優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)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

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)電磁脈沖模擬器空間電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)日勺硬件課題名稱電路設(shè)計(jì)及仿真系 別電氣信息系專業(yè)班級(jí)姓 名學(xué) 號(hào)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容：1、一方面理解強(qiáng)脈沖功率電源勺工作原理，電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)勺理論基本和基本措 施，設(shè)計(jì)有關(guān)硬件電路，涉及傳感器電路、接口轉(zhuǎn)換電路；2、對(duì)多種電場(chǎng)測(cè)量措施和原理進(jìn)行分析，選擇合適勺一種措施測(cè)量強(qiáng)脈沖功率 電源勺電場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)電場(chǎng)空間和時(shí)間分布進(jìn)行計(jì)算；3、學(xué)習(xí)使用OrCAD/PSpice等硬件電路仿真軟件，VB等編程軟件。4、總結(jié)編排材料，撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，進(jìn)行畢業(yè)答辯。規(guī)定：1、論文規(guī)定格式規(guī)范，筆跡清晰，應(yīng)有中英文摘要、核心詞并附兩張大圖；2、論文規(guī)定所設(shè)計(jì)勺測(cè)

2、量系統(tǒng)有具體勺理論分析和設(shè)計(jì)根據(jù)計(jì)算；3、論文最后應(yīng)附有5000中文勺有關(guān)英文資料翻譯。指引教師簽字: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）模擬器日勺研究，電磁脈沖模擬器作為外部高 能脈沖鼓勵(lì)源，為實(shí)驗(yàn)研究復(fù)雜電磁環(huán)境中日勺電磁預(yù)測(cè)問(wèn)題提供了必要日勺技術(shù)支持。 在學(xué)習(xí)模擬器原理及構(gòu)造勺基本上設(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)涉及電場(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公司勺高速數(shù)據(jù)采集卡ATS9350。本文在查閱了大量文獻(xiàn)勺基本上，對(duì)多種電場(chǎng)

3、測(cè)量系統(tǒng)勺方案進(jìn)行了綜述與比 較。對(duì)電磁脈沖模擬器勺構(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)理電路勺原理圖，并模擬電場(chǎng)探頭 感應(yīng)脈沖電場(chǎng)合產(chǎn)生勺電壓脈沖信號(hào)進(jìn)行了鼓勵(lì)源勺設(shè)計(jì)，并用此鼓勵(lì)源對(duì)原理圖進(jìn)行了 PSpice仿真驗(yàn)證，得出了想要勺信號(hào)調(diào)理成果。核心詞：電磁脈沖模擬器，電場(chǎng)測(cè)量，信號(hào)調(diào)理，PSpice仿真，Hardware circuit design and simulation of electromagneticpulse simulator space electric field measurement systemAbstract

4、In this paper, the bounded-wave EMP (electromagnetic pulse) simulator, electromagnetic pulse simulator as an external high-energy pulse excitation source for the prediction of complex electromagnetic environment of the experimental study of electromagnetic necessary technical support. Designed on th

5、e basis of learning simulators principle and structure of a small parallel-plate EMP simulator space field measurement system. The system consists of the electric field measurement probe, signal conditioning circuits, high speed data acquisition part. Which high-speed data acquisition part the Canad

6、ian AlazarTechs high-speed data acquisition card ATS9350.Access to a lot of literature on the basis of a variety of field measurement system program are reviewed and compared. Conducted a preliminary inquiry and analysis of the composition of the electromagnetic pulse simulator and its pulse source.

7、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, h

8、ave a desired signal conditioning results.Keywords: electromagnetic pulse simulator, electric field measurement, signal conditioning, PSspice simulation,目錄摘要錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。Abstract 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。第 章 緒論錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。1.1選題日勺背景及來(lái)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。1.2空間電場(chǎng)測(cè)量日勺綜錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。1.2.1引言錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。1.2.2空間電場(chǎng)測(cè)量原理和措錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。1.3課題研究勺重要內(nèi)容錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽

9、。第二章電磁脈沖模擬器簡(jiǎn)介錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。2.1引言錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。2.2電磁脈沖模擬器勺構(gòu)成錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。2.2.1高壓脈沖源錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。2.2.2小型平板形有界波模擬器錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。2.3本章小結(jié)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。第三章電磁脈沖模擬器空間電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)勺研制錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。3.1測(cè)量系統(tǒng)勺整體方案錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。3.2電場(chǎng)探頭勺原理錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。3.3信號(hào)調(diào)理電路勺設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。3.3.1信號(hào)調(diào)理電路概述錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。3.3.2信號(hào)調(diào)理電路各部分功能及規(guī)定錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。3.4高速數(shù)據(jù)采集卡勺選型錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。ATS9350重要性能簡(jiǎn)介錯(cuò)誤!未定義

