畢業(yè)設計電磁脈沖模擬器空間電場測量系統(tǒng)的硬件電路設計及仿真模板

年4月19日畢業(yè)設計電磁脈沖模擬器空間電場測量系統(tǒng)的硬件電路設計及仿真文檔僅供參考畢業(yè)設計(論文)任務書課題名稱電磁脈沖模擬器空間電場測量系統(tǒng)的硬件電路設計及仿真系別電氣信息系專業(yè)班級姓名學號畢業(yè)設計（論文）的主要內容及要求:內容：1、首先了解強脈沖功率電源的工作原理，電場測量技術的理論基礎和基本方法，設計相關硬件電路，包括傳感器電路、接口轉換電路；2、對各種電場測量方法和原理進行分析，選擇合適的一種方法測量強脈沖功率電源的電場強度，對電場空間和時間分布進行計算；3、學習使用OrCAD/PSpice等硬件電路仿真軟件，VB等編程軟件。4、總結編排材料，撰寫畢業(yè)設計論文，進行畢業(yè)答辯。要求：1、論文要求格式規(guī)范，字跡清晰，應有中英文摘要、關鍵詞并附兩張大圖；2、論文要求所設計的測量系統(tǒng)有詳細的理論分析和設計依據(jù)計算；3、論文最后應附有5000漢字的相關英文資料翻譯。指導教師簽字：日期：年月日電磁脈沖模擬器空間電場測量系統(tǒng)的硬件電路設計及仿真本文針對有界波EMP（電磁脈沖）模擬器的研究，電磁脈沖模擬器作為外部高能脈沖激勵源，為實驗研究復雜電磁環(huán)境中的電磁預測問題提供了必要的技術支持。在學習模擬器原理及結構的基礎上設計了一套小型平行板電磁脈沖模擬器空間電場測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電場測量探頭、信號調理電路，高速數(shù)據(jù)采集部分。其中高速數(shù)據(jù)采集部分采用了加拿大AlazarTech公司的高速數(shù)據(jù)采集卡ATS9350。本文在查閱了大量文獻的基礎上，對各種電場測量系統(tǒng)的方案進行了綜述與比較。對電磁脈沖模擬器的構成及其脈沖源進行了初步探究和分析。本設計使用OrCAD/PSpice軟件繪制了信號調理電路的原理圖，并模擬電場探頭感應脈沖電場所產生的電壓脈沖信號進行了激勵源的設計，并用此激勵源對原理圖進行了PSpice仿真驗證，得出了想要的信號調理結果。關鍵詞：電磁脈沖模擬器，電場測量，信號調理，PSpice仿真，HardwarecircuitdesignandsimulationofelectromagneticpulsesimulatorspaceelectricfieldmeasurementsystemInthispaper,thebounded-waveEMP(electromagneticpulse)simulator,electromagneticpulsesimulatorasanexternalhigh-energypulseexcitationsourceforthepredictionofcomplexelectromagneticenvironmentoftheexperimentalstudyofelectromagneticnecessarytechnicalsupport.Designedonthebasisoflearningsimulatorsprincipleandstructureofasmallparallel-plateEMPsimulatorspacefieldmeasurementsystem.Thesystemconsistsoftheelectricfieldmeasurementprobe,signalconditioningcircuits,highspeeddataacquisitionpart.Whichhigh-speeddataacquisitionparttheCanadianAlazarTech'shigh-speeddataacquisitioncardATS9350.Accesstoalotofliteratureonthebasisofavarietyoffieldmeasurementsystemprogramarereviewedandcompared.Conductedapreliminaryinquiryandanalysisofthecompositionoftheelectromagneticpulsesimulatoranditspulsesource.ThisdesignusingOrCAD/PSpicesoftwaretodrawasignalconditioningcircuitschematicandsimulationfromelectricfieldprobesensorpulsepowerspacesvoltagepulsesignalcarriedtheexcitationsourcedesign,andwiththisincentivesourceschematiccarriedthePSpicesimulationvalidation,haveadesiredsignalconditioningresults.Keywords:electromagneticpulsesimulator,electricfieldmeasurement,signalconditioning,PSspicesimulation,目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 1 1 1 1 21.3課題研究的主要內容 6第二章電磁脈沖模擬器介紹 72.1引言 72.2電磁脈沖模擬器的構成 82.2.1高壓脈沖源 102.2.2小型平板形有界波模擬器 132.3本章小結 15第三章電磁脈沖模擬器空間電場測量系統(tǒng)的研制 163.1測量系統(tǒng)的整體方案 163.2電場探頭的原理 163.3信號調理電路的設計 173.3.1信號調理電路概述 173.3.2信號調理電路各部分功能及要求 173.4高速數(shù)據(jù)采集卡的選型 233.4.1ATS9350主要性能介紹 233.4.2ATS9350的內部結構 243.5本章小結 25第四章信號調理電路的PSpice仿真 264.1OrCAD/PSpice軟件的構成 264.2電路模擬的基本過程 274.3信號調理電路的仿真 304.3.1激勵源的設計 304.3.2整體電路設計及仿真 324.4本章小結 33總結 34致謝 35參考文獻 36附錄 37附錄1完整的信號調理電路電路圖： 37第一章緒論眾所周知，現(xiàn)代社會離不開電和磁，電與磁以各種形式無孔不入地滲透到人們生活的各個領域中。特別是20世紀以來，隨著通訊和電氣技術的發(fā)展及應用，電氣與電子設備的干擾和抗干擾問題日益突出。大量電子、電氣設備的廣泛使用，使電磁環(huán)境越來越復雜。特別是一些瞬態(tài)的干擾源，它們產生的脈沖干擾上升時間從us級到ns級，產生的瞬變電磁場持續(xù)時間比較短，幅值比較大。能夠經過傳導或輻射的方式對所處環(huán)境中的各種設備形成強烈的干擾。電磁脈沖就是這樣一種瞬態(tài)現(xiàn)象。從時域波形看，一般具有陡峭的前沿，寬度較窄；從頻域看，則覆蓋了較寬的頻帶。除了雷電會產生電磁脈沖以外，靜電放電以及大功率電子、電氣開關的動作也會產生電磁脈沖。特別是核爆炸產生的電磁脈沖，峰值場強極高，上升時間極短，其能量之大，作用范圍之廣，是其它任何電磁脈沖無法相比的，因而對各種軍用和民用的電子、電氣設備與系統(tǒng)構成的威脅最為嚴重。