【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于空間等離子體環境探測，尤其涉及一種基于場效應管的門控高壓的低電平高精度檢測裝置。
技術介紹
1、空間等離子體環境探測中，離子能量、方向、通量和質譜探測是重要的探測要素。其中，在等離子體的通量測量和離子質譜分析方面都對門控高壓有著廣泛的應用需求，門控高壓高低電平切換后的電平穩定狀態是考核門控高壓性能的重要參數。
2、其一，門控高壓主要用于電離層離子成像探測的通量控制。典型的電離層探測衛星，軌道為340~450km，離子微分通量總的變化范圍達到約8個量級（5×106cm-2s-1sr-1ev-1~5×1014cm-2s-1sr-1ev-1）動態范圍，且絕對值較大，是大通量離子存在的典型區域。而離子成像探測的基本工作原理是采用微通道板（micro?channel?plate，?簡稱：mcp）和熒光屏對單個離子電荷信號進行放大、成像，進而精細分析離子的密度、溫度、漂移速度以及離子成分的空間分布，具有高時空分析的優點。但是該類離子成像探測儀器在電離層離子通量極大的環境下測量時，如若不進行通量控制，則會飽和，無法正常工作。如圖1所示為離子成像儀設計剖面圖，離子入口處設置門控電極通過施加門控高壓限制入射離子束流，門控高壓輸出為高電平時，關門，阻止離子進入；輸出為低電平時開門，允許離子進入，以此保證微通道板（mcp）和熒光屏工作在合適的動態范圍之內。
3、其二，門控高壓是基于飛行時間測量系統質譜分析的關鍵技術。基于飛行時間測量系統的質譜分析儀基本原理是：。其中m為離子質量(單位：千克)，v為離子的速度(單位
4、如圖2所示為門控高壓在飛行時間測量系統中的應用，tdc-gpx為飛行時間測量芯片，對起始信號start與終止信號stop時間間隔進行計時。門控高壓模塊輸出的門控高壓用于控制門控電極“開門”：即允許入射離子進入，同時作為tdc-gpx飛行時間測量的起始信號start，入射離子通過距離為l的自由飛行區后到達探測器后輸出數字脈沖作為tdc-gpx飛行時間測量的終止信號stop，tdc-gpx最終給出入射離子的飛行時間。
5、如圖3所示，門控高壓的特點是輸出電壓在高電平與低電平之間以固定頻率周期性切換，高電平與低電平脈寬固定。在等離子體探測器的應用中對門控高壓的高低電平幅度、高電平與低電平切換時間、最小脈寬、切換后電平穩定狀態具有指標要求。用于離子通量控制的門控高壓要求高電平為+300v（關門），低電平為0v（開門），脈寬可調，最小寬度為10us，高電平與低電平切換時間為100ns。要求低電平0v輸出和電平有效保持時間需要準確，否則影響通量控制精度。用于質譜分析儀的門控高壓要求高電平為+300v（關門），低電平為0v（開門），脈寬可調，最小寬度為30ns，高電平與低電平切換時間應小于20ns。要求低電平0v輸出和電平有效保持時間需要準確，否則影響質譜分辨率。
6、由于門控高壓電路內寄生電容充放電原因，門控高壓在開門瞬間會出現過沖現象，該現象會造成門控高壓電路內器件損傷，影響器件使用壽命。這種過沖現象可以通過調試電路內阻容匹配，消除過沖，但需要能夠高精度測量高低電平切換后的電平穩定過程。
7、在不同的應用場景下，門控高壓高低電平切換后的電平穩定狀態是考核門控高壓性能的重要參數，電平狀態一方面直接影響探測器的探測指標，另一方面影響門控高壓的可靠性。但在門控高壓電路調試過程中，由于測量技術受限，門控高壓高低電平切換后電平的穩定狀態測量精度較低。
8、由于門控高壓輸出的高電平為+300v，電壓幅度高，高電平與低電平幅度差達300v，幅度差較大，高低電平切換頻率大于10khz，低電平保持時間小于10us。
9、目前，門控高壓輸出高低電平切換過程采用示波器進行測量，示波器需要覆蓋+300v的量程范圍，其測量的分辨率只能達到50v/div，精度較低，切換后的電平穩定狀態無法準確測量。此外，門控高壓輸出高電平為高壓+300v，示波器表筆直接測量，有高壓放電風險，對于測試人員存在安全隱患。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于克服現有技術缺陷，提出了一種基于場效應管的門控高壓的低電平高精度檢測裝置。
2、有鑒于此，本專利技術公開了一種基于場效應管的門控高壓的低電平高精度檢測裝置，包括：電平處理電路、adc轉換電路和數據處理單元，其中，
3、所述電平處理電路，基于場效應管實現，用于將輸入的門控高壓的高壓部分過濾，僅輸出低電壓；
