigsten Bits nicht zur Anwendung:
Die DAC-Karten besitzen ein eigenes Netzteil und benötigen nur 230V AC zu ihrem Betrieb. Die Spannungszuführung und Signalabführung erfolgen über eine VG-Steckerleiste in den DAC-Boxen zu deren Rückseite. Zusätzlich verfügen sie über einen dreipoligen Stecker zur Spannungszuführung und 2 * 2 Steckerstifte für die Ausgangssignale auf dem Board als Einbauversion.
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Die DAC-Karten werden über Lichtleiter angesteuert und sind deshalb für einen Betrieb auf höherem Potential geeignet. Als passender Lichtleitersender wurde das PSO14-Control-Routing-Board mit Firmware PSO32 entwickelt. Die Datenübertragung benötigt ca. 19us.
Die Ausgänge der DACs sind potentialfrei, deshalb ist Folgendes zu beachten:
Pin Signal 1 Out 2 Schutzerde 3 Masse
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Weitere Infos siehe: DEMO MANUAL DC1684A und LTC2752/LTC2758 Data Sheets
Manuelle Einstellung des Spannungsbereichs auf dem DC1684A-Board
Jumper MSPAN
0 programmierte Einstellung, beide DACs getrennt
1 manuelle Einstellung mittels Sn, beide DACs gemeinsam
Jumpers S2 S1 S0
0 0 0 0V to 5V
0 0 1 0V to 10V
0 1 0 -5V to 5V
0 1 1 -10V to 10V
1 0 0 -2.5V to 2.5V
1 0 1 -2.5V to 7.5V
Offset und Gain Abgleich
Mittels vier Potis können, falls nötig, Offset und Gain abgeglichen
werden wenn die zugehörigen Jumper auf EXT gesetzt sind:
Poti Jumper
Offset-A VOSADJA
Gain-A GEADJA
Offset-B VOSADJB
Gain-B GEADJB
Weitere Jumpers mit fester Einstellung
Jumper Position VREFA 5V Referenzspannungsquelle DAC-A VREFB 5V Referenzspannungsquelle DAC-B VCC REF 5V Spannungsquelle !CLR 1 Asynchrones Clear !LDAC 1 Asynchrones Load !RFLAG 1 Reset Flag Output
Anschlüsse und Testpunkte
LWL-Buchse : Lichtleiterempfänger DACA Stecker OUTA: Kanal A analoges Ausgangssignal DACA Stecker GNDA: Kanal A analoge Masse DACB Stecker OUTB: Kanal B analoges Ausgangssignal DACB Stecker GNDB: Kanal B analoge Masse TP 0 : Serielle LWL Daten TP 1 : Serielle DAC Daten TP 2 : DAC Chip Select TP 3 : DAC Clock 230 V Netzspannung an Steckerleiste VG32AC: 24 a,c Nullleiter 28 a,c 230V Leiter 32 a,c Schutzleiter 230 V Netzspannung an Stecker: ??? Nullleiter ??? 230V Leiter ??? Schutzleiter
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Die DAC2752/2758-Karten erhalten ihre Daten über Lichtleiter. Ein geeigneter LWL-Sender ist die PSO14-Karte mit Firmware PSO32.
Das Format der DAC-Daten ist das gleiche für die DAC2752- und
DAC2758-Karten. Für die DAC2752-Karten werden die beiden niederwertigsten
Bits jedoch nicht verwertet. Die Read Back Funktion der DACs wird nicht
unterstützt.
Bit-Folge, MSB zuerst:
4 Bit DAC-Kommando
0 0 1 0 Write Span DACn
0 0 1 1 Write Code DACn
0 1 0 0 Update DACn
0 1 0 1 Update all DACs
0 1 1 0 Write Span DACn, Update DACn
0 1 1 1 Write Code DACn, Update DACn
4 Bit DAC-Adresse
0 0 0 x DACA
0 0 1 x DACB
1 1 1 x all DACs
Danach folgt der DAC-Code bzw. der Span-Code, MSB zuerst:
18 Bit DAC-Code / 12 Bit don't care
6 Bit don't care / 04 Bit Span-Code
/ 8 Bit don't care
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Durchlaufverzögerung des LWL-Empfängers SFH551V
Der SFH551V ist relativ zum Bit-Takt (400ns) ziemlich lahm.