自20世紀70年代以來，核電磁脈沖及其工程防護技術受到各大國軍方的普遍關注。當前，隨著核技術的發(fā)展和非核電磁脈沖武器的出現(xiàn)，不但提高電磁脈沖在核爆炸能量中的份額并增強其威力，而且非核電磁脈沖炸彈也能產生類似的效應。同時軍用電子、電氣設備微電子化，使其對于電磁脈沖的敏感性和易損性日趨嚴重。因此，有關電磁脈沖及其產生的電磁場測量技術便成為當今世界各大國研究的熱點[1][8]。因此為了使設計人員能夠根據(jù)具體干擾的情況采取一些措施（如屏蔽、接地、濾波及隔離），就需要確定這些瞬態(tài)干擾對設備影響的情況。為此就需要使用相應的電磁場傳感器測量各種瞬態(tài)電磁干擾的分布[2]。由于需對電磁脈沖產生的電磁干擾的分布進行測量以及核武器效應模擬的需要，自20世紀70年代以來，隨著電子技術和電子武器的發(fā)展和應用，有關電磁脈沖的干擾破壞效應、生物效應及工程防護的理論和技術一直是世界各大國研究的熱點之一，其中電磁脈沖模擬技術得到了極大的關注。電磁脈沖模擬器的發(fā)展也得到了推動。電場測量在諸多科學研究和工程技術領域具有重要意義，特別是在電力系統(tǒng)、電磁兼容及微波技術等領域具有廣泛應用。例如，在電磁科學研究中，電場測量可作為檢驗電場理論計算是否準確的有效手段，為許多難以計算的電場環(huán)境提供測量數(shù)值，在電力工業(yè)，電場測量可用于電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、電氣設備內外電場分布測量、高電壓試驗及電暈放電現(xiàn)象研究等，在電磁兼容領域研究中，電場測量可用于檢測電氣、電子設備的對外電磁輻射與干擾，以及研究環(huán)境電場對電子儀器運行的影響；在微波技術中，需要對微波發(fā)射與接收設備周圍電場進行測量。另外，在核物理以及航空航天科學與技術研究中也需要空間電場傳感器。與電壓傳感器不同，電場傳感器一般應能同時測量二維或三維電場矢量的大小和方向，且傳感元件對被測電場的擾動應盡量小，對于瞬態(tài)或脈沖電場的測量還要求傳感器響應頻帶寬和動態(tài)范圍大，以使傳感信號盡可能不失真。強脈沖電場測量并不完全同于普通的電場測量，它最主要的特點是：(1)電場強度大，而且跨度也大，從百伏每米到數(shù)十萬伏每米；(2)非周期性，電場一般是脈沖式的，需要測時域波形；(3)變化快，上升沿及脈寬常是ns級，輻射的帶寬較寬。這些特點對測量設備提出了很高的要求，包括同時應具有足夠的靈敏度、良好的動態(tài)響應范圍以及抗干擾能力等等，用一般的電磁輻射測量設備往往不能滿足要求?？v觀近年來國內外關于瞬態(tài)強電場測量技術的研究，根據(jù)不同的原理和結構，測量方法總的能夠分為2種：一是天線直接感應的方法；二是基于電光效應傳感器及光纖傳輸?shù)墓鈱W調制的方法。國內有相關產品，但性能還不夠成熟，國外有現(xiàn)成產品，但購買困難。電場強度是高電壓技術中一個非常重要的參數(shù)。隨著計算機技術的發(fā)展，很多壓電場問題都能夠采用合適的算法進行計算。但在有些場合，現(xiàn)在的計算方法卻難以應用或不適用了。隨著大量電子產品在電力系統(tǒng)中的應用，電磁兼容問題以及人們對所生存環(huán)境周圍的電磁場問題的關心，使得電場的測量成為必須。為了測量高壓瞬變電場，需要研制能測量空間瞬變電場的傳感器。由于光纖能夠隔離高壓電信號而不會引入畸變，因此，在高壓電場測量中，采用光纖作為信號的傳輸媒體。(1)天線直接感應法這種方法是采用寬帶天線，直接獲取瞬態(tài)電場信號，再經高頻電纜將接收到的信號送入示波器進行顯示處理。天線直接感應法曾廣泛應用于測量實際[9]，但它的主要缺點是信號的傳輸需采用高頻電纜，被測電場可能會與電纜發(fā)生耦合，從而干擾所測結果；傳輸距離和帶寬都很有限。盡管如此，對天線研究的意義還是非常大的，因為天線作為傳感器探頭捕捉電場信號仍常見于其它的測量方法。為了解決天線直接感性法因使用高頻電纜傳輸信號容易受干擾的問題，人們改用了光纖傳輸?shù)姆椒?。這是因為，光纖傳輸具有完全的電絕緣，以及傳輸頻率范圍寬等優(yōu)點。當然，這需要首先使電場信號轉變成光信號，人們把這種測量瞬態(tài)電場的方法統(tǒng)稱為光學調制法。當前研究較為成熟且已應用于測量實際的主要有以下2種：有源電光調制法和基于Pockels效應的無源電光調制法。(2)有源電光調制法有源電光調制方法是在傳感器探頭部分將用天線接收到的電場信號轉變成光信號，經過光纖傳輸?shù)娇刂茊卧?，再還原成電信號進行顯示處理。由于它在傳感探頭部分要進行電光信號的轉換，故須提供電源，因而得其名。它的一般性原理如圖1-1所示：圖1-1有源光電調制法的一般性原理示意圖用來感應電場的探頭一般采用棒狀電小極子天線或球形電場探頭：偶極子天線天線滿足電小條件，即其尺寸遠遠小于信號中的最短波長。這一要求保證了信號在天線中傳播所需的時間遠遠小于信號前沿的上升時間，從而保持脈沖原有的形狀。偶極子傳感器的原理圖如圖1-2所示，其中l(wèi),r分別表示偶極子的長度和半徑，Zc表示負載阻抗，C表示偶極子傳感器的等效電容[3]。(a)偶極子(b)等效電路圖1-2偶極子傳感器的原理圖球形電場探頭：當把探頭放入空間電場后，空間電場將在靜電感應的作用下在兩半球殼的外表面感應出電荷，這些感應電荷將在取樣電容Ck兩端產生一個微小的電壓，所測空間的電場強度與探頭內取樣電容兩端電壓成正比，因此經過測量該電壓值就能夠達到測量空間場強的目的。電場測量系統(tǒng)的工作原理是利用電場探頭在電場中提取信號，利用光纖傳輸系統(tǒng)將此信號無畸變地送到記錄或測量設備上。球型電場探頭有如下優(yōu)點。(1)能夠很容易計算其表面電荷與電場強度的關系。(2)能夠估算探頭對被測電場的影響。(3)球內空間利用率高，能夠把尺寸做的比較小，對電場的畸變較小。(4)球形和其它形狀相比，具有較大的曲率半徑，表面光滑無尖角，在其表面引起電暈的場強僅3倍于被測場強，因此比起其它型式的探頭所能測量的最大場強要大些。一般球形電場探頭為電容式探頭，如圖1-3所示：圖1-3一般球形電場探頭設探頭中心所在的空間點為O，探頭放入電場前該點的電場強度E0（無畸變場強），當把探頭放入電場中點O之后，空間電場將在靜電感應的作用下在兩半球殼的外表面感應出電荷。設半球殼表面積為A，球表面電荷的面密度為啄，則半球殼的總表面電荷為：(1-1)能夠證明，球形探頭放入電場之后，探頭半球殼上的表面電荷量與電場強度成正比：(1-2)其中K為比例系數(shù)。這些感應電荷將在取樣電容Ck兩端產生一個微小的電壓：(1-3)經過測量取樣電容兩端的電壓Uk就能夠得到E0(t)，這就是電容式探頭測量的基本原理。經過推導計算(1-3)，得出在均勻電場中感應電壓為(1-4)非均勻電場中，球形探頭半徑趨于園，或相比空間距離能夠忽略不計時(1-5)無論在均勻場中還是在非均勻場中，采用球形探頭進行電場測量時，所測空間的電場強度都與探頭內取樣電容兩端電壓成正比，因此經過測量該電壓值就能夠達到測量空間場強的目的。在實際應用中，K值是經過實驗標定而得到。有源電光調制法在探頭內還有電源，這可能對所測的電磁場造成一定影響。為了克服這種可能的不利影響，人們對探頭內采用無源傳感器進行了積極的探索，其中比較有代表性的是基于Pockels效應的無源電光調制法[4]。