毕业设计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模板

年4月19日毕业设计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文档仅供参考毕业设计(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，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,目录摘要 IAbstract II第一章绪论 1 1 1 1 21.3课题研究的主要内容 6第二章电磁脉冲模拟器介绍 72.1引言 72.2电磁脉冲模拟器的构成 82.2.1高压脉冲源 102.2.2小型平板形有界波模拟器 132.3本章小结 15第三章电磁脉冲模拟器空间电场测量系统的研制 163.1测量系统的整体方案 163.2电场探头的原理 163.3信号调理电路的设计 173.3.1信号调理电路概述 173.3.2信号调理电路各部分功能及要求 173.4高速数据采集卡的选型 233.4.1ATS9350主要性能介绍 233.4.2ATS9350的内部结构 243.5本章小结 25第四章信号调理电路的PSpice仿真 264.1OrCAD/PSpice软件的构成 264.2电路模拟的基本过程 274.3信号调理电路的仿真 304.3.1激励源的设计 304.3.2整体电路设计及仿真 324.4本章小结 33总结 34致谢 35参考文献 36附录 37附录1完整的信号调理电路电路图： 37第一章绪论众所周知，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。能够经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，是其它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，不但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。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。另外，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，电场传感器一般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，电场一般是脉冲式的，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。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，测量方法总的能够分为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，很多压电场问题都能够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须。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。由于光纤能够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见于其它的测量方法。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。当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，因此经过测量该电压值就能够达到测量空间场强的目的。电场测量系统的工作原理是利用电场探头在电场中提取信号，利用光纤传输系统将此信号无畸变地送到记录或测量设备上。球型电场探头有如下优点。(1)能够很容易计算其表面电荷与电场强度的关系。(2)能够估算探头对被测电场的影响。(3)球内空间利用率高，能够把尺寸做的比较小，对电场的畸变较小。(4)球形和其它形状相比，具有较大的曲率半径，表面光滑无尖角，在其表面引起电晕的场强仅3倍于被测场强，因此比起其它型式的探头所能测量的最大场强要大些。一般球形电场探头为电容式探头，如图1-3所示：图1-3一般球形电场探头设探头中心所在的空间点为O，探头放入电场前该点的电场强度E0（无畸变场强），当把探头放入电场中点O之后，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。