4、所述adc轉換電路，用于在數據處理單元的控制下，以設定的頻率周期性輸出模數轉換后的門控高壓電平數據；
5、所述數據處理單元，基于fpga實現，用于控制adc轉換電路，采集adc轉換電路輸出的電平數據，并打包通過rs422驅動電路輸出至pc端。
6、優選的，所述輸入的門控高壓的高電平值為+300v，低電平值為0v。
7、優選的，所述電平處理電路中，場效應管的擊穿電壓vds為500v，柵-源極導通閾值電壓vgs大于2v，柵-源極可耐受額定電壓范圍為±20v，柵極電壓vg固定為5v，源極電壓vs在0v~3v范圍內，漏極源極d-s導通，源極電壓vs大于3v，場效應管漏極源極d-s截止。
8、優選的，所述adc轉換電路采用16位高精度adc轉換器。
9、優選的，所述數據處理單元包括fpga和rss422驅動電路，其中，
10、所述fpga控制adc轉換電路以100khz的頻率，周期性采集電平處理電路輸出的電平數據，傳輸至rs422驅動電路；
11、所述rs422驅動電路將電平數據由單端信號轉換為差分信號，輸出至pc端。
12、優選的，所述adc轉換電路與fpga之間的接口信號包括：adc數據總線、adc片選信號、adc轉換使能標志信號和adc轉換完成標志信號。
13、優選的，所述pc端存儲門控高壓的高低電平切換過程以及低電平穩定狀態的數據，用于后期數據分析比對。
14、與現有技術相比，本專利技術的優勢在于：
15、1、本專利技術利用場效應管的導通關斷特性，設計了門控高壓電平處理電路，將門控高壓的高壓部分過濾，僅輸出低電壓，使用該專利技術后示波器測量量程由300v減小3v，測量精度由50v/div提升至0.5v/div，克服了門控高壓高低電平切換測量精度低的問題，避免了示波器表筆直接測量高壓造成高壓放電的風險。
16、2、本專利技術輸出集成了電平處理后的模擬量輸出接口與rs422?數字輸出接口，檢測電平可通過示波器實時查看，也可通過pc存儲的數據，實現數據分析、比對和研究。
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1.一種基于場效應管的門控高壓的低電平高精度檢測裝置，其特征在于，包括：電平處理電路、ADC轉換電路和數據處理單元，其中，
2.根據權利要求1所述的基于場效應管的門控高壓的低電平高精度檢測裝置，其特征在于，所述輸入的門控高壓的高電平值為+300V，低電平值為0V。
3.根據權利要求1所述的基于場效應管的門控高壓的低電平高精度檢測裝置，其特征在于，所述電平處理電路中，場效應管的擊穿電壓VDS為500V，柵-源極導通閾值電壓VGS大于2V，柵-源極可耐受額定電壓范圍為±20V，柵極電壓VG固定為5V，源極電壓VS在0V~3V范圍內，漏極源極D-S導通，源極電壓VS大于3V，場效應管漏極源極D-S截止。
4.根據權利要求1所述的基于場效應管的門控高壓的低電平高精度檢測裝置，其特征在于，所述ADC轉換電路采用16位高精度ADC轉換器。
5.根據權利要求1所述的基于場效應管的門控高壓的低電平高精度檢測裝置，其特征在于，所述數據處理單元包括FPGA和RSS422驅動電路，其中，
6.根據權利要求5所述的基于場效應管的門控高壓的低電平
7.根據權利要求5所述的基于場效應管的門控高壓的低電平高精度檢測裝置，其特征在于，所述PC端存儲門控高壓的高低電平切換過程以及低電平穩定狀態的數據，用于后期數據分析比對。
...【技術特征摘要】
1.一種基于場效應管的門控高壓的低電平高精度檢測裝置，其特征在于，包括：電平處理電路、adc轉換電路和數據處理單元，其中，
2.根據權利要求1所述的基于場效應管的門控高壓的低電平高精度檢測裝置，其特征在于，所述輸入的門控高壓的高電平值為+300v，低電平值為0v。
3.根據權利要求1所述的基于場效應管的門控高壓的低電平高精度檢測裝置，其特征在于，所述電平處理電路中，場效應管的擊穿電壓vds為500v，柵-源極導通閾值電壓vgs大于2v，柵-源極可耐受額定電壓范圍為±20v，柵極電壓vg固定為5v，源極電壓vs在0v~3v范圍內，漏極源極d-s導通，源極電壓vs大于3v，場效應管漏極源極d-s截止。
4.根據權利要求1所述的基...
【專利技術屬性】
技術研發人員：高俊，張愛兵，劉超，楊根，孔令高，孫越強，張賢國，田崢，鄭香脂，呂玉龍，丁建京，王文靜，蘇斌，馬麗媛，關燚炳，王馨悅，王濤，何春龍，
申請(專利權)人：中國科學院國家空間科學中心，
類型：發明
國別省市：
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