(3)基于Pockels效應的無源電光調制法許多各向同性的物質在強電場作用下出現(xiàn)的雙折射現(xiàn)象，被稱為電光效應。發(fā)生電光效應時，物質的折射率n與所加電場強度E的關系是：式中：n0是無電場時物質原來的折射率，a、b是電光系數(shù)；式中的第二項aE是線性關系，即是PockeIs效應；第二項bE2是二次方關系，反映的是Kerr效應。Pockels效應由于與場強大小之間具有良好的線性關系，故常被應用于電場測量。它的影響是在所調制的光信號上產生了一個與電場強度大小成正比的相位差。這種方法的優(yōu)點較多，諸如探頭中無電子器件和電源，探頭對測點電場影響?。凰鶞y頻帶寬，從直流到數(shù)百MHz甚至幾GHz；探頭尺寸較小，位置分辨力強，能實現(xiàn)較為近似的點測量等。而根據(jù)實現(xiàn)相位差測量的結構不同，實際中又逐步發(fā)展出了偏振光法和Mach-Zehnder干涉儀法2種常見的測量系統(tǒng)。①基于Pockels效應的偏振光法．這是利用偏振光干涉法間接測量Pockels效應引起的相位差的，具體測量系統(tǒng)的原理如圖4所示。電光晶體常見的材料有鈮酸鋰LiNbO3、Bi4Ge3O12等。圖1-4基于Pockels效應的偏振光法測量原理圖②基于Pockels效應的Mach-Zehnder干涉儀法偏振光法的缺點是分立的光學器件導致光路不易控制，易受干擾，且對機械應力敏感，系統(tǒng)穩(wěn)定性差；由于Pockels晶體的體積不能太小，導致探頭體積較大，影響其應用范圍。為此人們提出了Mach—Zehnder干涉儀法，且研究表明它較好地克服了上述缺點，它的傳感器結構見圖1-5，系統(tǒng)原理框圖如圖1-6所示。圖1-5基于Pockels效應的Mach-Zehnder干涉儀法圖1-6基于Pockels效應的Mach-Zehnder干涉儀法所用傳感器的原理圖測量系統(tǒng)原理示意(4)有源電光調制法和無源電光調制法的比較分析有源電光調制法和無源電光調制法當前在實際的瞬態(tài)電場測量中應用較多，現(xiàn)對其測量帶寬、可測量電場強度的范圍、以及優(yōu)缺點進行一個簡要總結，見表1[5]。空間強脈沖電場測量技術當前還不完善，還有許多影響測量精度的因素，如測量天線的極化方向、磁場的影響、測量環(huán)境的可重復性等等。但隨著電場探測器的不斷改進，使用的場合越來越多，測量技術一定會更加完善，對系統(tǒng)電磁兼容設計、抗輻射加固和高能物理等方面的研究也必將起更大的作用。1.3課題研究的主要內容本文結合安徽工業(yè)大學電力電子與運動控制實驗室中的“高重頻下電磁脈沖模擬器的研究”，針對高重頻EMP(電磁脈沖)模擬器的結構特點，對模擬器空間電場的測量系統(tǒng)進行了初步的研究與設計，主要內容如下：經過查閱大量資料，總結了空間瞬態(tài)電場測量的多種方法，進行比較，初步設計出適合本課題的測量系統(tǒng)。對電磁脈沖模擬器進行了概述，并對高重頻EMP(電磁脈沖)模擬器的脈沖源產生原理及模擬器結構進行了介紹。對模擬器空間電場的測量系統(tǒng)進行了初步的研究與設計。其中包括對探頭變化原理的分析；高速數(shù)據(jù)采集卡ATS9350的選用和介紹；以及對信號的濾波，衰減，隔離等信號調理電路的設計和PSpice仿真。第二章電磁脈沖模擬器介紹2.1引言中國在電磁脈沖模擬器研究方面作了大量的工作，并取得了一系列的研究成果。劉順坤等學者采用時域積分方程對電磁脈沖模擬器空間場分布進行了數(shù)值模擬。其研究結果表明模擬器工作空間能夠形成均勻電磁脈沖場，其傳播具有準TEM波特征。李寶忠等學者為解決一維導體結構的電磁脈沖響應的實驗困難，提出了一維電磁脈沖模擬器的概念，并從理論上研究對于電磁脈沖在一維結構上的感應電流計算的具體方法M。時域有限差分方法是—種用來直接求解含時間變量在內的麥克斯韋旋度方程組的數(shù)值計算方法。它利用具有二階精度的中心差分近似公式，把旋度方程中對電場和磁場的各分量的微分算符直接轉換成差分形式。由于該方法概念清晰，使用方便，因此特別適合于電磁場的計算。謝秦川等學者采用時域有限差分方法對電磁脈沖模擬器所產生的電磁場進行數(shù)值模擬，完整地獲得了電磁場在時間空間中的分布特刎1Sl。矩量法在求解電磁場邊值問題的數(shù)值計算中得到了廣泛的應用，它是將線性算子積分方程按著所選則的基函數(shù)展開，得到一組離散化廣義矩陣方程，經過求逆運算，得到電磁場的數(shù)值解。潘曉東等學者采用矩量法結合快速多極子方法研究了快上升沿電磁脈沖信號在有界波模擬器中的傳輸特性。經過對模擬器在傳輸不同上升沿的電磁脈沖信號時，其內部的電場計算，由此確定了模擬器所能模擬電磁脈沖上升沿的上限，其結果對設計大型、3ns窄電磁脈沖場模擬設備具有一定的參考意義。脈沖源是為電磁脈沖模擬器提供瞬態(tài)電磁能量的裝置。由于所要模擬場的上升時間極短而峰值場強一般都高達數(shù)萬伏／米以上，故脈沖源的建造必須采用脈沖功率技術。西北核技術研究所研制的有界波電磁脈沖模擬器主要由MARX發(fā)生器、峰化電容器、主開關、照射器、匹配負載等部分組成。其MARX發(fā)生器中的電容器充電電壓為1MV，能在模擬器工作空間內產生前沿10ns，脈寬為200ns，場強大于105V／m的雙指數(shù)脈沖電磁場，孫蓓云等對脈沖高壓電源的工作原理、主開關暫態(tài)過程進行了分析與計算，這對模擬器的設計和調試都有一定指導意義。以上的研究都專注于電磁脈沖模擬器的物理參數(shù)的研究以及產生的電磁場的研究。隨著電子技術的不斷發(fā)展，自動控制技術被越來越多的應用，因此，研究電磁脈沖模擬器的自控控制將是一個新的研究方向并具有很高的研究價值，它將為電磁脈沖模擬提供更加準確、快捷的控制平臺。瞬態(tài)電磁脈沖對電氣、電子系統(tǒng)構成的威脅己經引起了人們廣泛的重視。而電力系統(tǒng)中對瞬態(tài)電磁脈沖更為敏感，甚至導致自動控制、保護和通訊系統(tǒng)癱瘓。為了評估這種千擾的嚴重性以及研究對瞬態(tài)電磁脈沖防護效能，從而采取合適的措施以保護各種電氣、電子設備的正常工作，就需要對瞬態(tài)脈沖產生的電場和磁場分別進行測量。本章介紹了本文設計的測量系統(tǒng)為了模擬這些瞬態(tài)干擾源而建立的電磁脈沖模擬器的結構、工作原理以及所產生電磁脈沖的特點。電磁脈沖模擬器作為高能電磁波輻射源，為研究和數(shù)值計算復雜電磁環(huán)境中的耦合等問題提供了必要的技術支持。電磁脈沖模擬器用來產生電磁脈沖對電子設備進行效應實驗，對了解、認識電子設備等在電磁脈沖作用下的效應機制有很大應用價值，并為探索防護和加固技術提供重要的技術基礎。因人們對波導結構及內部電磁場分布、傳播過程研究較早、了解較深入，因此具有與波導類似的結構的輻射源常常作為研究高能電磁波輻射效應的輻射源，本項目擬采用有界波電磁脈沖模擬器作為輻射源。有界波電磁脈沖模擬器它采用了與波導類似的結構，其截面可用兩個正交的坐標來描述，波在第三個正交坐標方向上傳播。在波的傳播方向上的電磁波分量很小，基本上能夠看作是TEM波。在波的傳播過程中，模擬器結構形成了導波的邊界，故稱之為有界波模擬器。2.2電磁脈沖模擬器的構成電磁脈沖具有陡峭的前沿及較窄的寬度，覆蓋了較寬的頻帶，能經過各種耦合途徑使電子元器件、線路和設備受到嚴重的干擾和破壞，因而，電磁脈沖及其工程防護的理論和技術依然是當今世界各大國研究的熱點之一。