Insbesondere störend für das Timing sind die unterschiedlichen
Durchlaufverzögerungen für Licht-an und Licht-aus, die zu einer
Verkürzung des elektrischen Licht-aus Signals um bis zu max.
150ns führen, je nach Intensität des LWL-Signals und Temperatur.
Hinzu kommen noch 50ns Unschärfe durch das Einsychronisieren
auf den internen Clock-Takt (20MHz).
Das Timing kann bis auf 200ns verkürzte Bits sicher erkennen,
gemessen am Ausgang des SFH551V. Im Zweifel hilft ein längeres
LWL-Kabel.
Auf einer PSO14-Karte musste ein LWL-Sender ausgetauscht werden
da er zu hell war und den SFH551V völlig übersteuerte.
Einschwingverhalten
Das Einschwingen erfolgt exponentiell mit folgenden Halbwertszeiten:
Bereich [V] 0 - 5 0 - 10 DAC2752 200ns 500ns DAC2758 150ns 250ns
Verhalten beim An-/Abschalten der DAC-Karten
Beim Anschalten der DAC-Karten pendelt die Ausgangsspannung, vermutlich
abhängig von dem Verhalten der Spannungsversorgung, zwischen erheblichen
positiven und negativen Werten.
Verhalten bei dem HAMEG HM8040-2 Triple Power Supply:
DAC2752 DAC2758
1ms -0.5V 1ms -2V
50ms 0->4V 0.1ms 1V
0.5ms 6V 50ms -0.5->0V
1ms 3V
Störungen durch das Schaltnetzteil
Die Messungen wurden als Differenzmessung mit zwei Tastköpfen
durchgeführt. Dabei ist das Ergebnis abhängig von der
Tastkopferdung. Bei den Messungen am Ausgang der DAC-Boxen waren die
Störungen z.B. deutlich geringer wenn beide Tastkopferdungen mit der
Schutzerde der Box verbunden waren.
Für die verbauten Morsun Schaltnetzteile wird Ripple & Noise mit max. 100mVss im Datenblatt angegeben. Tatsächlich wurde auf den Morsun-Ausgängen eine gedämpfte Hf-Störung (~2MHz, ~150mVss) im Takt der Schaltfrequenz (T~7/14us) angeregt, die auch genau so auf den DAC-Ausgängen zu beobachten war.
Mit folgenden Änderungen konnte die Hf-Störung für die DAC2752/2758 erheblich reduziert werden:
Mit diesen Maßnahmen lässt sich die Hf-Störung auf einen durch den Schaltvorgang hervorgerufenen low/high-Zacken (je 100ns) von 10mVss reduzieren. Dazwischen ca. 5mVss Restwelligkeit.
Bei Betrieb der Karte in einer der DAC-Boxen erhält man am Diodenstecker das gleiche Ergebnis. Allerdings erst nach Umlöten der falsch gepolten Netzfilter (Line - Load vertauscht). Alle Karten in der Box haben ein gemeinsames Netzfilter.
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Pot.Ebene Box/Board/DAC/Bits Typ U0 Grnd Regl 1 0 18 DAC2758 U1 Grnd Regl 1 1 18 DAC2758 U2 Kepco-Kath Box1 1 0 16 DAC2752 U3 Kepco-P1/5 Box1 2 0 16 DAC2752 U4 Grnd Regl 2 0 16 DAC2752 U5 Grnd Box1 3 0 16 DAC2752 U6 Kath Box2 1 0 16 DAC2752 U7 Kath Box2 1 1 16 DAC2752 Reserve 1 18 DAC2758 Reserve 5 16 DAC5541 Reserve Box3
FUG-Steuerung
Getestet wurde mit dem alten, 1.5kV FUG (Plus-Pol geerdet).
