【正文】 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線(xiàn)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)課題名稱(chēng)電磁脈沖模擬器空間電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及仿真系 別電氣信息系專(zhuān)業(yè)班級(jí)姓 名學(xué) 號(hào)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容及要求:內(nèi)容：首先了解強(qiáng)脈沖功率電源的工作原理，電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的理論基礎(chǔ)和基本方法，設(shè)計(jì)相關(guān)硬件電路，包括傳感器電路、接口轉(zhuǎn)換電路；對(duì)各種電場(chǎng)測(cè)量方法和原理進(jìn)行分析，選擇合適的一種方法測(cè)量強(qiáng)脈沖功率電源的電場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)電場(chǎng)空間和時(shí)間分布進(jìn)行計(jì)算；學(xué)習(xí)使用OrCAD/PSpice等硬件電路仿真軟件，VB等編程軟件?？偨Y(jié)編排材料，撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，進(jìn)行畢業(yè)答辯。要求：論文要求格式規(guī)范，字跡清晰，應(yīng)有中英文摘要、關(guān)鍵詞并附兩張大圖；論文要求所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)有詳細(xì)的理論分析和設(shè)計(jì)依據(jù)計(jì)算；論文最后應(yīng)附有5000漢字的相關(guān)英文資料翻譯。指導(dǎo)教師簽字： 日期： 年 月 日電磁脈沖模擬器空間電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及仿真摘 要本文針對(duì)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(lì)源，為實(shí)驗(yàn)研究復(fù)雜電磁環(huán)境中的電磁預(yù)測(cè)問(wèn)題提供了必要的技術(shù)支持。在學(xué)習(xí)模擬器原理及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套小型平行板電磁脈沖模擬器空間電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電場(chǎng)測(cè)量探頭、信號(hào)調(diào)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(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)各種電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的方案進(jìn)行了綜述與比較。對(duì)電磁脈沖模擬器的構(gòu)成及其脈沖源進(jìn)行了初步探究和分析。本設(shè)計(jì)使用OrCAD/PSpice軟件繪制了信號(hào)調(diào)理電路的原理圖，并模擬電場(chǎng)探頭感應(yīng)脈沖電場(chǎng)所產(chǎn)生的電壓脈沖信號(hào)進(jìn)行了激勵(lì)源的設(shè)計(jì)，并用此激勵(lì)源對(duì)原理圖進(jìn)行了PSpice仿真驗(yàn)證，得出了想要的信號(hào)調(diào)理結(jié)果。關(guān)鍵詞：電磁脈沖模擬器，電場(chǎng)測(cè)量，信號(hào)調(diào)理，PSpice仿真，I Hardware circuit design and simulation of electromagnetic pulse simulator space electric field measurement systemAbstractIn this paper, the boundedwave EMP (electromagnetic pulse) simulator, electromagnetic pulse simulator as an external highenergy pulse excitation source for the prediction of plex electromagnetic environment of the experimental study of electromagnetic necessary technical support. Designed on the basis of learning simulators principle and structure of a small parallelplate EMP simulator space field measurement system. The system consists of the electric field measurement probe, signal conditioning circuits, high speed data acquisition part. Which highspeed data acquisition part the Canadian AlazarTech39。