論文在綜述電磁脈沖模擬相關技術及國內外研究歷史與現(xiàn)狀的基礎上，就電磁脈沖模擬的基本理論、電磁脈沖模擬器的具體設計等方面的理論和技術展開了較深入的研究與相關實驗驗證。核電磁脈沖模擬器按結構形式分為有界波模擬器和輻射波模擬器，由脈沖源和電磁場形成裝置兩大部分組成，而脈沖源一般由初級能源、中間儲能裝置、能量轉換及傳輸系統(tǒng)組成。其中開關技術具有特殊重要的地位。電磁脈沖測量技術包括脈沖電場測量、脈沖磁場測量、脈沖電壓測量及脈沖電流測量等技術。理論及仿真分析表明，當RLC回路工作在過阻尼狀態(tài)時，即可在負載電阻兩端獲得雙指數(shù)脈沖；當負載一定時，脈沖的上升時間主要決定于回路的總電感，而下降時間則決定于儲能電容的大??；對地分布電容不但會影響波形參數(shù)，而且過大會引起波形振蕩；氣體開關間隙的火花電阻及間隙電容也是影響脈沖波形參數(shù)的不可忽略的因素，一般經過給開關沖一定壓力的干燥空氣或氮氣，以降低開關的導通時間。論文具體設計的實驗用電磁脈沖模擬器，由可調直流高壓電源、儲能電容器、氣體火花開關及其觸發(fā)控制電路、吉赫橫電磁波室等部分構成。直流高壓電源采用自耦調壓器、升壓變壓器、限流保護電阻、4倍壓整流電路及直流電壓指示等組成，最高可產生30kV的直流高壓，由于采取專門的連接結構，在解決支撐和絕緣問題的同時，很好地消除了沿面閃爍和局部放電現(xiàn)象。設計的同軸一體式開關既具有良好屏蔽效果又有助于減小脈沖上升時間。理論和仿真分析及實驗表明，電纜連接器采用內外導體階梯錯位的結構有助于降低駐波比，電阻分壓器接入端阻抗失配將引起脈沖波形振蕩及上升時間加長，采用端接阻尼電阻。模擬器脈沖源的輸出峰值電壓達26kV，上升時間為2.5ns左右。電磁脈沖模擬器就是能夠根據(jù)試驗所要求的電磁脈沖特性，為試件提供特定的電磁脈沖環(huán)境，而且在激勵事件的同時，不因自身的存在而嚴重改變試件所在處的場強分布。由于試驗目的和被試對象的多樣性使得電磁脈沖模擬器的形式繁多。從20世紀60年代以來，世界各國就建立了許多電磁脈沖模擬器，它們大小不一，形狀各異。核電磁脈沖模擬器按結構形式分為有界波模擬器和輻射波模擬器，按電場強度分為威脅量級和亞威脅量級兩類模擬器。隨著模擬技術的發(fā)展，C.E.Baum于1978年按所須模擬的電磁脈沖環(huán)境。將模擬器分為4類：源區(qū)外電磁脈沖環(huán)境模擬器、地面附近核爆炸源區(qū)內電磁脈沖環(huán)境模擬器、空中核爆炸源區(qū)內電磁脈沖環(huán)境模擬器、高空核爆炸源區(qū)內系統(tǒng)電磁脈沖模擬器，較為典型的模擬器有：(1)有界波模擬器有界波模擬器，采用了與波導類似的結構，故也稱導波型模擬器，其截面可用兩個正交的坐標來描述。波在第三個正交坐標方向上傳播，基本上是TEM模。只要頻率不是太高(波長大于導波結構截面幾何尺寸)，對這類模擬器可按傳輸線理論加以分析，因而又稱為傳輸線型模擬器。(2)偶極子模擬器對于源區(qū)外電磁脈沖輻射場環(huán)境的模擬，當要考慮存在地面反射的情況時，常采用偶極子模擬器。這類模擬器常見的電場照射器就是典型的偶極子天線。(3)靜態(tài)模擬器靜態(tài)模擬器是一種結構尺寸遠小于激勵信號波長的模擬器。故常稱其為駐定場模擬器。它適用于對低頻場或準靜態(tài)場的模擬。由于產生的模擬場不傳播，也稱之為零維模擬器。這種模擬器的理想之處在于，它所產生的入射場在被試系統(tǒng)附近都是均勻的。(4)混合型模擬器混合型模擬器綜合了偶極子模擬器和靜態(tài)模擬器的主要特點。(5)定向輻射模擬器定向輻射也是系統(tǒng)遠離模擬器結構的一種模擬方法。所謂定向輻射是相對于偶極子模擬器無方向性的輻射而言的，它將脈沖有限的能量集中在一定的角度范圍內輻射，借以提高模擬器的效率。(6)源區(qū)電磁脈沖環(huán)境的模擬電磁脈沖源區(qū)是康普頓電流分布的區(qū)域，源區(qū)內的空氣介質具有隨時間非線性變化的電導率，并在其中形成傳導電流。如果核爆炸在地面附近發(fā)生，大地巖土介質的電導率也將發(fā)生變化。E／H比值也不像自由空間那樣呈簡單的常數(shù)關系。另外，γ和中子的效應也很重要。因此源區(qū)是一個多變量的復雜環(huán)境。如果要把源區(qū)所有的特性準確的模擬出來。無疑是一個十分困難的問題。就當前的技術水平來看，根據(jù)研究問題的需要，建造一些只能產生部分源區(qū)特性的模擬器是可能的，特別是對大型的試驗系統(tǒng)，一般只能考慮單一因素或特別感興趣的某些因素的模擬．只有對很小的試驗系統(tǒng)的一個小部分上產生“全部”源區(qū)環(huán)境是可能的。但不論何種模擬器，都是由脈沖源和電磁場形成裝置兩大部分組成的。本文實驗所用的電磁脈沖模擬器系統(tǒng)由高重頻脈沖源分系統(tǒng)、小型平板形有界波模擬器分系統(tǒng)構成，其結構圖如圖2-1：圖2-1電磁脈沖模擬器系統(tǒng)總體設計框圖2.2.1高壓脈沖源脈沖源是電磁脈沖模擬器中為電磁脈沖形成裝置提供電磁能量的裝置。脈沖源一般為峰值電壓達數(shù)千伏至數(shù)兆伏的高壓脈沖發(fā)生器，其輸出的脈沖能夠是單次的或以一定頻率重復的波形。由于所要模擬的電磁脈沖的上升時間極短而且峰值長槍比較高，故脈沖源的建造必須采用脈沖功率技術。所謂脈沖功率技術(ulsedpowertechnology)是指將很大的能量(一般為幾百千焦耳至幾十兆焦耳)儲存在儲能元件中，然后經過快速開關(動作時間在納秒左右)將此能量在納秒至微秒時間內釋放到負載上，以得到極高的功率。它是一種電物理技術，也是納秒脈沖電子學。是通用高電壓技術以及應用物理學相結合的產物。脈沖功率系統(tǒng)包括初級儲能、脈沖儲能和傳輸幾部分．初級儲能常采用馬克斯發(fā)生器或脈沖電容器組、脈沖變壓器(包括直線型和特斯拉型)等。脈沖儲能主要有傳輸線型的電容儲能(包括同軸型和平板型)和電感儲能(同軸型和螺旋線型)方式，它們分別經過高功率閉合開關和斷路開關，實現(xiàn)電脈沖壓縮和功率放大．脈沖儲能能夠由一級或幾級組成，末級也有采用磁感應方式，實現(xiàn)脈沖電壓倍加(又稱感應電壓加法器)、能量會聚，最后經過真空磁絕緣傳輸線把能量傳輸給負載。脈沖功率系統(tǒng)的復雜程度決定于負載對它的要求、系統(tǒng)開關性能和初級儲能向脈沖儲能放電的快慢程度。脈沖功率裝置不但成為脈沖輻射模擬的最有效的實驗手段，而且在慣性約束(ICF)、新概念武器(激光武器、微波武器、電磁脈沖彈、粒子束武器、電磁炮、電熟炮等)等國防和能源領域研究中得到重要應用，在其它民用領域中也有廣闊的發(fā)展前景，如脈沖x射線源用于消毒滅菌。脈沖離子束源用于材料表面改性，以及利用脈沖功率裝置進行脫硫、脫硝、污水凈化等環(huán)保應用和作為石油開采、勘探的供能系統(tǒng)，乃至醫(yī)療上對人體內結石破碎等。脈沖功率技術是以20世紀60年代英國原子武器研究中心(AWRE)的馬丁(JCMartin)領導的研究小組，基于經典的Marx發(fā)生器技術，創(chuàng)造用于核武器強脈沖T射線效應模擬的高壓脈沖傳輸線型強流脈沖電子加速器為標志而迅速發(fā)展起來的i3s脈沖源一般采用雙指數(shù)波形，這種波形能夠用RC放電回路實現(xiàn)，其原理圖如圖2-2所示：圖2-2脈沖發(fā)生器放電回路圖中C為充電電容，R為負載，K為脈沖發(fā)生器放電回路開關，L為放電回路分布電感，E為充電電壓。