!!!Achtung: mit geerdetem Minus-Pol liegen die
DAC-Anschlüsse auf Plus-HV-Potential!!!
Der Anschluss erfolgte von einer DAC-Box über 1.5m geschirmtes Kabel.
Die Schirmung war mit der Schutzerde der DAC-Box verbunden und hatte
keine Verbindung mit dem FUG.
Gemessen am FUG-Eingang treten gedämpfte Schwingungen auf:
100mVss, 10MHz
Mit 150nF oder galvanischer Verbindung zwischen Masse und Schutzerde am zur Karte gehörenden Nachbar-Ausgang der DAC-Box reduziert sich die Störung:
50mVss, 10MHz
Diese HF-Störung wirkt sich nur unwesentlich auf den FUG-Ausgang aus:
off 0 14 [V] FUG HV
10 10 10 [mVss] Rauschen
0 40 40 [mVss] HF Spitzen, weniger wenn DAC off
0 20 20 [mVss] 50Hz Brumm
Kathodenspannung
Über die beiden DACs einer im Regeleinschub eingebauten DAC-Karte
wird der Sollwert (grob/fein) vorgegeben. Den Istwert erzeugt ein 1/400
HV-Teiler aus der FUG-Hochspannung. Ein Integralregler liefert den
Stellwert für das Kepco. Das Kepco gibt die Vorspannung für das FUG.
Durch die Regelung wird der 50Hz Brumm des alten FUG auf <10mVss reduziert. Im Takt der 50Hz Halbwellen ist jedoch für 5ms eine andauernde HF-Störung zu sehen.
Folgendes wurde untersucht um die Ursache der Störung zu finden:
Folgendes wurde zur Reduzierung der Störungen unternommen, gemessen am HV-Eingang der Regelung:
FUG: 0V, Kepco: 25V - 0V Rauschen Brumm HF Spitzen [mVss] 10 10 - 20 FUG-DAC off
FUG: 14V, Kepco: 25V - 14V Rauschen Brumm HF Spitzen [mVss] 10 10 40 50 FUG-DAC on, 10 10 <10 20 FUG-DAC on, 150nF am Nachbarausgang
50Hz-Brumm an KEPCO Ausgang:
Die DAC-Ausgänge haben je nach dem wo sie positioniert sind einen geringen
Brummanteil (<5mVss). Im Verbund mit der Kathodenspannungsregelung
(Spannungsteiler, Regelung, KEPCO) tritt jedoch zum Teil erheblicher Brumm
auf.
Alle Geräte abgeschaltet und Netzstecker von: Regelung aus ein ein ein ein ein ein KEPCO aus aus ein aus ein ein gedreht FUG aus aus aus ein ein gedreht ein Brumm [mVss] 2 2 10 5 15 30 30
Alle Geräte eingeschaltet, 1/200 Teiler:
ohne Masseverbindung zwischen den Geräten: 60mVss
mit Masseverbindung zwischen Regelung und KEPCO: 60mVss
mit Masseverbindung zwischen Regelung und FUG
und spezieller Leitungsführung: 10mVss
Alle Geräte eingeschaltet, 1/1000 Teiler:
ohne Masseverbindung zwischen den Geräten: 600mVss
mit Masseverbindung zwischen Regelung und KEPCO: 1000mVss
mit Masseverbindung zwischen Regelung, Teiler, KEPCO: 80mVss
Lässt sich durch zusätzliche Verbindung vom
Deckel der Regelung zum Teiler noch reduzieren: 30mVss
mit Masseverbindung zwischen Regelung und FUG: 200mVss
mit Masseverbindung zwischen Regelung, Teiler, FUG: 200mVss
Vorige: DAC-Boards, Nach oben: Anhang [Inhalt]
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Die 8-Kanal 12-Bit ADC-Karte wurde entwickelt um die Plattenströme der neuen Elektronenkanone in Labor 017 zu überwachen.