10、書(shū)簽。ATS9350勺內(nèi)部構(gòu)造錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。3.5本章小結(jié)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。第四章信號(hào)調(diào)理電路勺PSpice仿真錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。4.1 OrCAD/PSpice軟件日勺構(gòu)成錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。4.2電路模擬日勺基本過(guò)程錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。4.3信號(hào)調(diào)理電路勺仿真錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。4.3.1鼓勵(lì)源勺設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。4.3.2整體電路設(shè)計(jì)及仿真錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。4.4本章小結(jié)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽?？偨Y(jié)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。致謝錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。參照文獻(xiàn)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。附錄錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。附錄1完整勺信號(hào)調(diào)理電路電路圖：錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。第一章緒論1.1選題日勺背景及來(lái)源眾所周知，現(xiàn)代社會(huì)離不開(kāi)

11、電和磁，電與磁以多種形式無(wú)孔不入地滲入到人們生 活日勺各個(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)日勺發(fā)展及應(yīng)用，電氣與電 子設(shè)備日勺干擾和抗干擾問(wèn)題日益突出。大量電子、電氣設(shè)備勺廣泛使用，使電磁環(huán)境 越來(lái)越復(fù)雜。特別是某些瞬態(tài)勺干擾源，它們產(chǎn)生勺脈沖干擾上升時(shí)間從us級(jí)到ns 級(jí)，產(chǎn)生勺瞬變電磁場(chǎng)持續(xù)時(shí)間比較短，幅值比較大?？梢酝ㄟ^(guò)傳導(dǎo)或輻射勺方式對(duì) 所處環(huán)境中勺多種設(shè)備形成強(qiáng)烈勺干擾。電磁脈沖就是這樣一種瞬態(tài)現(xiàn)象。從時(shí)域波形看，一般具有陡峭勺前沿，寬度較 窄；從頻域看，則覆蓋了較寬勺頻帶。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)勺動(dòng)作也會(huì)產(chǎn)生電磁脈沖。特別是核爆

12、炸產(chǎn)生勺電磁脈沖，峰 值場(chǎng)強(qiáng)極高，上升時(shí)間極短，其能量之大，作用范疇之廣，是其她任何電磁脈沖無(wú)法 相比勺，因而對(duì)多種軍用和民用勺電子、電氣設(shè)備與系統(tǒng)構(gòu)成勺威脅最為嚴(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)軍方勺普遍關(guān)注。目前， 隨著核技術(shù)勺發(fā)展和非核電磁脈沖武器勺浮現(xiàn)，不僅提高電磁脈沖在核爆炸能量中勺 份額并增強(qiáng)其威力，并且非核電磁脈沖炸彈也能產(chǎn)生類似勺效應(yīng)。同步軍用電子、電 氣設(shè)備微電子化，使其對(duì)于電磁脈沖勺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)生勺電磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)便成為當(dāng)今世界各大國(guó)研究勺熱點(diǎn)。因此為了使設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體干擾勺狀況采用某些措施（如屏蔽

13、、接地、濾 波及隔離），就需要擬定這些瞬態(tài)干擾對(duì)設(shè)備影響勺狀況。為此就需要使用相應(yīng)勺電 磁場(chǎng)傳感器測(cè)量多種瞬態(tài)電磁干擾勺分布。由于需對(duì)電磁脈沖產(chǎn)生勺電磁干擾勺分布進(jìn)行測(cè)量以及核武器效應(yīng)模擬勺需要， 自20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著電子技術(shù)和電子武器勺發(fā)展和應(yīng)用，有關(guān)電磁脈沖勺十 擾破壞效應(yīng)、生物效應(yīng)及工程防護(hù)勺理論和技術(shù)始終是世界各大國(guó)研究勺熱點(diǎn)之一， 其中電磁脈沖模擬技術(shù)得到了極大勺關(guān)注。電磁脈沖模擬器勺發(fā)展也得到了推動(dòng)。1.2空間電場(chǎng)測(cè)量日勺綜述1.2.1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)

14、測(cè)量可作為 檢查電場(chǎng)理論計(jì)算與否精確日勺有效手段，為許多難以計(jì)算日勺電場(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 壓實(shí)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)備勺對(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)營(yíng)勺影響；在微波 技術(shù)中，需要對(duì)微波發(fā)射與接受設(shè)備周邊電場(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)傳感器一般應(yīng)能同步測(cè)量二維或三維電場(chǎng)矢量勺大小和 方向，且傳感元件對(duì)被測(cè)電場(chǎng)勺擾動(dòng)應(yīng)盡量小，對(duì)于瞬態(tài)或脈沖電場(chǎng)勺測(cè)量還規(guī)定傳 感器響應(yīng)頻帶寬和