結合初始條件，此放電回路方程的解為（2-1）式中，，，一個典型的雙指數(shù)波模擬波形如圖2-3所示：圖2-3一個典型的雙指數(shù)波模擬波形由于分布電感的存在，使放電回路的電流上升沿的存在，使脈沖包含的高頻分量的幅值變低了，因此，要達到模擬實際電磁脈沖爆炸效果，應盡量減少脈沖的上升時間。利用較低的工作電壓獲得較高的脈沖電壓輸出，一般的做法是利用變壓器升壓，然而，由于有界波模擬器脈沖源的脈沖需要納秒級的上升前沿，升壓變壓器的漏感較大，影響脈沖的前沿，因此，直接采用變壓器升壓的方式不大合適，考慮到這些因素后，本實驗擬采用感應疊加技術，其電路拓撲如圖2-4所示（圖中只畫出了2級疊加，實際采用5級）：圖2-4感應疊加式輸出系統(tǒng)由多個獨立的感應疊加子系統(tǒng)構成，共同連接到同一個模擬器負載，如圖2-4所示。這樣，經過控制觸發(fā)時序，我們即可在負載上得到需要的重頻脈沖，由此可見，采用不同級數(shù)的感應疊加的輸出方式后，選用氫閘流管峰值陽極電壓要求能夠成倍降低，如選用33kV的峰值陽極電壓氫閘流管，只用2級即可滿足輸出電壓要求。采用感應疊加輸出的方式還有如下優(yōu)點：①有效減小放電回路分布電感，進一步提高脈沖上升沿。②系統(tǒng)5個獨立的電磁脈沖模擬發(fā)生器完全實現(xiàn)物理上的隔離，減少電磁脈沖模擬發(fā)生器間的連續(xù)放電干擾。③方便實現(xiàn)輸出極性的轉換。④減輕充電電源及部分裸露導線聯(lián)接部分的電暈放電，增加電源的可靠性。由于真實的電磁爆炸電磁脈沖上升沿極快，為了模擬真實的電磁爆炸，要求脈沖源輸出脈沖有很快的前沿，其前沿時間一般在20ns之內，脈沖的上升時間主要由分布電感和負載兩個因素決定，負載由模擬器和吸收負載等2部分組成，平板型模擬器前過渡段、平行板段、后過渡段、終端匹配負載等幾個部分組成，體積較大，回路較長，顯然經過優(yōu)化放電回路的結構（如合理走線等），能夠有效減少分布電感，除合理走線等工程常規(guī)措施外，采用同軸屏蔽結構的輸出方式被認為是最有效的技術手段。如此，按照本實驗設計要求，峰值電壓約在19ns左右出現(xiàn)，其從90%-10%的下降沿約為370ns，設計歸一化后的輸出波形如圖2-5：圖2-5脈沖激勵峰值電壓歸一化2.2.2小型平板形有界波模擬器本文所用到的模擬器是小型平板形有界波模擬器，有界波EMP(電磁脈沖)模擬器是模擬高空HEMP(核爆炸電磁脈沖)早期輻射環(huán)境的裝置，經過產生雷電及核電磁脈沖環(huán)境，進行EMS的各種效應試驗，該裝置廣泛應用于電子設備和分系統(tǒng)EMP輻射敏感度測試、屏蔽室電磁脈沖屏蔽效能測試等。有界波電磁脈沖模擬器它采用了與波導類似的結構，其截面可用兩個正交的坐標來描述，波在第三個正交坐標方向上傳播。在波的傳播方向上的電磁波分量很小，基本上能夠看作是TEM波。在波的傳播過程中，模擬器結構形成了導波的邊界，故稱之為有界波模擬器。如圖2-6所示，有界波平板式電磁脈沖模擬器主要由脈沖源、前過渡段、平行板段、后過渡段、終端匹配負載等幾個部分組成，模擬器上半部分與下半部分關于Y軸對稱[1]。圖2-6平行金屬板有界波模擬器的結構模擬器的電磁特性是由脈沖源的等效電容和電感以及傳輸線的阻抗3個要素決定的。由脈沖源的電容和傳輸線阻抗構成脈沖衰落部分的時間常數(shù)，而脈沖上升時間的時間常數(shù)則與脈沖源的電感成正比，與傳輸線的阻抗成反比。場強的峰值則與脈沖源的工作電壓(V0)成正比而與工作空間高度(h)成反比，即：一般脈沖源的幾何尺寸相對于工作空間要小得多，為了保證脈沖源激勵的電磁波無及射、無損耗的傳輸?shù)焦ぷ骺臻y，必須引入一前過渡段，要求從過渡段到工作空的阻抗不變。對平行段，其傳輸線線阻抗為工作空間高與寬之比的函數(shù)，近似為式中：h——平行傳輸線的高度，單位(米)a——平行傳輸線的半寬度，單位(米)理論表明只要做到過渡段各截面的高度比不變，其阻抗就能保持不變。于是將過渡段設計為錐板狀。同樣的理由，為消除終端反射，所用電阻性負載與平行線板之間也需要這樣一個成過渡段。在前過渡段中，波基本以球面波的形式傳播，為使工作空間的波前接近平面波，前過渡段的長度應為工作空間高度的兩倍以上。在有界波模擬器設計時，我們遵循如下原則：(1)有效性原則。即有界波模擬器其工作空間內電磁場分布及傳播應盡量能模擬真實的電磁爆炸過程。在工作區(qū)域內傳播的電場要盡量均勻，并以TEM波的方式傳播，即如圖30所示電場應該主要為垂直分量，水平分量盡可能的小。由理論分析及仿真結果可知：在模擬器前后過渡段各尺寸以及工作區(qū)間的高度和長度均不變時，隨著工作區(qū)間寬度的增加，垂直電場分量會逐漸變大,其余方向的電場分量逐漸減小，電磁波傳播模越來越接近TEM模。因此適當增加工作區(qū)的寬度能夠更好地獲得真實的電場分布；同時過渡段和工作區(qū)連接處的連續(xù)性會決定模擬器表面電流分布的連續(xù)性，而在連接處的不連續(xù)性會導致工作區(qū)電場在峰值點附近有一定的小起，影響電場的均勻性。因此過渡段的幾何結構必須和工作區(qū)的幾何尺寸結合起來共同優(yōu)化設計，降低不連續(xù)性；端口的阻抗匹配程度差不可避免地會存在反射波，模擬器內空間的電場是入射波電流產生的電場和反射波電流產生的電場的矢量疊加，從而將會導致電場分布偏離理想的分布，精確的阻抗匹配能夠在頻域經過實驗的辦法解決。(2)可測量性原則。該原則在要求有界波模擬器其工作空間內電磁場分布盡可能均勻，不出現(xiàn)突變的奇點的情況下，還要考慮電壓測試探頭的寄生效應對工作區(qū)域內電場的影響程度小，因此在設計或選用探頭時必須考慮到模擬器的幾何結構。(3)經濟性原則。設計出小型化但同時滿足前兩項原則的有界波模擬器。經優(yōu)化計算，本實驗所建立如圖13所示的平板型有界波模擬器，該空間結構尺寸的平板型有界波模擬器其前過渡段、平行板段、后過渡段阻抗均為170Ω。圖2-7本實驗所設計平行板型有界波模擬器結構2.3本章小結本章主要介紹了電磁脈沖模擬器的相關知識。其中包括電磁脈沖模擬器的構成部分，高壓脈沖源的介紹和技術要求和小型平板形有界波模擬器設計。第三章電磁脈沖模擬器空間電場測量系統(tǒng)的研制3.1測量系統(tǒng)的整體方案本文所設計的測量系統(tǒng)目的在于將瞬變的空間電場信號經過采集，在上位機中顯示。其中，要獲取電場信號必須有能夠感應電場的探頭，既電場傳感器；之后，探頭輸出的信號經過濾波、衰減、隔離等一些處理后進入高速數(shù)據(jù)采集裝置；在軟硬件相結合的環(huán)境下，高速數(shù)據(jù)采集卡將采集的數(shù)據(jù)進行轉換、儲存，最后在上位機中顯示。系統(tǒng)框圖如圖3-1：圖3-1測量系統(tǒng)框圖3.2電場探頭的原理偶極子傳感器的原理圖如圖3-2所示，其中l(wèi),r分別表示偶極子的長度和半徑，Zc表示負載阻抗，C表示偶極子傳感器的等效電容。(a)偶極子(b)等效電路圖3-2偶極子傳感器的原理圖由圖15(b)等效電路可得電壓VO的表示式：(3-1)式(3-1)中的轉折頻率為1/(CZC)，在低頻段，感應電壓VO與電場強度的關系是：(3-2)其中θ是偶極子矢量與電場強度矢量之間的夾角，經過對感應電壓VO的積分運算來確定電場強度，而積分運算可采用無源積分器來實現(xiàn)。