毕业设计论文电磁脉冲模拟器空间电场测量系统的硬件电路设计与仿真.docx

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毕业设计论文电磁脉冲模拟器空间电场测量系统的硬件电路设计与仿真

毕业设计（论文）任务书

课题名称

电磁脉冲模拟器空间电场测量系统的硬件电路设计及仿真

系别

电气信息系

专业班级

姓名

学号

毕业设计（论文）的主要内容及要求:

内容：

1、首先了解强脉冲功率电源的工作原理，电场测量技术的理论基础和基本方法，设计相关硬件电路，包括传感器电路、接口转换电路；

2、对各种电场测量方法和原理进行分析，选择合适的一种方法测量强脉冲功率电源的电场强度，对电场空间和时间分布进行计算；

3、学习使用OrCAD/PSpice等硬件电路仿真软件，VB等编程软件。

4、总结编排材料，撰写毕业设计论文，进行毕业答辩。

要求：

1、论文要求格式规范，字迹清晰，应有中英文摘要、关键词并附两张大图；

2、论文要求所设计的测量系统有详细的理论分析和设计依据计算；

3、论文最后应附有5000汉字的相关英文资料翻译。

指导教师签字：

日期：

年月日

电磁脉冲模拟器空间电场测量系统的

硬件电路设计及仿真

摘要

本文针对有界波EMP（电磁脉冲）模拟器的研究，电磁脉冲模拟器作为外部高能脉冲激励源，为实验研究复杂电磁环境中的电磁预测问题提供了必要的技术支持。

在学习模拟器原理及结构的基础上设计了一套小型平行板电磁脉冲模拟器空间电场测量系统。

该系统包括电场测量探头、信号调理电路，高速数据采集部分。

其中高速数据采集部分采用了加拿大AlazarTech公司的高速数据采集卡ATS9350。

本文在查阅了大量文献的基础上，对各种电场测量系统的方案进行了综述与比较。

对电磁脉冲模拟器的构成及其脉冲源进行了初步探究和分析。

本设计使用OrCAD/PSpice软件绘制了信号调理电路的原理图，并模拟电场探头感应脉冲电场所产生的电压脉冲信号进行了激励源的设计，并用此激励源对原理图进行了PSpice仿真验证，得出了想要的信号调理结果。

关键词：

电磁脉冲模拟器，电场测量，信号调理，PSpice仿真，

Hardwarecircuitdesignandsimulationofelectromagneticpulsesimulatorspaceelectricfieldmeasurementsystem

Abstract

Inthispaper,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,

第一章绪论

1.1选题的背景及来源

众所周知，现代社会离不开电和磁，电与磁以各种形式无孔不入地渗透到人们生活的各个领域中。

特别是20世纪以来，随着通讯和电气技术的发展及应用，电气与电子设备的干扰和抗干扰问题日益突出。

大量电子、电气设备的广泛使用，使电磁环境越来越复杂。

特别是一些瞬态的干扰源，它们产生的脉冲干扰上升时间从us级到ns级，产生的瞬变电磁场持续时间比较短，幅值比较大。

可以通过传导或辐射的方式对所处环境中的各种设备形成强烈的干扰。

电磁脉冲就是这样一种瞬态现象。

从时域波形看，一般具有陡峭的前沿，宽度较窄；从频域看，则覆盖了较宽的频带。

除了雷电会产生电磁脉冲以外，静电放电以及大功率电子、电气开关的动作也会产生电磁脉冲。

特别是核爆炸产生的电磁脉冲，峰值场强极高，上升时间极短，其能量之大，作用范围之广，是其他任何电磁脉冲无法相比的，因而对各种军用和民用的电子、电气设备与系统构成的威胁最为严重。

自20世纪70年代以来，核电磁脉冲及其工程防护技术受到各大国军方的普遍关注。

当前，随着核技术的发展和非核电磁脉冲武器的出现，不仅提高电磁脉冲在核爆炸能量中的份额并增强其威力，而且非核电磁脉冲炸弹也能产生类似的效应。

同时军用电子、电气设备微电子化，使其对于电磁脉冲的敏感性和易损性日趋严重。

因此，有关电磁脉冲及其产生的电磁场测量技术便成为当今世界各大国研究的热点[1][8]。

因此为了使设计人员能够根据具体干扰的情况采取一些措施（如屏蔽、接地、滤波及隔离），就需要确定这些瞬态干扰对设备影响的情况。

为此就需要使用相应的电磁场传感器测量各种瞬态电磁干扰的分布[2]。

由于需对电磁脉冲产生的电磁干扰的分布进行测量以及核武器效应模拟的需要，自20世纪70年代以来，随着电子技术和电子武器的发展和应用，有关电磁脉冲的干扰破坏效应、生物效应及工程防护的理论和技术一直是世界各大国研究的热点之一，其中电磁脉冲模拟技术得到了极大的关注。