设半球壳表面积为A，球表面电荷的面密度为啄，则半球壳的总表面电荷为：(1-1)能够证明，球形探头放入电场之后，探头半球壳上的表面电荷量与电场强度成正比：(1-2)其中K为比例系数。这些感应电荷将在取样电容Ck两端产生一个微小的电压：(1-3)经过测量取样电容两端的电压Uk就能够得到E0(t)，这就是电容式探头测量的基本原理。经过推导计算(1-3)，得出在均匀电场中感应电压为(1-4)非均匀电场中，球形探头半径趋于园，或相比空间距离能够忽略不计时(1-5)无论在均匀场中还是在非均匀场中，采用球形探头进行电场测量时，所测空间的电场强度都与探头内取样电容两端电压成正比，因此经过测量该电压值就能够达到测量空间场强的目的。在实际应用中，K值是经过实验标定而得到。有源电光调制法在探头内还有电源，这可能对所测的电磁场造成一定影响。为了克服这种可能的不利影响，人们对探头内采用无源传感器进行了积极的探索，其中比较有代表性的是基于Pockels效应的无源电光调制法[4]。(3)基于Pockels效应的无源电光调制法许多各向同性的物质在强电场作用下出现的双折射现象，被称为电光效应。发生电光效应时，物质的折射率n与所加电场强度E的关系是：式中：n0是无电场时物质原来的折射率，a、b是电光系数；式中的第二项aE是线性关系，即是PockeIs效应；第二项bE2是二次方关系，反映的是Kerr效应。Pockels效应由于与场强大小之间具有良好的线性关系，故常被应用于电场测量。它的影响是在所调制的光信号上产生了一个与电场强度大小成正比的相位差。这种方法的优点较多，诸如探头中无电子器件和电源，探头对测点电场影响小；所测频带宽，从直流到数百MHz甚至几GHz；探头尺寸较小，位置分辨力强，能实现较为近似的点测量等。而根据实现相位差测量的结构不同，实际中又逐步发展出了偏振光法和Mach-Zehnder干涉仪法2种常见的测量系统。①基于Pockels效应的偏振光法．这是利用偏振光干涉法间接测量Pockels效应引起的相位差的，具体测量系统的原理如图4所示。电光晶体常见的材料有铌酸锂LiNbO3、Bi4Ge3O12等。图1-4基于Pockels效应的偏振光法测量原理图②基于Pockels效应的Mach-Zehnder干涉仪法偏振光法的缺点是分立的光学器件导致光路不易控制，易受干扰，且对机械应力敏感，系统稳定性差；由于Pockels晶体的体积不能太小，导致探头体积较大，影响其应用范围。为此人们提出了Mach—Zehnder干涉仪法，且研究表明它较好地克服了上述缺点，它的传感器结构见图1-5，系统原理框图如图1-6所示。图1-5基于Pockels效应的Mach-Zehnder干涉仪法图1-6基于Pockels效应的Mach-Zehnder干涉仪法所用传感器的原理图测量系统原理示意(4)有源电光调制法和无源电光调制法的比较分析有源电光调制法和无源电光调制法当前在实际的瞬态电场测量中应用较多，现对其测量带宽、可测量电场强度的范围、以及优缺点进行一个简要总结，见表1[5]。空间强脉冲电场测量技术当前还不完善，还有许多影响测量精度的因素，如测量天线的极化方向、磁场的影响、测量环境的可重复性等等。但随着电场探测器的不断改进，使用的场合越来越多，测量技术一定会更加完善，对系统电磁兼容设计、抗辐射加固和高能物理等方面的研究也必将起更大的作用。1.3课题研究的主要内容本文结合安徽工业大学电力电子与运动控制实验室中的“高重频下电磁脉冲模拟器的研究”，针对高重频EMP(电磁脉冲)模拟器的结构特点，对模拟器空间电场的测量系统进行了初步的研究与设计，主要内容如下：经过查阅大量资料，总结了空间瞬态电场测量的多种方法，进行比较，初步设计出适合本课题的测量系统。对电磁脉冲模拟器进行了概述，并对高重频EMP(电磁脉冲)模拟器的脉冲源产生原理及模拟器结构进行了介绍。对模拟器空间电场的测量系统进行了初步的研究与设计。其中包括对探头变化原理的分析；高速数据采集卡ATS9350的选用和介绍；以及对信号的滤波，衰减，隔离等信号调理电路的设计和PSpice仿真。第二章电磁脉冲模拟器介绍2.1引言中国在电磁脉冲模拟器研究方面作了大量的工作，并取得了一系列的研究成果。刘顺坤等学者采用时域积分方程对电磁脉冲模拟器空间场分布进行了数值模拟。其研究结果表明模拟器工作空间能够形成均匀电磁脉冲场，其传播具有准TEM波特征。