在高頻段，感應電壓VO與電場強度的關系是：(3-3)式(3-3)中感應電壓VO與電場強度的關系表現(xiàn)出線性特性，因此，為了實現(xiàn)保持這種線性關系，可經過匹配負載阻抗Zc和提高偶極子傳感器的等效電容來實現(xiàn)。電磁脈沖模擬器電場測量可按式(3-3)高頻近似法來計算并設感應電壓VO的標定系數(shù)為Kv，則電場強度可表示為：(3-4)測量的電壓經式(3-4)換算可得到電場值[3]。3.3信號調理電路的設計3.3.1信號調理電路概述送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各種待轉換物理參數(shù)如溫度、壓力、位移、流量等都是模擬量。首先要把這些模擬量轉換成電信號，才能由電路實現(xiàn)進一步的處理。把各種物理量轉換成電信號的器件稱為傳感器。傳感器給出的電信號往往遠不是所需要的理想狀態(tài)，這就需要對信號加以調理。一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為模擬信號調理部分和數(shù)字部分。其中模擬部分完成輸入阻抗變換、根據(jù)信號大小進行增益調節(jié)及抗混疊濾波等，因此模擬信號調理電路在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中具有重要的作用。對環(huán)境噪聲的抑制能力、自身對有用信號的干擾和采樣精度等都是模擬信號調理電路中必須要考慮的問題。特別是對信號幅度微弱、干擾和噪聲幅度大、精度要求高、動態(tài)范圍大、數(shù)據(jù)的時實性要求高的情況。對模擬信號的調理提出了更高的要求[6]。本文中設計的信號調理電路是之后高速數(shù)據(jù)采集的基礎，要完成寬帶，高幅值，高速的信號調理，需要考慮到器件的選型等多方面問題，要實現(xiàn)對輸入信號的濾波、衰減、隔離等功能，最終將傳感器最初的輸出信號調理成能被高速數(shù)據(jù)采集卡所利用的信號。信號調理電路原理框圖如圖3-3：圖3-3信號調理電路原理框圖3.3.2信號調理電路各部分功能及要求1、阻抗匹配負載阻抗與電源內阻抗或與傳輸線波阻抗之間的特定配合關系。信號傳輸過程中負載阻抗和信源內阻抗之間的特定配合關系。一件器材的輸出阻抗和所連接的負載阻抗之間所應滿足的某種關系，以免接上負載后對器材本身的工作狀態(tài)產生明顯的影響。對電子設備互連來說，例如信號源連放大器，前級連后級，只要后一級的輸入阻抗大于前一級的輸出阻抗5-10倍以上，就可認為阻抗匹配良好；對于放大器連接音箱來說，電子管機應選用與其輸出端標稱阻抗相等或接近的音箱，而晶體管放大器則無此限制，能夠接任何阻抗的音箱。圖3-4阻抗匹配對于低頻輸入的數(shù)據(jù)采集場合中，理想的情況是采集系統(tǒng)對于被測信號能夠近似為開路，這樣才使得被測信號不會因為測試設備作為負載，而對源信號干擾。而對于高頻模擬、數(shù)字信號的采集場合中，必須保證源阻抗與目標阻抗匹配，才能保證信號傳輸過程中不反射到被測信號源中。這就需要在數(shù)據(jù)采集的前端加入阻抗匹配的環(huán)節(jié)。阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當負載電阻等于激勵源內阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。當激勵源內阻抗和負載阻抗含有電抗成份時，為使負載得到最大功率，負載阻抗與內阻必須滿足共扼關系，即電阻成份相等，電抗成份只是數(shù)值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。在這個條件下，從信號源到負載傳輸?shù)哪芰孔畲?。另外，為有效傳輸功率，滿足這個條件能夠避免能量從負載反射到信號源，特別是在諸如視頻傳輸、RF或微波網絡的高頻應用環(huán)境更是如此。阻抗匹配時，傳輸不會產生反射，這表明所有能量都被負載吸收了，反之，則在傳輸中有能量損失。為了防止信號的反射，要求是線路的阻抗為固定值，這是個大約的數(shù)字，常見歸一化的阻抗為標準值[6]。本實驗所用激勵源內阻測量方法如圖3-5所示：圖3-5激勵源內阻測量方法在探頭電路中串入阻值為1K的電阻，打開脈沖激勵源，用示波器測量UR，U，計算出信號調理電路激勵源（既探頭輸出）的內阻r，測量結果與計算過程如下：這樣在信號調理電路中串入一個與激勵源內阻r=689歐的電阻既可實現(xiàn)阻抗匹配。2、濾波濾波是信號處理中的一個重要概念。根據(jù)高等數(shù)學理論，任何一個滿足一定條件的信號，都能夠被看成是由無限個正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內的信號成分正常經過，而阻止另一部分頻率成分經過的電路，叫做濾波電路。濾波本質就是使用具有頻率選擇特性的器件讓一些頻率成分經過，另一些成分壓制。分離元件電容和電感都具有頻率選擇特性，因此都能夠作為濾波器組成部件使用，常見的是電容。電阻和電容組合構成最基本的一階濾波器，電容具有通高頻阻低頻作用。電阻，電容和運放結合能夠構成二，三，高階濾波器。常見的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。若濾波電路元件僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成，則稱為無源濾波電路。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復式濾波（包括倒L型、LC濾波、LCπ型濾波和RCπ型濾波等）。若濾波電路不但由無源元件，還由有源元件（雙極型管、單極型管、集成運放）組成，則稱為有源濾波電路。無源濾波電路的結構簡單，易于設計，但它的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨負載而變化，因而不適用于信號處理要求高的場合。有源濾波電路的負載不影響濾波特性，因此常見于信號處理要求高的場合。有源濾波電路一般由RC網絡和集成運放組成，因而必須在合適的直流電源供電的情況下才能使用，同時還能夠進行放大。但電路的組成和設計也較復雜。有源濾波電路不適用于高電壓大電流的場合，只適用于信號處理。為了設計簡單，節(jié)約成本，本實驗將采用無源高通濾波，濾波電路如下：圖3-6無源高通濾波原理電路圖此時，濾波器的截止頻率為：3、衰減由于實驗所用模擬器是小型平行板有界波模擬器，空間電場大約在50000V/m，由偶極子傳感器感應出的電壓信號大約為30V（示波器測得），而所用后續(xù)高速數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓范圍為±40mV到±4V，因此要設計一個衰減倍數(shù)約為10的衰減環(huán)節(jié)。本設計采用運放組成的衰減器，由于信號調理電路所接受的信號為快沿雙指數(shù)波，因此對運放的速度，帶寬以及輸入阻抗都有很高的要求。對高速模擬信號的放大和衰減過程中，對運算放大器指標的首要要求就是其帶寬，常見的高頻運算放大器分為電流反饋型和電壓反饋型。(1)基于電壓反饋性運算放大器的設計方案電壓反饋運算放大器，其具有較小的輸出阻抗，簡單易用的特性，常被用做運算電路?？