Kanal ADC-Board Sensor-Einschub
+ - + -
0 1 2 1 14
1 3 4 2 15
2 5 6 3 16
3 7 8 4 17
4 9 10 5 18
5 11 12 6 19
6 14 15 7 20
7 16 17 8 21
Nächste: Programmierung (ADC), Vorige: Funktion (ADC), Nach oben: ADC-Boards [Inhalt]
LED "Busy " : Anzeige einer Schreiboperation TP : Testpunkt zur Ausgabe von internen Signalen des ispLSI1032E
Nächste: Bauteile (ADC), Vorige: Bedienelemente (ADC), Nach oben: ADC-Boards [Inhalt]
Die MCP3208-Karte belegt eine Control-Routing-Adresse für Ein/Ausgabe (Siehe: Address-Decoder). Mit der Ausgabe der ADC-Kanalnummer startet der ADC die Konvertierung des Analogsignals des angegebenen Kanals. Die Konvertierung benötigt 19 * 600ns = 11400ns. Während dieser Zeit wird das Acknowledge-Signal (AddAcc) für die Adressierung unterdrückt und erneute ADC-Starts werden ignoriert. Eingaben während dieser Konvertierungsphase liefern ungültige Werte und haben als Kennung das höchstwertige Bit gesetzt (0x8xxx). Dies könnte neben der Abfrage des AddAcc-Signals ebenfalls zur Synchronisierung mit dem ADC genutzt werden, es hat sich jedoch gezeigt, dass eine solche Eingabeoperation auf der Analogseite zu einer erheblichen Störung führt (ca. 30mV Schwankungen im Ergebnis). Nach der Konvertierungsphase kann das 12-bit Ergebnis beliebig oft mit einem Eingabebefehl abgerufen bzw. eine neue Konvertierung gestartet werden.
Zur Synchronisation mit dem ADC stehen zwei Statusabfragen zur Verfügung. Die Abfrage des Routing Status ist die bessere Variante da eine Dateneingabe mit Prüfung des Statusbits auf der ADC-Karte zu einer digitalen Störung führt!
Register Ausgabe: Ausgabe der Kanalnummer
Bits 15..04 0
Bits 03..00 Kanalnummer 0-7
Register Eingabe: Status/ADC-Daten Eingabe
Bit 15 == 1 ADC busy, Daten ungültig
Bit 15 == 0 ADC ready, Daten gültig
Bits 11..00 ADC Daten
Routing Status Eingabe:
(Routing Status & 0x0008) != 0 -> ADC busy, Daten ungültig
Diese Statusabfrage ist nur bei Verwendung einer neuen
Address-Decoder-Karte (EW 3/04) möglich da die alten
ebenfalls dieses Bit bedienen.
(Siehe: Address-Decoder)
Vorige: Programmierung (ADC), Nach oben: ADC-Boards [Inhalt]
Die acht Eingänge sind mit dem AD620B Instrumentation Amplifier bestückt:
Typ Max Nonlinearity 10 95 ppm Gain Error 0.10 0.15 % Input Offset 15 50 uV Output Offset 200 500 uV
Die Konvertierung erfolgt mit einem 12-bit, 8-Kanal ADC MCP3208B:
Typ Max Integral Nonlinearity +-0.75 +-1 LSB Diffenrential Nonlinearity +-0.5 +-1 LSB Offset Error +-1.25 +-3 LSB Gain Error +-1.25 +-5 LSB ( 1 LSB = 2.4414 mV)
| • Alte Elektronenkanone |
GUNLO (eGUNLOop)
Externer Regelkreis zur Steuerung und Regelung der Kathoden- und Stangenspannung der
Hochstrom-Elektronen-Kanone im Labor 017.
