【導(dǎo)讀】電源的電場強度，對電場空間和時間分布進行計算；能脈沖激勵源，為實驗研究復(fù)雜電磁環(huán)境中的電磁預(yù)測問題提供了必要的技術(shù)支持。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。對電磁脈沖模擬器的構(gòu)成及其脈沖源進行了初步探究和分析。行了PSpice仿真驗證，得出了想要的信號調(diào)理結(jié)果。

　　

【正文】 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ (a) 偶極子 (b) 等效電路 圖 32 偶極子傳感器的原理圖 由圖 15(b)等效電路可得電壓 VO 的表達式： CCsEils s C Z1 s C Z)()(V 0 ??? (31) 1)/ln ( ?? rl lC ?? 式 (31)中的轉(zhuǎn)折頻 率為 1/(CZC) ，在低頻段，感應(yīng)電壓 VO 與電場強度的關(guān)系是： dt tdEltV iCO )(CZ)c o s ()( ?? (32) 其中 θ 是偶極子矢量與電場強度矢量之間的夾角，通過對感應(yīng)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(yīng)電壓 VO與電場強度的關(guān)系是： )()c o s (2)( tEltV iO ?? (33) 式 (33) 中感應(yīng)電壓 VO 與電場強 度的關(guān)系表現(xiàn)出線性特性，因此，為了實現(xiàn)保持這種線性關(guān)系，可通過匹配負(fù)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 (33) 高頻近似法來計算并設(shè)感應(yīng)電壓 VO 的標(biāo)定系數(shù)為 Kv，則電場強度可表示為： )c os (2 )(V)( 0 ?l KttE Vi ? (34) 測量的電壓經(jīng)式 (34)換算可得到電場值 [3]。 信號調(diào)理電路的設(shè)計 送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各種待轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)理。一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為模擬信號調(diào)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(diào)節(jié)及抗混疊濾波等，因此模擬信號調(diào)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(diào)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(diào)理提出了更高的要求 [6]。 本文中設(shè)計的信號調(diào)理電路是之后高速數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，要完成寬帶，高幅值，高速的信號調(diào)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(diào)理成能被高速數(shù)據(jù)采集卡所利用共 37 頁 第 17 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 的信號。信號調(diào)理電路原理框圖如圖 33： 阻 抗 匹 配 濾 波 衰 減 隔 離 采 集 卡 圖 33 信號調(diào)理電路原理框圖 阻抗匹配 負(fù)載阻抗與電源內(nèi)阻抗或與傳輸線波阻抗之間的特 定配合關(guān)系。 信號傳輸過程中負(fù)載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。一件器材的輸出阻抗和所連接的負(fù)載阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上負(fù)載后對器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對電子設(shè)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 510 倍以上，就可認(rèn)為阻抗匹配良好；對于放大器連接音箱來說，電子管機應(yīng)選用與其輸出端標(biāo)稱阻抗相等或接近的音 箱，而晶體管放大器則無此限制，可以接任何阻抗的音箱。 圖 34 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)對于被測信號可以近似為開路，這樣才使得被測信號不會因為測試設(shè)備作為負(fù)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(biāo)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(fù)載阻抗與激勵源內(nèi)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(dāng)負(fù)載電阻等于激勵源內(nèi)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(dāng)激勵源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)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(fù)載傳輸?shù)哪芰?最大。另外，為有效傳輸功率，滿足這個條件可以避免能量從負(fù)載反射到信號源，尤其是在諸如視頻傳輸、 RF 或微波網(wǎng)絡(luò)的高頻應(yīng)用環(huán)境更是如此。 阻抗匹配時，傳輸不會產(chǎn)生反射，這表明所有能量都被負(fù)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，常用歸一化的阻抗為標(biāo)準(zhǔn)值 [6]。 共 37 頁 第 18 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 本實驗所用激勵源內(nèi)阻測量方法如圖 35 所示： RrURU偶 極 子 兩 端 圖 35 激勵源內(nèi)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(diào)理電路激勵源（既探頭輸出）的內(nèi)阻 r，測量結(jié)果與計算過程如下： 1RK? 45RUV? 45 451RU VI m ARK? ? ?? 76UV? 76 1 6 8 945UVr R KI m A? ? ? ? ? ? ? 這樣在信號調(diào)理電路中串入一個與激勵源內(nèi)阻 r=689 歐的電阻既可實現(xiàn)阻抗匹配。 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(xué)理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以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(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做濾波電路。 濾波本質(zhì)就是使用具有頻率選擇特性的器件讓一些頻率成分通過，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，因此都可以作為濾波器組成部件使用，常用的是電容。電阻和電容組合構(gòu)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(jié)合可以構(gòu)成二，三，高階濾波器。 常用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(fù)式濾波（包括倒 L 型、 LC 濾波、 LCπ 型濾波和 RCπ 型濾波等）。若濾波電路不僅由無源元件，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(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計，但它的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨負(fù)載而變化，因而不適用于信號處理要求高的場合。 共 37 頁 第 19 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 有源濾波電路的負(fù)載不影響濾波特性，因此常用于信號處理要求高的場合。有源濾波電路一般由 RC 網(wǎng)絡(luò)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，同時還可以進行放大。但電路的組成和設(shè)計也較復(fù)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(shè)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 36 無源高通濾波 原理電路圖 此時，濾波器的截止頻率為： 12cf RC?? 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(yīng)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 177。40mV 到 177。4V，所以要設(shè)計一個衰減倍數(shù)約為 10 的衰減環(huán)節(jié)。 本設(shè)計采用運放組成的衰減器，由于信號調(diào)理電路所接受的信號為快沿雙指數(shù)波，所以對運放的速度，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(biāo) 的首要要求就是其帶寬，常用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(shè)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。但是由于電壓反饋運算放大器的帶寬，隨著增益的增加而降低，導(dǎo)致其動態(tài)范圍有限，所以本電路不適合帶寬很高的信號調(diào)理電路。 (2) 基于電流反饋性運算放大器的設(shè)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，使其常用作高速模擬電路的信號調(diào)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。因為可以在最小失真的條件下對大信號進行調(diào)節(jié)，這些放大器在非常高的頻率下通常都具有優(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。所以，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(shè)計要求，選用 analog devices 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 5,500 V/181。s，上升時間僅為 545 ps，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(yīng)，使大信號帶寬達到 440 MHz，小信號帶寬達到 1GHz。其引腳配置如圖 37： 共 37 頁 第 20 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 37 AD8009引腳配置 傳統(tǒng)的用運算放大器組成的反相衰減器如圖 38 所示： 圖 38 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(jīng)改良的方法是用圖 39 的電路。 圖 39 反相衰減器改良設(shè)計 在表 2 中的一套規(guī)格化的 R3 的阻值可以用作產(chǎn)生不同等級的衰減。對于表中沒有的阻值，可以用以下的公式計算 R3＝ (Vo/Vin)/(22(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(chǔ)值。 將 Rin 除以二得到 RinA 和 RinB。 共 37 頁 第 21 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 將基礎(chǔ)值分別乘以 1 或者 2 就得到了 Rf、 Rin1 和 Rin2。在