墒怯捎陔妷悍答佭\算放大器的帶寬，隨著增益的增加而降低，導致其動態(tài)范圍有限，因此本電路不適合帶寬很高的信號調理電路。(2)基于電流反饋性運算放大器的設計方案由于電流反饋運算放大器其較高的帶寬、較低廉的價格，使其常見作高速模擬電路的信號調理過程中。電流反饋放大器不受基本增益帶寬積的限制，隨著信號幅度的增加，帶寬的損失非常小。因為能夠在最小失真的條件下對大信號進行調節(jié)，這些放大器在非常高的頻率下一般都具有優(yōu)異的線性度。電流反饋放大器在很寬的增益范圍上維持其大部分帶寬不變。因此，電流反饋放大器非常適合作為放大、衰減電路中的運算放大器[6]。根據(jù)以上設計要求，選用analogdevices公司的AD8009。AD8009是一款超高速電流反饋型放大器，電壓擺率達到驚人的5,500V/μs，上升時間僅為545ps，因而非常適合用作脈沖放大器。高壓擺率可降低壓擺率限幅效應，使大信號帶寬達到440MHz，小信號帶寬達到1GHz。其引腳配置如圖3-7：圖3-7AD8009引腳配置傳統(tǒng)的用運算放大器組成的反相衰減器如圖3-8所示：圖3-8傳統(tǒng)反相衰減器在電路中R2要小于R1。這種方法是不被推薦的，因為很多運放是不適宜工作在放大倍數(shù)小于1倍的情況下。經改良的方法是用圖3-9的電路。圖3-9反相衰減器改良設計在表2中的一套規(guī)格化的R3的阻值能夠用作產生不同等級的衰減。對于表中沒有的阻值，能夠用以下的公式計算R3＝(Vo/Vin)/(2-2(Vo/Vin))如果表中有值，按以下方法處理：為Rf和Rin在1K到100K之間選擇一個值，該值作為基礎值。將Rin除以二得到RinA和RinB。將基礎值分別乘以1或者2就得到了Rf、Rin1和Rin2。在表中給R3選擇一個合適的比例因子，然后將她乘以基礎值。比如，如果Rf是20K，RinA和RinB都是10K，那么用12.1K的電阻就能夠得到－3dB的衰減。表2規(guī)格化阻值表4、隔離隔離，顧名思義就是"與之相隔，使其分離。"當然我們在這里談的則是另一種情況，我們只是讓其分隔，但卻沒有相離。因為她們之間還是要有通訊功能。在電子電路中主電路和控制電路要進行電氣隔離，一是為了安全，因為主回路和控制回路工作電壓等級不一樣、電流大小也不一樣，各有各的過流保護系統(tǒng)。強電進入弱電系統(tǒng)會對弱電系統(tǒng)造成損壞；二是為了弱電系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，因為弱電系統(tǒng)特別模擬量型號很容易受到電磁干擾。本實驗采用變壓器隔離，隔離變壓器的原理和普通變壓器的原理是一樣的。都是利用電磁感應原理。隔離變壓器一般是指1：1的變壓器。由于次級不和地相連，減小了交流電中的諧波和雜散磁場產生的微小電流，且次級任一根線與地之間沒有電位差，使用安全。一般變壓器原、副繞組之間雖也有隔離電路的作用，但在頻率較高的情況下，兩繞組之間的電容仍會使兩側電路之間出現(xiàn)靜電干擾。為避免這種干擾，隔離變壓器的原、副繞組一般分置于不同的心柱上，以減小兩者之間的電容。隔離變壓器的主要作用是：使一次側與二次側的電氣完全絕緣，也使該回路隔離。另外，利用其鐵芯的高頻損耗大的特點，從而抑制高頻雜波傳入控制回路。用隔離變壓器使二次對地懸浮。此時，系統(tǒng)的對地電容電流小得不足以對人身造成傷害。還有一個很重要的作用就是保護人身安全，隔離危險電壓。3.4高速數(shù)據(jù)采集卡的選型經過信號調理電路調理后的信號將被送到采集卡進行采集，轉換，儲存，最后在上位機上顯示出來。本實驗最大的難點在于系統(tǒng)傳輸?shù)男盘枮樗矐B(tài)信號，前沿只有20ns。因此為了能更好的還原采集的波形，必須選用采樣速率很高的超高速數(shù)據(jù)采集卡。經過大量資料的收集與比較，最終選定加拿大AlazarTech公司的高速數(shù)據(jù)采集卡ATS9350。3.4.1ATS9350主要性能介紹圖3-10ATS9350實物(1)每通道實時采樣率：500MS/s；(2)1.4GB/s的PCIex8的傳輸速率；(3)2通道，分辨率12位；(4)500MHz到1MHz的外部時鐘；(5)250MHz的全功率帶寬；(6)輸入范圍：±40mV到±4V；(7)信噪比：60.55dB；(8)NIST可追蹤校準；(9)連續(xù)流模式；(10)半長PCIex8卡；(11)可達2GB雙端口存儲；(12)輸入和輸出觸發(fā)接插件；(13)AlazarDSO示波軟件；(14)軟件開發(fā)工具包支持C/C++,C#,VB和LabVIEW；(15)支持Linux驅動程序。3.4.2ATS9350的內部結構圖3-11ATS9350的內部結構圖ATS9350硬件系統(tǒng)以現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（FieldProgrammableGateArray）為核心，由高速A／D轉換、動態(tài)隨機存取存儲器DDR2SDRAM、PCI接口等一系列外圍電路組成。ATS9350的輸入端有一個ECLK（外部時鐘）能夠為ATS9350提供外部時鐘。CHA和CHB為兩個模擬輸入通道。TRIGIN為外部觸發(fā)通道。AUXI/O為輔助輸入輸出通道。ATS9350使用了2個最大轉化率為500M/s的模數(shù)轉換器ADCA和ADCB，能夠在500MHz的輸人數(shù)據(jù)速率下保證12bit的精度。FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。系統(tǒng)經過FPGA來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)緩存及邏輯控制。DDR2SDRAM簡稱DDR2是第二代雙倍數(shù)據(jù)率同步動態(tài)隨機存取存儲器（Double-Data-RateTwoSynchronousDynamicRandomAccessMemory），是一種電腦存儲器規(guī)格。3.5本章小結本章對空間電場測量系統(tǒng)進行了初步的研究與設計，包括電場探頭的原理研究，信號調理電路的設計，高速采集卡的選型和ATS9350的簡單介紹。其中對信號調理電路中幾個重要的部分作了詳細的分析和設計，著重介紹了阻抗匹配，運放構成衰減電路，隔離等的實現(xiàn)方法。第四章信號調理電路的PSpice仿真4.1OrCAD/PSpice軟件的構成OrCAD/PSpice是一個通用電路仿真軟件，不但可對模擬電路、數(shù)字電路和模/數(shù)混合進行模擬，而且具有優(yōu)化設計的功能。本章在介紹OrCAD/PSpice軟件結構和功能特點的基礎上，重點介紹使用OrCAD/PSpice對通道調理電路進行原理性仿真。PSpice軟件的構成以及OrCAD軟件包中與PSpice運行有關的模塊之間的關系如圖4-1所示。圖4-1PSpice軟件構成與配套模塊1.Capture是PSpice的前端模塊，向PSpice提供電路的拓撲結構、元器件的參數(shù)值等信息。同時說明分析類型、設置分析參數(shù)。在Capture環(huán)境下，還能夠控制本節(jié)介紹的其它配套模塊的運行[9]。2.激勵信號波形編輯軟件StmEd（StimulusEditor）該程序為信號源編輯程序。