Autor: W.Arnold (1.12.97)
A) Funktionsbeschreibung für Kathodenspannung:
Siehe hierzu Blockschaltbild gunlo03a.sch.
Die Kathodenspannung wird von einem FUG Netzgerät MTN 750-1500 (1,5KV, 0,5A)
geliefert, welchem ein bipolares Kepco-Netzgerät BOP 100-1M (+-100V, 1A) untergestockt
ist. Damit ist es möglich Kathodenspannungen bis 1,6 KV zu erzeugen. Die Steuerung und
Regelung der Kathodenspannung erfolgt in einem separaten Regeleinschub (ESGUNLO3). In
diesem befindet sich ein 1:200 Spannungsteiler von welchem der untersetzte Istwert der
Kathodenspannung einer Regelerkarte (gunlo01) zugeführt wird. Der Sollwert der
Kathodenspannung wird von zwei 16-Bit DAC-Karten (DAC16B01) erzeugt. Deren
Ausgangswerte ("offset" und "sweep") werden auf der Reglerkarte so addiert, dass sich für
"offset" ein Vollsauschlag von 2048*(1-1/2E16) Volt und für "sweep" ein Vollausschlag von
256*(1-1/2E16) Volt ergibt. Der Integrator vergleicht Ist- und Sollwert und steuert mit seinem
Ausgang das Kepco-Netzgerät an, welches als Spannungfolger mit Verstärkung v=10
beschaltet ist.
Der DAC des FUG-Netzgerätes liefert bei Vollausschlag +10 Volt, was einer
Ausgangsspannung von 1500 Volt entspricht. Um mit dem "sweep" den Spannungshub von
+-100V des Kepco-Netzgerätes voll ausnutzen zu können, sollte die Ausgangsspannung des
FUG-Netzgerätes auf U-out= U-offset+100 Volt eingestellt werden.
Der Stangenkreis ist wie der Kathodenkreis aufgebaut. Es gilt: U-Stangen = -0,3*U-Kathode.
Um beide FUG-Netzgeräte mit identischem seriellen Bitmuster ansteuern zu können, wurde
das Stangen-Netzgerät auf eine Ausgangsspannung von 500 Volt bei einer DAC-
Ausgangsspannung von +10 Volt abgeglichen.
B) Beschreibung der einzelnen Komponenten:
1) DAC-Karten DAC16B01
Eine ausführlich Beschreibung findet sich bei der Dokumentation des DAC-Einschubes
(DACEISCH.DOC). Hier sei lediglich bemerkt, dass alle Karten auf 2.4576MHz Taktfrequenz
und nicht invertiertes Datenformat gejumpert sind.
2) Kathodennetzgerät (FUG MTN 750-1500)
Das Gerät wurde mit optogekoppelter DAC-Karte nachgerüstet, welche auf dem Potential des
+Ausganges liegt. Es kann sowohl manuell als auch ferngesteuert betrieben werden.
Maximale Ausgangspannung bei Fernsteuerung: 1500 Volt. Der TTL-kompatible serielle
Fernsteuereingang hat einen Eingangswiderstand von ca. 50 Ohm.
3) Stangennetzgerät (FUG MCN 140-1250)
Das Gerät wurde mit optogekoppelter DAC-Karte nachgerüstet, welche auf dem Potential des
+Ausganges liegt. Es kann sowohl manuell als auch ferngesteuert betrieben werden.
Maximale Ausgangspannung bei Fernsteuerung: 500 Volt. Der TTL-kompatible serielle
Fernsteuereingang hat einen Eingangswiderstand von ca. 50 Ohm.
4) Kepco-Netzgeräte BOP 100-1M
Beide Netzgeräte sind am Programmierstecker mit BNC-Buchsen ausgerüstet, die es gestatten
sie als invertierende *10-Verstärker zu betreiben. Diese Buchsen werden nicht benutzt und
bleiben unbeschaltet. Für den hier beschriebenen Betrieb als *10 Spannungsfolger wurde am
Programmierstecker zusätzlich ein 3-poliger Diodenstecker mit Schutzbeschaltung angebracht
(s. Blockschaltbild gunlo03a). Über Pin 3 dieser Stecker wird die Ausgangsspannung des
Integrators zugeführt.