s highspeed data acquisition card ATS9350.Access to a lot of literature on the basis of a variety of field measurement system program are reviewed and pared. Conducted a preliminary inquiry and analysis of the position of the electromagnetic pulse simulator and its pulse source.This design using OrCAD / PSpice software to draw a signal conditioning circuit schematic and simulation from electric field probe sensor pulse power spaces voltage pulse signal carried the excitation source design, and with this incentive source schematic carried the PSpice simulation validation, have a desired signal conditioning results.Keywords: electromagnetic pulse simulator, electric field measurement, signal conditioning, PSspice simulation,目錄摘 要 IAbstract II第一章 緒論 1 1 空間電場(chǎng)測(cè)量的綜述 1 引言 1 空間電場(chǎng)測(cè)量原理和方法 2 6第二章 電磁脈沖模擬器介紹 7 引言 7 電磁脈沖模擬器的構(gòu)成 8 高壓脈沖源 10 小型平板形有界波模擬器 13 本章小結(jié) 15第三章 電磁脈沖模擬器空間電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的研制 16 測(cè)量系統(tǒng)的整體方案 16 16 17 17 17 高速數(shù)據(jù)采集卡的選型 23 ATS9350主要性能介紹 23 ATS9350的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 24 本章小結(jié) 25第四章 信號(hào)調(diào)理電路的PSpice仿真 26 OrCAD/PSpice軟件的構(gòu)成 26 電路模擬的基本過(guò)程 27 信號(hào)調(diào)理電路的仿真 30 激勵(lì)源的設(shè)計(jì) 30 整體電路設(shè)計(jì)及仿真 32 本章小結(jié) 33總 結(jié) 34致 謝 35參考文獻(xiàn) 36附 錄 37附錄1 完整的信號(hào)調(diào)理電路電路圖： 37第一章 緒論眾所周知，現(xiàn)代社會(huì)離不開(kāi)電和磁，電與磁以各種形式無(wú)孔不入地滲透到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域中。特別是20世紀(jì)以來(lái)，隨著通訊和電氣技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，電氣與電子設(shè)備的干擾和抗干擾問(wèn)題日益突出。大量電子、電氣設(shè)備的廣泛使用，使電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。特別是一些瞬態(tài)的干擾源，它們產(chǎn)生的脈沖干擾上升時(shí)間從us級(jí)到ns級(jí)，產(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)持續(xù)時(shí)間比較短，幅值比較大?？梢酝ㄟ^(guò)傳導(dǎo)或輻射的方式對(duì)所處環(huán)境中的各種設(shè)備形成強(qiáng)烈的干擾。電磁脈沖就是這樣一種瞬態(tài)現(xiàn)象。從時(shí)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(huì)產(chǎn)生電磁脈沖以外，靜電放電以及大功率電子、電氣開(kāi)關(guān)的動(dòng)作也會(huì)產(chǎn)生電磁脈沖。特別是核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖，峰值場(chǎng)強(qiáng)極高，上升時(shí)間極短，其能量之大，作用范圍之廣，是其他任何電磁脈沖無(wú)法相比的，因而對(duì)各種軍用和民用的電子、電氣設(shè)備與系統(tǒng)構(gòu)成的威脅最為嚴(yán)重。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，核電磁脈沖及其工程防護(hù)技術(shù)受到各大國(guó)軍方的普遍關(guān)注。當(dāng)前，隨著核技術(shù)的發(fā)展和非核電磁脈沖武器的出現(xiàn)，不僅提高電磁脈沖在核爆炸能量中的份額并增強(qiáng)其威力，而且非核電磁脈沖炸彈也能產(chǎn)生類(lèi)似的效應(yīng)。同時(shí)軍用電子、電氣設(shè)備微電子化，使其對(duì)于電磁脈沖的敏感性和易損性日趨嚴(yán)重。因此，有關(guān)電磁脈沖及其產(chǎn)生的電磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)便成為當(dāng)今世界各大國(guó)研究的熱點(diǎn)[1][8]。因此為了使設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)備影響的情況。為此就需要使用相應(yīng)的電磁場(chǎng)傳感器測(cè)量各種瞬態(tài)電磁干擾的分布[2]。由于需對(duì)電磁脈沖產(chǎn)生的電磁干擾的分布進(jìn)行測(cè)量以及核武器效應(yīng)模擬的需要，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著電子技術(shù)和電子武器的發(fā)展和應(yīng)用，有關(guān)電磁脈沖的干擾破壞效應(yīng)、生物效應(yīng)及工程防護(hù)的理論和技術(shù)一直是世界各大國(guó)研究的熱點(diǎn)之一，其中電磁脈沖模擬技術(shù)得到了極大的關(guān)注。電磁脈沖模擬器的發(fā)展也得到了推動(dòng)。 空間電場(chǎng)測(cè)量的綜述 引言電場(chǎng)測(cè)量在諸多科學(xué)研究和工程技術(shù)領(lǐng)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(shù)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。