李宝忠等学者为解决一维导体结构的电磁脉冲响应的实验困难，提出了一维电磁脉冲模拟器的概念，并从理论上研究对于电磁脉冲在一维结构上的感应电流计算的具体方法M。时域有限差分方法是—种用来直接求解含时间变量在内的麦克斯韦旋度方程组的数值计算方法。它利用具有二阶精度的中心差分近似公式，把旋度方程中对电场和磁场的各分量的微分算符直接转换成差分形式。由于该方法概念清晰，使用方便，因此特别适合于电磁场的计算。谢秦川等学者采用时域有限差分方法对电磁脉冲模拟器所产生的电磁场进行数值模拟，完整地获得了电磁场在时间空间中的分布特刎1Sl。矩量法在求解电磁场边值问题的数值计算中得到了广泛的应用，它是将线性算子积分方程按着所选则的基函数展开，得到一组离散化广义矩阵方程，经过求逆运算，得到电磁场的数值解。潘晓东等学者采用矩量法结合快速多极子方法研究了快上升沿电磁脉冲信号在有界波模拟器中的传输特性。经过对模拟器在传输不同上升沿的电磁脉冲信号时，其内部的电场计算，由此确定了模拟器所能模拟电磁脉冲上升沿的上限，其结果对设计大型、3ns窄电磁脉冲场模拟设备具有一定的参考意义。脉冲源是为电磁脉冲模拟器提供瞬态电磁能量的装置。由于所要模拟场的上升时间极短而峰值场强一般都高达数万伏／米以上，故脉冲源的建造必须采用脉冲功率技术。西北核技术研究所研制的有界波电磁脉冲模拟器主要由MARX发生器、峰化电容器、主开关、照射器、匹配负载等部分组成。其MARX发生器中的电容器充电电压为1MV，能在模拟器工作空间内产生前沿10ns，脉宽为200ns，场强大于105V／m的双指数脉冲电磁场，孙蓓云等对脉冲高压电源的工作原理、主开关暂态过程进行了分析与计算，这对模拟器的设计和调试都有一定指导意义。以上的研究都专注于电磁脉冲模拟器的物理参数的研究以及产生的电磁场的研究。随着电子技术的不断发展，自动控制技术被越来越多的应用，因此，研究电磁脉冲模拟器的自控控制将是一个新的研究方向并具有很高的研究价值，它将为电磁脉冲模拟提供更加准确、快捷的控制平台。瞬态电磁脉冲对电气、电子系统构成的威胁己经引起了人们广泛的重视。而电力系统中对瞬态电磁脉冲更为敏感，甚至导致自动控制、保护和通讯系统瘫痪。为了评估这种千扰的严重性以及研究对瞬态电磁脉冲防护效能，从而采取合适的措施以保护各种电气、电子设备的正常工作，就需要对瞬态脉冲产生的电场和磁场分别进行测量。本章介绍了本文设计的测量系统为了模拟这些瞬态干扰源而建立的电磁脉冲模拟器的结构、工作原理以及所产生电磁脉冲的特点。电磁脉冲模拟器作为高能电磁波辐射源，为研究和数值计算复杂电磁环境中的耦合等问题提供了必要的技术支持。电磁脉冲模拟器用来产生电磁脉冲对电子设备进行效应实验，对了解、认识电子设备等在电磁脉冲作用下的效应机制有很大应用价值，并为探索防护和加固技术提供重要的技术基础。因人们对波导结构及内部电磁场分布、传播过程研究较早、了解较深入，因此具有与波导类似的结构的辐射源常常作为研究高能电磁波辐射效应的辐射源，本项目拟采用有界波电磁脉冲模拟器作为辐射源。有界波电磁脉冲模拟器它采用了与波导类似的结构，其截面可用两个正交的坐标来描述，波在第三个正交坐标方向上传播。在波的传播方向上的电磁波分量很小，基本上能够看作是TEM波。在波的传播过程中，模拟器结构形成了导波的边界，故称之为有界波模拟器。2.2电磁脉冲模拟器的构成电磁脉冲具有陡峭的前沿及较窄的宽度，覆盖了较宽的频带，能经过各种耦合途径使电子元器件、线路和设备受到严重的干扰和破坏，因而，电磁脉冲及其工程防护的理论和技术依然是当今世界各大国研究的热点之一。论文在综述电磁脉冲模拟相关技术及国内外研究历史与现状的基础上，就电磁脉冲模拟的基本理论、电磁脉冲模拟器的具体设计等方面的理论和技术展开了较深入的研究与相关实验验证。核电磁脉冲模拟器按结构形式分为有界波模拟器和辐射波模拟器，由脉冲源和电磁场形成装置两大部分组成，而脉冲源一般由初级能源、中间储能装置、能量转换及传输系统组成。其中开关技术具有特殊重要的地位。电磁脉冲测量技术包括脉冲电场测量、脉冲磁场测量、脉冲电压测量及脉冲电流测量等技术。理论及仿真分析表明，当RLC回路工作在过阻尼状态时，即可在负载电阻两端获得双指数脉冲；当负载一定时，脉冲的上升时间主要决定于回路的总电感，而下降时间则决定于储能电容的大小；对地分布电容不但会影响波形参数，而且过大会引起波形振荡；气体开关间隙的火花电阻及间隙电容也是影响脉冲波形参数的不可忽略的因素，一般经过给开关冲一定压力的干燥空气或氮气，以降低开关的导通时间。