Auf der Frontplatte müssen Common mit Common_Sense und Output mit Output_Sense
gebrückt werden.
Falls die Geräte "stand alone" betrieben werden sollen, ist der Diodenstecker mit einer
Kurzschluss-Buchse zu versehen, welcher die Pins 1 und 2 brückt.
4) Schutzbeschaltungs-Kästchen KGUNLO4.1 und KGUNLO4.2.
Sie dienen dem Schutz der Kepco-Netzgeräte vor Überspannungen bei Überschlägen an der
Elektronenkanone. Z.B. wird der Kurzschluss-Strom an der Kathode durch diese Beschaltung
auf ca. 150 Ampere limitiert und muss im Fehlerfall vom Varistor und von der Endstufe des
Netzgerätes übernommen werden. Dabei sind vor allem die ersten u-Sekunden des
Überschlages kritisch. Ein Dauerkurzschluss am Verbraucher ist dagegen relativ unkritisch,
da die Kepco-Endstufe die 0,5 Ampere Ausgangsstrom des FUG-Netzgerätes im Dauerstrich
übernehmen kann. Dies gilt allerdings nur, wenn das Kepconetzgerät eingeschaltet ist, da
sonst der Endstufe die nötige Kühlung fehlt.
5) Spannungsteiler (gunlo02)
Die Spannungsteiler für Kathode und Stangen wurden mittels Spannungsmessung (Keithley
2000) und ausgemessenen Korrekturwiderständen auf Teilerverhältnisse von 1:200.000 bzw.
1:60.000 abgeglichen. Die Spannungsteiler wurden mit 10K bzw. 100K Widerständen des
Typs VISHAY MODEL S102K (Lieferant Bürklin, Genauigkeit 10E-3, TK 1ppm/C, ca. 20
DM/St.) realisiert. Als Korrekturwiderstände (Korrekturwerte: Kathode 0,5%, Stangen 1,7%)
wurden unsere Standardwiderstände mit 50ppm/C verwendet.
6) Reglerkarte
Die Karte enthält für die Messung von Kathoden und Stangenspannung jeweils zwei separate
Spannungsfolger, je einen für die Regelung und je einen für die auf die Frontplatte geführte
Sekundäranzeige. Die Sekundäranzeige sollte nur zur (erdfreien!) Messung des DC-
Mittelwertes benutzt werden. Für die Messung von AC-Komponenten empfiehlt es sich direkt
an der Kanone mittels Tastkopf zu messen..
Bei den Präzisonswiderständen PR5, PR6 und PR7 handelt es sich um Burster-
Präzisionswiderstände mit jeweils 2*10K in einem Gehäuse. Sie haben einen TK von 1ppm/C
und eine Genauigkeit von 1E-5. Die Widerstände PR2 PR3 und PR4wurden von RS geliefert
und haben eine Genauigkeit von 1*E-3 und einen TK von 15ppm/C.
Die verwendeten BURR-BROWN Operationsverstärker OPA124 zeichnen sich durch äußerst
geringen bias current (<1pA) und geringe Drift der Eingangsoffsetspannung aus (1uV/C).
Der Integrator für die Kathodenspannung wurde mittels C2=150p und R2=62K auf 50us
Anstiegs- und Abfallzeit bei Rechteck-Modulation des Sollwertes eingestellt. Am Regler der
Stangenspannung musste diese Zeit mittels C1=1n und R1=0R auf 100us erhöht werden, da
der Regelkreis sonst mit 5KHz schwingt. Die Ursache hierfür ist vermutlich eine Resonanz
des LC-Kreises im Ausgang des aufgestockten FUG-Netzgerätes.
