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高精度数字同步系统的研究

作　者: 张锋
导　师: 欧阳娴
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 信号与信息处理
关键词: 同步触发晃动 ICF FPGA
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

在激光核聚变(ICF)研究领域，打靶的多路激光脉冲不但需要波形和能量的一致，而且需要有很高的时间一致性，即多路打靶激光脉冲在时域上要严格同步，同步精度需达到10ps，这种同步指标比全球定位系统的时间精度高出两个量级。同时神光原型装置的振荡级、预放级、放大级以及激光和物理实验的诊断设备，都对高精度的同步系统提出了要求。数字同步机是用来解决超短激光脉冲输出大晃动问题的一种高精度宽延时范围的数字同步系统。对于不同的延时时间，它通过数字延时、模拟延时和晃动补偿来实现0～1s的同步调节，电路设计中巧妙的将数字延时和模拟延时相结合，既保证了同步调节精度，又扩展了同步调节范围，满足了不同延时时间的要求，保证了各延时段临界点的延时精度。在实验中取得了很好的实验结果。在数字延时电路中，采用FPGA现场可编程器件取代大量的不同延时时间段的计数器设计仿真，使其电路的设计方便灵活、输出精度更高和抗干扰性更强，同时也大大的缩小了控制电路的体积。该高精度数字同步机还可以广泛的应用于对同步辐射光源系统、光通讯研究领域、光泵浦系统、能源系统和光束控制系统。本文首先详细叙述了自己为中国科学院物理所研制的高精度数字同步系统的各个硬件组成部分、各部分的工作原理、主要组成、功能和具体的实现细节；介绍了利用FPGA实现数字延时代替由大量的不同延时时间段的计数器，并进行了模拟仿真，结果证明采用FPGA器件来实现数字延时可使高精度数字同步系统的电路功耗降低、体积大大缩小，有利于整机性能的提高和应用推广；其次介绍了高精度数字同步系统的软件部分，分模块介绍了各部分的功能和工作方式，对下位机工作模块和上位机工作模块进行了详细的说明；最后对实验结果进行了描述，总结了全文。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-8
第一章绪论  8-14
  1.1 激光聚变的意义  8-9
  1.2 数字同步系统的研究  9-14
    1.2.1 数字同步系统的国外现状  9-10
    1.2.2 数字同步系统的国内现状  10-14
第二章高精度数字同步系统的硬件设计  14-37
  2.1 数字同步机简介  14-15
  2.2 MCS-51系列单片机  15-20
    2.2.1 8031单片机主要部件  15-17
    2.2.2 8031的管脚分布图和功能图  17-18
    2.2.3 8031的存储器  18-20
  2.3 高精度数字同步机的延时电路  20-31
    2.3.1 数字延时电路  20-26
    2.3.2 模拟延时电路  26-27
    2.3.3 抖动(Jitter)介绍  27-30
    2.3.4 晃动补偿电路  30-31
  2.4 系统基准时钟和频率合成  31-34
    2.4.1 系统基准时钟  31-32
    2.4.2 频率合成技术  32-34
  2.5 LCD液晶显示模块  34
  2.6 数字-模拟(DA)转换电路  34-35
  2.7 复位周期和状态位  35-36
  2.8 触发方式选择  36-37
第三章用硬件描述语言及可编程逻辑器件设计的延时硬件电路  37-49
  3.1 用硬件描述语言设计电路  37-39
    3.1.1 HDL语言特点  37-38
    3.1.2 利用硬件描述语言设计电路的方法  38-39
  3.2 用可编程器件实现电路功能  39-42
    3.2.1 FPGA的内部结构  40-42
    3.2.2 可编程器件选择的方法  42
  3.3 电路设计所用开发软件介绍  42-43
  3.4 硬件电路系统介绍  43-46
    3.4.1 频率合成器模块  44
    3.4.2 计数器模块  44-45
    3.4.3 比较器模块  45-46
  3.5 FPGA的配置  46-47
  3.6 仿真结果  47-49
第四章高精度数字同步系统的软件设计  49-73
  4.1 下位机软件设计  49-59
    4.1.1 软件开发工具简介  49
    4.1.2 总体设计思想  49-57
    4.1.3 串口中断服务程序  57-59
  4.2 上位机设计  59-73
    4.2.1 功能模块的概述  59-61
    4.2.2 网络通信过程  61-62
    4.2.3 通信协议  62-65
    4.2.4 通信接口部分  65-72
    4.2.5 联机实验结果  72-73
第五章高精度数字同步机的实验结果和实验数据  73-79
  5.1 ECL延时电路实验结果  73
  5.2 HC延时电路实验结果  73-74
  5.3 8253延时计数实验结果  74-75
  5.4 模拟延时部分实验结果  75
  5.5 临界点处的晃动研究  75-77
  5.6 实验结果和主要技术指标  77-79
第六章结束语  79-81
致谢  81-82
参考文献  82-84
发表文章  84

高精度数字同步系统的研究

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