论文具体设计的实验用电磁脉冲模拟器，由可调直流高压电源、储能电容器、气体火花开关及其触发控制电路、吉赫横电磁波室等部分构成。直流高压电源采用自耦调压器、升压变压器、限流保护电阻、4倍压整流电路及直流电压指示等组成，最高可产生30kV的直流高压，由于采取专门的连接结构，在解决支撑和绝缘问题的同时，很好地消除了沿面闪烁和局部放电现象。设计的同轴一体式开关既具有良好屏蔽效果又有助于减小脉冲上升时间。理论和仿真分析及实验表明，电缆连接器采用内外导体阶梯错位的结构有助于降低驻波比，电阻分压器接入端阻抗失配将引起脉冲波形振荡及上升时间加长，采用端接阻尼电阻。模拟器脉冲源的输出峰值电压达26kV，上升时间为2.5ns左右。电磁脉冲模拟器就是能够根据试验所要求的电磁脉冲特性，为试件提供特定的电磁脉冲环境，而且在激励事件的同时，不因自身的存在而严重改变试件所在处的场强分布。由于试验目的和被试对象的多样性使得电磁脉冲模拟器的形式繁多。从20世纪60年代以来，世界各国就建立了许多电磁脉冲模拟器，它们大小不一，形状各异。核电磁脉冲模拟器按结构形式分为有界波模拟器和辐射波模拟器，按电场强度分为威胁量级和亚威胁量级两类模拟器。随着模拟技术的发展，C.E.Baum于1978年按所须模拟的电磁脉冲环境。将模拟器分为4类：源区外电磁脉冲环境模拟器、地面附近核爆炸源区内电磁脉冲环境模拟器、空中核爆炸源区内电磁脉冲环境模拟器、高空核爆炸源区内系统电磁脉冲模拟器，较为典型的模拟器有：(1)有界波模拟器有界波模拟器，采用了与波导类似的结构，故也称导波型模拟器，其截面可用两个正交的坐标来描述。波在第三个正交坐标方向上传播，基本上是TEM模。只要频率不是太高(波长大于导波结构截面几何尺寸)，对这类模拟器可按传输线理论加以分析，因而又称为传输线型模拟器。(2)偶极子模拟器对于源区外电磁脉冲辐射场环境的模拟，当要考虑存在地面反射的情况时，常采用偶极子模拟器。这类模拟器常见的电场照射器就是典型的偶极子天线。(3)静态模拟器静态模拟器是一种结构尺寸远小于激励信号波长的模拟器。故常称其为驻定场模拟器。它适用于对低频场或准静态场的模拟。由于产生的模拟场不传播，也称之为零维模拟器。这种模拟器的理想之处在于，它所产生的入射场在被试系统附近都是均匀的。(4)混合型模拟器混合型模拟器综合了偶极子模拟器和静态模拟器的主要特点。(5)定向辐射模拟器定向辐射也是系统远离模拟器结构的一种模拟方法。所谓定向辐射是相对于偶极子模拟器无方向性的辐射而言的，它将脉冲有限的能量集中在一定的角度范围内辐射，借以提高模拟器的效率。(6)源区电磁脉冲环境的模拟电磁脉冲源区是康普顿电流分布的区域，源区内的空气介质具有随时间非线性变化的电导率，并在其中形成传导电流。如果核爆炸在地面附近发生，大地岩土介质的电导率也将发生变化。E／H比值也不像自由空间那样呈简单的常数关系。另外，γ和中子的效应也很重要。因此源区是一个多变量的复杂环境。如果要把源区所有的特性准确的模拟出来。无疑是一个十分困难的问题。就当前的技术水平来看，根据研究问题的需要，建造一些只能产生部分源区特性的模拟器是可能的，特别是对大型的试验系统，一般只能考虑单一因素或特别感兴趣的某些因素的模拟．只有对很小的试验系统的一个小部分上产生“全部”源区环境是可能的。但不论何种模拟器，都是由脉冲源和电磁场形成装置两大部分组成的。本文实验所用的电磁脉冲模拟器系统由高重频脉冲源分系统、小型平板形有界波模拟器分系统构成，其结构图如图2-1：图2-1电磁脉冲模拟器系统总体设计框图2.2.1高压脉冲源脉冲源是电磁脉冲模拟器中为电磁脉冲形成装置提供电磁能量的装置。脉冲源一般为峰值电压达数千伏至数兆伏的高压脉冲发生器，其输出的脉冲能够是单次的或以一定频率重复的波形。由于所要模拟的电磁脉冲的上升时间极短而且峰值长枪比较高，故脉冲源的建造必须采用脉冲功率技术。所谓脉冲功率技术(ulsedpowertechnology)是指将很大的能量(一般为几百千焦耳至几十兆焦耳)储存在储能元件中，然后经过快速开关(动作时间在纳秒左右)将此能量在纳秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高的功率。它是一种电物理技术，也是纳秒脉冲电子学。是通用高电压技术以及应用物理学相结合的产物。脉冲功率系统包括初级储能、脉冲储能和传输几部分．初级储能常采用马克斯发生器或脉冲电容器组、脉冲变压器(包括直线型和特斯拉型)等。脉冲储能主要有传输线型的电容储能(包括同轴型和平板型)和电感储能(同轴型和螺旋线型)方式，它们分别经过高功率闭合开关和断路开关，实现电脉冲压缩和功率放大．