7) Einschub ESGUNLO3
Er enthält die beiden Spannungsteiler, die Reglerkarte, zwei DAC-Karten für offset und
sweep und ein Netzteil für die Reglerkarte.
Wichtig: Das Bezugspotential des Einschubes wird über die Senseleitungen für Kathode und
Stangen von der Elektronenkanone zugeführt. Der gesammte Aufbau ist erdfrei. Es existiert
auch nur je eine einadrige Verbindung zum Kepco (Stellgröße auf Pin 3 des Steckers).
Um im Fehlerfall die Personensicherheit zu gewährleisten ist zwischen Bezugspotential des
Einschubes und Potentialerde (PE) ein Varistor S20K11 angebracht.
Die verwendeten Präzisionswiderstände sind teilweise sehr empfindlich gegen
Brummeinstreuung. Es ist deshalb darauf zu achten, dass der Einschub nicht neben Geräte
getellt wird, die ihre Umgebung mit Elektrosmog verseuchen. Z.B. sind die beiden Kepco-
Netzgeräte solche "Dreckschleudern", weil ihre Trafos bei 50Hz-Betrieb in die Sättigung
gehen und deshalb entsprechend hohe Streufelder erzeugen.
C) Abgleich
Auf der Reglerkarte werden die Operationsverstärker U1, U3, U6 und U7 mittels der 20K-
Potis auf Ausgangsspannungen von einigen uVolt abgeglichen. Die Regler für U5 und U8
sind nicht bestückt.
Der Abgleich der Kathoden- und Stangenspannung auf 0 Volt erfolgt mittels der
Potentiometer P2 bzw. P4. Die Kathodenspannung kann auf etwa +-1mV genau abgeglichen
werden. Dies entspricht den Kurzzeitschwankungen des Nullpunktes der DAC-Karten.
Die mit dem Keithley 2000 maximal messbare Spannung beträgt 1000 Volt. Deshalb wurde
am Offset-DAC das Bitmuster (0111110100000000) geladen, welches einem Kathoden-
Sollwert von 1000.000 Volt entspricht. Die Kathodenspannung wurde dann mit dem FS-
Regler der DAC-Karte mit einigen mV Genauigkeit auf 1000.000 Volt eingestellt. Es ist
jedoch zu bedenken, dass die DAC‘s mit 14 Bit Monotonie angegeben sind. D.h., dass man
über den gesamten Aussteuerbereich durchaus mit einem maximalen Fehler von 100mV
rechnen muss.
Der Abgleich des Sweep-DAC‘s erfolgt mit dem Bitmuster 1111111111111111 auf 255,996
Volt.
Die DC-Ausgangswerte standen im Labor über mehrere Stunden bis auf wenige Millivolt
stabil.
D) Restwelligkeit
1) Kathode:
Die durch Brummeinsteuung aus dem Netz hervorgerufene Restwelligkeit beträgt ca.
10mVSS.
Das Kathoden-Netzgerät ist jedoch mit einer Thyristorvorregelung ausgerüstet . Insbesondere
die Zündung der Thyristoren erzeugt auf der Ausgangsspannung alle 10ms Störspitzen deren
erster Peak bis zu 400mV hoch ist und eine Fußbreite von ca. 5us besitzt. Nach ca. 20-30us
ist die Störung abgeklungen. Die Störungen durch den Löschvorgang sind deutlich geringer.
Es ist möglich die Amplituden dieser Störungen um 50% zu reduzieren, indem man an der
Elektronenkanone 3*10nF/3KV Keramikkondensatoren anbringt.
2) Stangen:
Die durch Brummeinsteuung aus dem Netz hervorgerufene Restwelligkeit beträgt ca. 5mVSS.
Das Stangen-Netzgerät wird mittels Breitenmodulation geregelt. Der Breitenmodulator
arbeitet mit ca. 20KHZ und erzeugt auf dem Ausgang permanent Störungen mit einer
Folgefrequenz von 40KHZ und einer Amplitude von ca. 150 mVSS.