例如，在電磁科學(xué)研究中，電場(chǎng)測(cè)量可作為檢驗(yàn)電場(chǎng)理論計(jì)算是否準(zhǔn)確的有效手段，為許多難以計(jì)算的電場(chǎng)環(huán)境提供測(cè)量數(shù)值，在電力工業(yè)，電場(chǎng)測(cè)量可用于電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電氣設(shè)備內(nèi)外電場(chǎng)分布測(cè)量、高電壓試驗(yàn)及電暈放電現(xiàn)象研究等，在電磁兼容領(lǐng)域研究中，電場(chǎng)測(cè)量可用于檢測(cè)電氣、電子設(shè)備的對(duì)外電磁輻射與干擾，以及研究環(huán)境電場(chǎng)對(duì)電子儀器運(yùn)行的影響；在微波技術(shù)中，需要對(duì)微波發(fā)射與接收設(shè)備周?chē)妶?chǎng)進(jìn)行測(cè)量。此外，在核物理以及航空航天科學(xué)與技術(shù)研究中也需要空間電場(chǎng)傳感器。與電壓傳感器不同，電場(chǎng)傳感器通常應(yīng)能同時(shí)測(cè)量二維或三維電場(chǎng)矢量的大小和方向，且傳感元件對(duì)被測(cè)電場(chǎng)的擾動(dòng)應(yīng)盡量小，對(duì)于瞬態(tài)或脈沖電場(chǎng)的測(cè)量還要求傳感器響應(yīng)頻帶寬和動(dòng)態(tài)范圍大，以使傳感信號(hào)盡可能不失真。強(qiáng)脈沖電場(chǎng)測(cè)量并不完全同于普通的電場(chǎng)測(cè)量，它最主要的特點(diǎn)是：(1) 電場(chǎng)強(qiáng)度大，而且跨度也大，從百伏每米到數(shù)十萬(wàn)伏每米；(2) 非周期性，電場(chǎng)通常是脈沖式的，需要測(cè)時(shí)域波形；(3) 變化快，上升沿及脈寬常是ns級(jí)，輻射的帶寬較寬。這些特點(diǎn)對(duì)測(cè)量設(shè)備提出了很高的要求，包括同時(shí)應(yīng)具有足夠的靈敏度、良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍以及抗干擾能力等等，用一般的電磁輻射測(cè)量設(shè)備往往不能滿(mǎn)足要求。 空間電場(chǎng)測(cè)量原理和方法縱觀(guān)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于瞬態(tài)強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的研究，根據(jù)不同的原理和結(jié)構(gòu)，測(cè)量方法總的可以分為2種：一是天線(xiàn)直接感應(yīng)的方法；二是基于電光效應(yīng)傳感器及光纖傳輸?shù)墓鈱W(xué)調(diào)制的方法。國(guó)內(nèi)有相關(guān)產(chǎn)品，但性能還不夠成熟，國(guó)外有現(xiàn)成產(chǎn)品，但購(gòu)買(mǎi)困難。電場(chǎng)強(qiáng)度是高電壓技術(shù)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多壓電場(chǎng)問(wèn)題都可以采用合適的算法進(jìn)行計(jì)算。但在有些場(chǎng)合，現(xiàn)在的計(jì)算方法卻難以應(yīng)用或不適用了。隨著大量電子產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，電磁兼容問(wèn)題以及人們對(duì)所生存環(huán)境周?chē)碾姶艌?chǎng)問(wèn)題的關(guān)心，使得電場(chǎng)的測(cè)量成為必需。為了測(cè)量高壓瞬變電場(chǎng)，需要研制能測(cè)量空間瞬變電場(chǎng)的傳感器。由于光纖可以隔離高壓電信號(hào)而不會(huì)引入畸變，因此，在高壓電場(chǎng)測(cè)量中，采用光纖作為信號(hào)的傳輸媒體。(1) 天線(xiàn)直接感應(yīng)法這種方法是采用寬帶天線(xiàn)，直接獲取瞬態(tài)電場(chǎng)信號(hào)，再經(jīng)高頻電纜將接收到的信號(hào)送入示波器進(jìn)行顯示處理。天線(xiàn)直接感應(yīng)法曾廣泛應(yīng)用于測(cè)量實(shí)際[9]，但它的主要缺點(diǎn)是信號(hào)的傳輸需采用高頻電纜，被測(cè)電場(chǎng)可能會(huì)與電纜發(fā)生耦合，從而干擾所測(cè)結(jié)果；傳輸距離和帶寬都很有限。盡管如此，對(duì)天線(xiàn)研究的意義還是非常大的，因?yàn)樘炀€(xiàn)作為傳感器探頭捕捉電場(chǎng)信號(hào)仍常用于其他的測(cè)量方法。為了解決天線(xiàn)直接感性法因使用高頻電纜傳輸信號(hào)容易受干擾的問(wèn)題，人們改用了光纖傳輸?shù)姆椒?。這是因?yàn)椋饫w傳輸具有完全的電絕緣，以及傳輸頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，這需要首先使電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，人們把這種測(cè)量瞬態(tài)電場(chǎng)的方法統(tǒng)稱(chēng)為光學(xué)調(diào)制法。目前研究較為成熟且已應(yīng)用于測(cè)量實(shí)際的主要有以下2種：有源電光調(diào)制法和基于Pockels效應(yīng)的無(wú)源電光調(diào)制法。(2) 有源電光調(diào)制法有源電光調(diào)制方法是在傳感器探頭部分將用天線(xiàn)接收到的電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)娇刂茊卧?，再還原成電信號(hào)進(jìn)行顯示處理。由于它在傳感探頭部分要進(jìn)行電光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，故須提供電源，因而得其名。它的一般性原理如圖11所示：圖11 有源光電調(diào)制法的一般性原理示意圖用來(lái)感應(yīng)電場(chǎng)的探頭一般采用棒狀電小極子天線(xiàn)或球形電場(chǎng)探頭：偶極子天線(xiàn)天線(xiàn)滿(mǎn)足電小條件，即其尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)中的最短波長(zhǎng)。這一要求保證了信號(hào)在天線(xiàn)中傳播所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)前沿的上升時(shí)間，從而保持脈沖原有的形狀。偶極子傳感器的原理圖如圖12所示，其中l(wèi) ,r分別表示偶