脉冲储能能够由一级或几级组成，末级也有采用磁感应方式，实现脉冲电压倍加(又称感应电压加法器)、能量会聚，最后经过真空磁绝缘传输线把能量传输给负载。脉冲功率系统的复杂程度决定于负载对它的要求、系统开关性能和初级储能向脉冲储能放电的快慢程度。脉冲功率装置不但成为脉冲辐射模拟的最有效的实验手段，而且在惯性约束(ICF)、新概念武器(激光武器、微波武器、电磁脉冲弹、粒子束武器、电磁炮、电熟炮等)等国防和能源领域研究中得到重要应用，在其它民用领域中也有广阔的发展前景，如脉冲x射线源用于消毒灭菌。脉冲离子束源用于材料表面改性，以及利用脉冲功率装置进行脱硫、脱硝、污水净化等环保应用和作为石油开采、勘探的供能系统，乃至医疗上对人体内结石破碎等。脉冲功率技术是以20世纪60年代英国原子武器研究中心(AWRE)的马丁(JCMartin)领导的研究小组，基于经典的Marx发生器技术，创造用于核武器强脉冲T射线效应模拟的高压脉冲传输线型强流脉冲电子加速器为标志而迅速发展起来的i3s脉冲源一般采用双指数波形，这种波形能够用RC放电回路实现，其原理图如图2-2所示：图2-2脉冲发生器放电回路图中C为充电电容，R为负载，K为脉冲发生器放电回路开关，L为放电回路分布电感，E为充电电压。结合初始条件，此放电回路方程的解为（2-1）式中，，，一个典型的双指数波模拟波形如图2-3所示：图2-3一个典型的双指数波模拟波形由于分布电感的存在，使放电回路的电流上升沿的存在，使脉冲包含的高频分量的幅值变低了，因此，要达到模拟实际电磁脉冲爆炸效果，应尽量减少脉冲的上升时间。利用较低的工作电压获得较高的脉冲电压输出，一般的做法是利用变压器升压，然而，由于有界波模拟器脉冲源的脉冲需要纳秒级的上升前沿，升压变压器的漏感较大，影响脉冲的前沿，因此，直接采用变压器升压的方式不大合适，考虑到这些因素后，本实验拟采用感应叠加技术，其电路拓扑如图2-4所示（图中只画出了2级叠加，实际采用5级）：图2-4感应叠加式输出系统由多个独立的感应叠加子系统构成，共同连接到同一个模拟器负载，如图2-4所示。这样，经过控制触发时序，我们即可在负载上得到需要的重频脉冲，由此可见，采用不同级数的感应叠加的输出方式后，选用氢闸流管峰值阳极电压要求能够成倍降低，如选用33kV的峰值阳极电压氢闸流管，只用2级即可满足输出电压要求。采用感应叠加输出的方式还有如下优点：①有效减小放电回路分布电感，进一步提高脉冲上升沿。②系统5个独立的电磁脉冲模拟发生器完全实现物理上的隔离，减少电磁脉冲模拟发生器间的连续放电干扰。③方便实现输出极性的转换。④减轻充电电源及部分裸露导线联接部分的电晕放电，增加电源的可靠性。由于真实的电磁爆炸电磁脉冲上升沿极快，为了模拟真实的电磁爆炸，要求脉冲源输出脉冲有很快的前沿，其前沿时间一般在20ns之内，脉冲的上升时间主要由分布电感和负载两个因素决定，负载由模拟器和吸收负载等2部分组成，平板型模拟器前过渡段、平行板段、后过渡段、终端匹配负载等几个部分组成，体积较大，回路较长，显然经过优化放电回路的结构（如合理走线等），能够有效减少分布电感，除合理走线等工程常规措施外，采用同轴屏蔽结构的输出方式被认为是最有效的技术手段。如此，按照本实验设计要求，峰值电压约在19ns左右出现，其从90%-10%的下降沿约为370ns，设计归一化后的输出波形如图2-5：图2-5脉冲激励峰值电压归一化2.2.2小型平板形有界波模拟器本文所用到的模拟器是小型平板形有界波模拟器，有界波EMP(电磁脉冲)模拟器是模拟高空HEMP(核爆炸电磁脉冲)早期辐射环境的装置，经过产生雷电及核电磁脉冲环境，进行EMS的各种效应试验，该装置广泛应用于电子设备和分系统EMP辐射敏感度测试、屏蔽室电磁脉冲屏蔽效能测试等。有界波电磁脉冲模拟器它采用了与波导类似的结构，其截面可用两个正交的坐标来描述，波在第三个正交坐标方向上传播。在波的传播方向上的电磁波分量很小，基本上能够看作是TEM波。在波的传播过程中，模拟器结构形成了导波的边界，故称之为有界波模拟器。如图2-6所示，有界波平板式电磁脉冲模拟器主要由脉冲源、前过渡段、平行板段、后过渡段、终端匹配负载等几个部分组成，模拟器上半部分与下半部分关于Y轴对称[1]。图2-6平行金属板有界波模拟器的结构模拟器的电磁特性是由脉冲源的等效电容和电感以及传输线的阻抗3个要素决定的。由脉冲源的电容和传输线阻抗构成脉冲衰落部分的时间常数，而脉冲上升时间的时间常数则与脉冲源的电感成正比，与传输线的阻抗成反比。