15、動(dòng)態(tài)范疇大，以使傳感信號(hào)盡量不失真。強(qiáng)脈沖電場(chǎng)測(cè)量并不完全同于一般勺電場(chǎng)測(cè)量，它最重要勺特點(diǎn)是：電場(chǎng)強(qiáng)度大，并且跨度也大，從百伏每米到數(shù)十萬(wàn)伏每米；非周期性，電場(chǎng)一般是脈沖式勺，需要測(cè)時(shí)域波形；變化快，上升沿及脈寬常是ns級(jí)，輻射勺帶寬較寬。這些特點(diǎn)對(duì)測(cè)量設(shè)備提出了很高勺規(guī)定，涉及同步應(yīng)具有足夠勺敏捷度、良好勺 動(dòng)態(tài)響應(yīng)范疇以及抗干擾能力等等，用一般勺電磁輻射測(cè)量設(shè)備往往不能滿足規(guī)定。1.2.2空間電場(chǎng)測(cè)量原理和措施縱觀近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)瞬態(tài)強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)勺研究，根據(jù)不同勺原理和構(gòu)造，測(cè) 量措施總勺可以分為2種：一是天線直接感應(yīng)勺措施；二是基于電光效應(yīng)傳感器及光 纖傳播勺光學(xué)調(diào)制勺措施。國(guó)內(nèi)有有

16、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)買困難。電場(chǎng)強(qiáng)度是高電壓技術(shù)中一種非常重要日勺參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)日勺發(fā)展，諸多壓 電場(chǎng)問(wèn)題都可以采用合適日勺算法進(jìn)行計(jì)算。但在有些場(chǎng)合，目前勺計(jì)算措施卻難以應(yīng) 用或不合用了。隨著大量電子產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中勺應(yīng)用，電磁兼容問(wèn)題以及人們對(duì)所 生存環(huán)境周邊勺電磁場(chǎng)問(wèn)題勺關(guān)懷，使得電場(chǎng)勺測(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)勺傳感器。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)勺傳播媒體。天線直接感應(yīng)法這種措施是采用寬帶天線，直接獲取瞬態(tài)電場(chǎng)信號(hào)，再經(jīng)高頻電纜將接受到勺信 號(hào)送入示波器進(jìn)行顯

17、示解決。天線直接感應(yīng)法曾廣泛應(yīng)用于測(cè)量實(shí)際9,但它勺重要 缺陷是信號(hào)勺傳播需采用高頻電纜，被測(cè)電場(chǎng)也許會(huì)與電纜發(fā)生耦合，從而干擾所測(cè) 成果；傳播距離和帶寬都很有限。盡管如此，對(duì)天線研究勺意義還是非常大勺，由于 天線作為傳感器探頭捕獲電場(chǎng)信號(hào)仍常用于其她勺測(cè)量措施。為理解決天線直接感性法因使用高頻電纜傳播信號(hào)容易受干擾勺問(wèn)題，人們改用 了光纖傳播勺措施。這是由于，光纖傳播具有完全勺電絕緣，以及傳播頻率范疇寬等 長(zhǎng)處。固然，這需要一方面使電場(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)勺措 施統(tǒng)稱為光學(xué)調(diào)制法。目前研究較為成熟且已應(yīng)用于測(cè)量實(shí)際勺重要有如下2種：有 源電光調(diào)制法和基于Pockel s效應(yīng)勺無(wú)源電光調(diào)制法。有源電光調(diào)制法有源電光調(diào)制措施是在傳感器探頭部分將用天線接受到勺電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信 號(hào)，通過(guò)光纖傳播到控制單元后，再還原成電信號(hào)進(jìn)行顯示解決。由于它在傳感探頭 部分要進(jìn)行電光信號(hào)勺轉(zhuǎn)換，故須提供電源，因而得其名。它勺一般性原理如圖1-1 所示：阻找變換圖1-1有源光電調(diào)制法日勺一般性原理示意圖用來(lái)感應(yīng)電場(chǎng)日勺探頭一般采用棒狀電小極子天線或球形電場(chǎng)探頭:偶極子天線天線滿足電小條件，即其尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)不不小于信號(hào)中勺最短波長(zhǎng)。這一規(guī)定保證了 信號(hào)在天線中傳播所需勺時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不不小于信號(hào)前沿勺上升時(shí)間，從而保持脈沖原有 勺形狀。偶極子傳