电磁脉冲模拟器的发展也得到了推动。

1.2空间电场测量的综述

1.2.1引言

电场测量在诸多科学研究和工程技术领域具有重要意义，特别是在电力系统、电磁兼容及微波技术等领域具有广泛应用。

例如，在电磁科学研究中，电场测量可作为检验电场理论计算是否准确的有效手段，为许多难以计算的电场环境提供测量数值，在电力工业，电场测量可用于电力系统状态监测、电气设备内外电场分布测量、高电压试验及电晕放电现象研究等，在电磁兼容领域研究中，电场测量可用于检测电气、电子设备的对外电磁辐射与干扰，以及研究环境电场对电子仪器运行的影响；在微波技术中，需要对微波发射与接收设备周围电场进行测量。

此外，在核物理以及航空航天科学与技术研究中也需要空间电场传感器。

与电压传感器不同，电场传感器通常应能同时测量二维或三维电场矢量的大小和方向，且传感元件对被测电场的扰动应尽量小，对于瞬态或脉冲电场的测量还要求传感器响应频带宽和动态范围大，以使传感信号尽可能不失真。

强脉冲电场测量并不完全同于普通的电场测量，它最主要的特点是：

（1）电场强度大，而且跨度也大，从百伏每米到数十万伏每米；

（2）非周期性，电场通常是脉冲式的，需要测时域波形；

（3）变化快，上升沿及脉宽常是ns级，辐射的带宽较宽。

这些特点对测量设备提出了很高的要求，包括同时应具有足够的灵敏度、良好的动态响应范围以及抗干扰能力等等，用一般的电磁辐射测量设备往往不能满足要求。

1.2.2空间电场测量原理和方法

纵观近年来国内外关于瞬态强电场测量技术的研究，根据不同的原理和结构，测量方法总的可以分为2种：

一是天线直接感应的方法；二是基于电光效应传感器及光纤传输的光学调制的方法。

国内有相关产品，但性能还不够成熟，国外有现成产品，但购买困难。

电场强度是高电压技术中一个非常重要的参数。

随着计算机技术的发展，很多压电场问题都可以采用合适的算法进行计算。

但在有些场合，现在的计算方法却难以应用或不适用了。

随着大量电子产品在电力系统中的应用，电磁兼容问题以及人们对所生存环境周围的电磁场问题的关心，使得电场的测量成为必需。

为了测量高压瞬变电场，需要研制能测量空间瞬变电场的传感器。

由于光纤可以隔离高压电信号而不会引入畸变，因此，在高压电场测量中，采用光纤作为信号的传输媒体。

（1）天线直接感应法

这种方法是采用宽带天线，直接获取瞬态电场信号，再经高频电缆将接收到的信号送入示波器进行显示处理。

天线直接感应法曾广泛应用于测量实际[9]，但它的主要缺点是信号的传输需采用高频电缆，被测电场可能会与电缆发生耦合，从而干扰所测结果；传输距离和带宽都很有限。

尽管如此，对天线研究的意义还是非常大的，因为天线作为传感器探头捕捉电场信号仍常用于其他的测量方法。

为了解决天线直接感性法因使用高频电缆传输信号容易受干扰的问题，人们改用了光纤传输的方法。

这是因为，光纤传输具有完全的电绝缘，以及传输频率范围宽等优点。

当然，这需要首先使电场信号转变成光信号，人们把这种测量瞬态电场的方法统称为光学调制法。

目前研究较为成熟且已应用于测量实际的主要有以下2种：

有源电光调制法和基于Pockels效应的无源电光调制法。

（2）有源电光调制法

有源电光调制方法是在传感器探头部分将用天线接收到的电场信号转变成光信号，经过光纤传输到控制单元后，再还原成电信号进行显示处理。

由于它在传感探头部分要进行电光信号的转换，故须提供电源，因而得其名。

它的一般性原理如图1-1所示：

图1-1有源光电调制法的一般性原理示意图

用来感应电场的探头一般采用棒状电小极子天线或球形电场探头：

偶极子天线

天线满足电小条件，即其尺寸远远小于信号中的最短波长。

这一要求保证了信号在天线中传播所需的时间远远小于信号前沿的上升时间，从而保持脉冲原有的形状。

偶极子传感器的原理图如图1-2所示，其中l,r分别表示偶极子的长度和半径，Zc表示负载阻抗，C表示偶极子传感器的等效电容[3]。

（a）偶极子（b）等效电路

图1-2偶极子传感器的原理图

球形电场探头：

当把探头放入空间电场后，空间电场将在静电感应的作用下在两半球壳的外表面感应出电荷，这些感应电荷将在取样电容Ck两端产生一个微小的电压，所测空间的电场强度与探

头内取样电容两端电压成正比，因此