场强的峰值则与脉冲源的工作电压(V0)成正比而与工作空间高度(h)成反比，即：一般脉冲源的几何尺寸相对于工作空间要小得多，为了保证脉冲源激励的电磁波无及射、无损耗的传输到工作空阀，必须引入一前过渡段，要求从过渡段到工作空的阻抗不变。对平行段，其传输线线阻抗为工作空间高与宽之比的函数，近似为式中：h——平行传输线的高度，单位(米)a——平行传输线的半宽度，单位(米)理论表明只要做到过渡段各截面的高度比不变，其阻抗就能保持不变。于是将过渡段设计为锥板状。同样的理由，为消除终端反射，所用电阻性负载与平行线板之间也需要这样一个成过渡段。在前过渡段中，波基本以球面波的形式传播，为使工作空间的波前接近平面波，前过渡段的长度应为工作空间高度的两倍以上。在有界波模拟器设计时，我们遵循如下原则：(1)有效性原则。即有界波模拟器其工作空间内电磁场分布及传播应尽量能模拟真实的电磁爆炸过程。在工作区域内传播的电场要尽量均匀，并以TEM波的方式传播，即如图30所示电场应该主要为垂直分量，水平分量尽可能的小。由理论分析及仿真结果可知：在模拟器前后过渡段各尺寸以及工作区间的高度和长度均不变时，随着工作区间宽度的增加，垂直电场分量会逐渐变大,其余方向的电场分量逐渐减小，电磁波传播模越来越接近TEM模。因此适当增加工作区的宽度能够更好地获得真实的电场分布；同时过渡段和工作区连接处的连续性会决定模拟器表面电流分布的连续性，而在连接处的不连续性会导致工作区电场在峰值点附近有一定的小起，影响电场的均匀性。因此过渡段的几何结构必须和工作区的几何尺寸结合起来共同优化设计，降低不连续性；端口的阻抗匹配程度差不可避免地会存在反射波，模拟器内空间的电场是入射波电流产生的电场和反射波电流产生的电场的矢量叠加，从而将会导致电场分布偏离理想的分布，精确的阻抗匹配能够在频域经过实验的办法解决。(2)可测量性原则。该原则在要求有界波模拟器其工作空间内电磁场分布尽可能均匀，不出现突变的奇点的情况下，还要考虑电压测试探头的寄生效应对工作区域内电场的影响程度小，因此在设计或选用探头时必须考虑到模拟器的几何结构。(3)经济性原则。设计出小型化但同时满足前两项原则的有界波模拟器。经优化计算，本实验所建立如图13所示的平板型有界波模拟器，该空间结构尺寸的平板型有界波模拟器其前过渡段、平行板段、后过渡段阻抗均为170Ω。图2-7本实验所设计平行板型有界波模拟器结构2.3本章小结本章主要介绍了电磁脉冲模拟器的相关知识。其中包括电磁脉冲模拟器的构成部分，高压脉冲源的介绍和技术要求和小型平板形有界波模拟器设计。第三章电磁脉冲模拟器空间电场测量系统的研制3.1测量系统的整体方案本文所设计的测量系统目的在于将瞬变的空间电场信号经过采集，在上位机中显示。其中，要获取电场信号必须有能够感应电场的探头，既电场传感器；之后，探头输出的信号经过滤波、衰减、隔离等一些处理后进入高速数据采集装置；在软硬件相结合的环境下，高速数据采集卡将采集的数据进行转换、储存，最后在上位机中显示。系统框图如图3-1：图3-1测量系统框图3.2电场探头的原理偶极子传感器的原理图如图3-2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。(a)偶极子(b)等效电路图3-2偶极子传感器的原理图由图15(b)等效电路可得电压VO的表示式：(3-1)式(3-1)中的转折频率为1/(CZC)，在低频段，感应电压VO与电场强度的关系是：(3-2)其中θ是偶极子矢量与电场强度矢量之间的夹角，经过对感应电压VO的积分运算来确定电场强度，而积分运算可采用无源积分器来实现。在高频段，感应电压VO与电场强度的关系是：(3-3)式(3-3)中感应电压VO与电场强度的关系表现出线性特性，因此，为了实现保持这种线性关系，可经过匹配负载阻抗Zc和提高偶极子传感器的等效电容来实现。电磁脉冲模拟器电场测量可按式(3-3)高频近似法来计算并设感应电压VO的标定系数为Kv，则电场强度可表示为：(3-4)测量的电压经式(3-4)换算可得到电场值[3]。3.3信号调理电路的设计3.3.1信号调理电路概述送入数据采集系统的各种待转换物理参数如温度、压力、位移、流量等都是模拟量。首先要把这些模拟量转换成电信号，才能由电路实现进一步的处理。把各种物理量转换成电信号的器件称为传感器。传感器给出的电信号往往远不是所需要的理想状态，这就需要对信号加以调理。一般的数据采集系统分为模拟信号调理部分和数字部分。其中模拟部分完成输入阻抗变换、根据信号大小进行增益调节及抗混叠滤波等，因此模拟信号调理电路在数据采集系统中具有重要的作用。