PSpice中信號源的種類比較豐富，如模擬獨立信號源有正弦源、脈沖源、指數(shù)源、分段線性源、單頻調頻源等。該程序能夠交互方式生成電路模擬中需要的各激勵信號波形。包括：瞬態(tài)分析中需要的脈沖、分段線性、調幅正弦、調頻和指數(shù)信號等波形；邏輯模擬中需要的時鐘信號、各種形狀脈沖信號以及總線信號。3.模型參數(shù)提取軟件ModelEd（ModelEditor）仿真軟件中，電路元器件模型參數(shù)的精度很大程度上決定著電路的分析精度。盡管在元器件模型庫中已經包含了大量的元器件模型，但在實際應用中有時仍需用戶自己確定元器件模型。ModelEd軟件的主要功能是從器件特性中提取模型參數(shù)，利用廠家提供的元器件手冊中給出的有源器件及集成電路的特性參數(shù)，采用曲線擬合等優(yōu)化算法，計算并確定相應的模型參數(shù)，得到參數(shù)的最優(yōu)解．建立有源器件的PSpice模型及集成電路的PSpice宏模型。ModelEd還允許用戶修改庫文件中已有的器件模型參數(shù)或器件方程，以重新建立器件模型。4.電路模擬程序PSpice該程序為電路模擬計算程序，是PSpice軟件的核心部分。它將用戶輸入文件的電路拓撲結構及元器件參數(shù)信息形成電路方程，求方程的數(shù)值解。PSpice不但可對模擬電路進行計算機輔助分析，而且可對數(shù)字電路、數(shù)/模混合電路進行計算機模擬。5.模擬結果波形顯示和分析模塊PSpice/ProbeProbe程序為PSpice的輸出圖形后處理程序。它能夠起到萬用表、示波器和掃頻儀的作用，把運行結果以波形曲線的形式非常直觀地在屏幕上顯示出來，顯示方式也是多種多樣的。該模塊具有3種主要功能：①顯示電路中的節(jié)點電壓、支路流波形。可根據(jù)需要在電路圖中修改設計，再重新進行電路模擬，顯示信號波形，直到電路設計滿足要求為止。②模擬結果的再分析處理。Probe可對顯示的波形進行多種數(shù)學分析，提取特征參數(shù)（例如帶寬等），并可進一步得到這些特征參數(shù)與電路中元器件的關系，以實現(xiàn)電路的優(yōu)化。③數(shù)字電路中邏輯錯誤問題的檢測。在顯示邏輯模擬結果波形時，Probe可檢測出電路中存在的冒險競爭、時序錯誤等問題，并能夠將出錯位置標在電路中。6.優(yōu)化程序OptimiterOptimiter優(yōu)化模塊可幫助用戶改進電路設計。它根據(jù)用戶規(guī)定的電路特性約束條件，經過大量的計算自動調整電路元件的參數(shù)，以達到某一電路指標要求。4.2電路模擬的基本過程采用PSpice軟件對電路設計方案進行電路模擬的基本過程共分8個階段如圖4-2所示[9]。圖4-2電路模擬的基本過程1、建設計項目ProjectProject是用來管理相關文件及屬性的。對要進行模擬分析的電路設計項目，由項目管理器對該項目涉及的電路圖、模擬要求、圖形符號庫、模型參考庫和輸出結果等實施管理。項目管理器包含3大類文件：(1)電路設計文件（DesignResouces）(2)結果輸出文件（Outputs）(3)與PSpice運行有關的文件（PSpiceResources）啟動Capture軟件后，執(zhí)行File/New/Project子命令。2、繪制原理圖原理圖的繪制包括以下步驟：(1)放置元器件（Placepart）在Capture中，調用器件非常方便，即使您不清楚器件在庫中的名稱，也能夠很容易查找并調出使用。使用CaptureCIS還能夠讓您經過Internet到Cadence的數(shù)據(jù)庫（包含1萬多個器件信息）里查找器件。(2)連線及放置數(shù)據(jù)總線(Placewireorbus)在電路圖中放置好元器件后，就需要畫互連線，以實現(xiàn)元器件間的電氣連接。為了保證互連線與元器件引線的準確對接，應選擇“SnapToGrid”按鈕。(3)放置網絡名稱(placenetalias)網絡名稱表示電路中各個元器件之間的連接關系，電路中不同位置的網絡名稱，即使未使用互連線連接，只要網絡名稱相同就表示電氣上是相連的。(4)放置電源和地(placepowerorground)Capture符號庫中有兩類電源符號：一種是CAPSYM庫中提供的電源符號，這種符號只表示該處要連接的是一種電源，它們本身不具備任何電壓值；另一種是SOURCE庫中提供的，這些符號真正代表激勵電源，經過設置可給它們賦予一定的電平值?！敖拥亍狈柕那闆r同樣如此，調用PSpice對電路進行仿真時，電路中一定要有一個單位為零的接地點。(5)放置階層及階層管腳對于一張大的原理圖來說，一般都是把它分割成多個模塊，再對子模塊進行組合。Capture支持采用階層的方式來設計，即用一個方塊來代替一個功能模塊，進入階層時，Capture會自動把階層的管腳關系引入到階層原理圖里。(6)原理圖繪制后續(xù)處理原理圖繪制好之后，還要對電路圖進行以下處理：a、元器件統(tǒng)一編號：一般，設計者都需要對器件編號進行從新排序。b、DRC檢測(DesignRulesCheck)：檢查連接關系是否違背設計規(guī)則。c、生成網絡表：網絡表是電路圖與電路仿真、PCB設計之間的聯(lián)系。d、生成材料清單：列出電路中每個元器件的信息及所需的數(shù)量等。3、設置仿真參數(shù)生成電路圖后，根據(jù)電路設計要求確定要仿真的類型并設置仿真參數(shù)。OrCAD/PSpice版本9（本設計所用版本）將基本直流分析、直流DC掃描、交流AC掃描和瞬態(tài)TRAN分析作為4種基本的仿真類型。每種分析包括溫度特性分析、參數(shù)掃描、蒙托卡諾統(tǒng)計分析、最壞情況分析等。對電路的不同要求，能夠經過各種不同類型仿真的相互結合來實現(xiàn)。4、運行仿真設置好仿真類型和仿真參數(shù)后，即可調用PSpice對電路進行仿真。模擬結束后生成以.dat和.out為擴展名的兩種結果數(shù)據(jù)文件。5、結果分析運行PSpice仿真程序和輸出觀察模擬運行結果是緊密相連的兩件事。完成電路模擬分析后，可經過Probe顯示仿真結果的波形（.dat文件）或查閱文本輸出（.out文件）。當然，如果電路中存在問題或仿真參數(shù)設置不當，仿真將不能順利進行，這時屏幕上會顯示出錯信息。應根據(jù)出錯信息采取相關措施，然后重新進行仿真。運用PSpice對通道調理電路的各部分進行分析，使用PSpice時繪制原理圖應該注意：(1)新建Project時應選擇AnalogorMixed-signalCircuit(2)調用的器件必須有PSpice模型(3)原理圖中至少必須有一條網絡名稱為0，即接地。(4)必須有激勵源。(5)電源兩端不允許短路，不允許僅由電源和電感組成回路，也不允許僅由電源和電容組成的割集。6、電路優(yōu)化設計對于模擬電路，能夠在模擬電路的基礎上調用PSpice中的優(yōu)化模塊Optimiter，進一步對電路進行優(yōu)化，提高設計質量。7、分析判斷電路性能是否滿足設計要求經仿真運行，若電路性能指標不能達到設計要求，可經過修改電路結構及器件參數(shù)重復重復上述過程．直到最終得到滿足技術要求的電路設計方案。8、設計結果輸出經過上述幾個階段，得到符合要求的電路設計后，輸出設計方案。4.3信號調理電路的仿真4.3.1激勵源的設計本文所設計的信號調理電路的激勵源為探頭感應脈沖電場所所產生的電壓脈沖信號，為雙指數(shù)波，可設計如下電