对环境噪声的抑制能力、自身对有用信号的干扰和采样精度等都是模拟信号调理电路中必须要考虑的问题。特别是对信号幅度微弱、干扰和噪声幅度大、精度要求高、动态范围大、数据的时实性要求高的情况。对模拟信号的调理提出了更高的要求[6]。本文中设计的信号调理电路是之后高速数据采集的基础，要完成宽带，高幅值，高速的信号调理，需要考虑到器件的选型等多方面问题，要实现对输入信号的滤波、衰减、隔离等功能，最终将传感器最初的输出信号调理成能被高速数据采集卡所利用的信号。信号调理电路原理框图如图3-3：图3-3信号调理电路原理框图3.3.2信号调理电路各部分功能及要求1、阻抗匹配负载阻抗与电源内阻抗或与传输线波阻抗之间的特定配合关系。信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间的特定配合关系。一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系，以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。对电子设备互连来说，例如信号源连放大器，前级连后级，只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上，就可认为阻抗匹配良好；对于放大器连接音箱来说，电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱，而晶体管放大器则无此限制，能够接任何阻抗的音箱。图3-4阻抗匹配对于低频输入的数据采集场合中，理想的情况是采集系统对于被测信号能够近似为开路，这样才使得被测信号不会因为测试设备作为负载，而对源信号干扰。而对于高频模拟、数字信号的采集场合中，必须保证源阻抗与目标阻抗匹配，才能保证信号传输过程中不反射到被测信号源中。这就需要在数据采集的前端加入阻抗匹配的环节。阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份只是数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。在这个条件下，从信号源到负载传输的能量最大。另外，为有效传输功率，满足这个条件能够避免能量从负载反射到信号源，特别是在诸如视频传输、RF或微波网络的高频应用环境更是如此。阻抗匹配时，传输不会产生反射，这表明所有能量都被负载吸收了，反之，则在传输中有能量损失。为了防止信号的反射，要求是线路的阻抗为固定值，这是个大约的数字，常见归一化的阻抗为标准值[6]。本实验所用激励源内阻测量方法如图3-5所示：图3-5激励源内阻测量方法在探头电路中串入阻值为1K的电阻，打开脉冲激励源，用示波器测量UR，U，计算出信号调理电路激励源（既探头输出）的内阻r，测量结果与计算过程如下：这样在信号调理电路中串入一个与激励源内阻r=689欧的电阻既可实现阻抗匹配。2、滤波滤波是信号处理中的一个重要概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都能够被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常经过，而阻止另一部分频率成分经过的电路，叫做滤波电路。滤波本质就是使用具有频率选择特性的器件让一些频率成分经过，另一些成分压制。分离元件电容和电感都具有频率选择特性，因此都能够作为滤波器组成部件使用，常见的是电容。电阻和电容组合构成最基本的一阶滤波器，电容具有通高频阻低频作用。电阻，电容和运放结合能够构成二，三，高阶滤波器。常见的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。若滤波电路元件仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波（包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等）。若滤波电路不但由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。无源滤波电路的结构简单，易于设计，但它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，因而不适用于信号处理要求高的场合。有源滤波电路的负载不影响滤波特性，因此常见于信号处理要求高的场合。有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，同时还能够进行放大。但电路的组成和设计也较复杂。有源滤波电路不适用于高电压大电流的场合，只适用于信号处理。为了设计简单，节约成本，本实验将采用无源高通滤波，滤波电路如下：图3-6无源高通滤波原理电路图此时，滤波器的截止频率为：3、衰减由于实验所用模拟器是小型平行板有界波模拟器，空间电场大约在50000V/m，由偶极子传感器感应出的电压信号大约为30V（示波器测得），而所用后续高速数据采集卡的输入电压范围为±40mV到±4V，因此要设计一个衰减倍数约为10的衰减环节。本设计采用运放组成的衰减器，由于信号调理电路所接受的信号为快沿双指数波，因此对运放的速度，带宽以及输入阻抗都有很高的要求。对高速模拟信号的放大和衰减过程中，对运算放大器指标的首要要求就是其带宽，常见的高频运算放大器分为电流反馈型和电压反馈型。(1)基于电压反馈性运算放大器的设计方案电压反馈运算放大器，其具有较小的输出阻抗，简单易用的特性，常被用做运算电路。可是由于电压反馈运算放大器的带宽，随着增益的增加而降低，导致其动态范围有限，因此本电路不适合带宽很高的信号调理电路。(2)基于电流反馈性运算放大器的设计方案由于电流反馈运算放大器其较高的带宽、较低廉的价格，使其常见作高速模拟电路的信号调理过程中。电流反馈放大器不受基本增益带宽积的限制，随着信号幅度的增加，带宽的损失非常小。因为能够在最小失真的条件下对大信号进行调节，这些放大器在非常高的频率下一般都具有优异的线性度。电流反馈放大器在很宽的增益范围上维持其大部分带宽不变。因此，电流反馈放大器非常适合作为放大、衰减电路中的运算放大器[6]。根据以上设计要求，选用analogdevices公司的AD8009。AD8009是一款超高速电流反馈型放大器，电压摆率达到惊人的5,500V/µs，上升时间仅为545ps，因而非常适合用作脉冲放大器。高压摆率可降低压摆率限幅效应，使大信号带宽达到440MHz，小信号带宽达到1GHz。其引脚配置如图3-7：图3-7AD8009引脚配置传统的用运算放大器组成的反相衰减器如图3-8所示：图3-8传统反相衰减器在电路中R2要小于R1。这种方法是不被推荐的，因为很多运放是不适宜工作在放大倍数小于1倍的情况下。经改良的方法是用图3-9的电路。图3-9反相衰减器改良设计在表2中的一套规格化的R3的阻值能够用作产生不同等级的衰减。对于表中没有的阻值，能够用以下的公式计算R3＝(Vo/Vin)/(2-2(Vo/Vin))如果表中有值，按以下方法处理：为Rf和Rin在1K到100K之间选择一个值，该值作为基础值。将Rin除以二得到RinA和RinB。将基础值分别乘以1或者2就得到了Rf、Rin1和Rin2。在表中给R3选择一个合适的比例因子，然后将她乘以基础值。比如，如果Rf是20K，RinA和RinB都是10K，那么用12.1K的电阻就能够得到－3dB的衰减。表2规格化阻值表4、隔离隔离，顾名思义就是"与之相隔，使其分离。"当然我们在这里谈的则是另一种情况，我们只是让其分隔，但却没有相离。因为她们之间还是要有通讯功能。在电子电路中主电路和控制电路要进行电气隔离，一是为了安全，因为主回路和控制回路工作电压等级不一样、电流大小也不一样，各有各的过流保护系统。强电进入弱电系统会对弱电系统造成损坏；二是为了弱电系统的工作稳定性，因为弱电系统特别模拟量型号很容易受到电磁干扰。本实验采用变压器隔离，隔离变压器的原理和普通变压器的原理是一样的。都是利用电磁感应原理。隔离变压器一般是指1：1的变压器。由于次级不和地相连，减小了交流电中的谐波和杂散磁场产生的微小电流，且次级任一根线与地之间没有电位差，使用安全。一般变压器原、副绕组之间虽也有隔离电路的作用，但在频率较高的情况下，两绕组之间的电容仍会使两侧电路之间出现静电干扰。为避免这种干扰，隔离变压器的原、副绕组一般分置于不同的心柱上，以减小两者之间的电容。隔离变压器的主要作用是：使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离。另外，利用其铁芯的高频损耗大的特点，从而抑制高频杂波传入控制回路。用隔离变压器使二次对地悬浮。此时，系统的对地电容电流小得不足以对人身造成伤害。还有一个很重要的作用就是保护人身安全，隔离危险电压。3.4高速数据采集卡的选型经过信号调理电路调理后的信号将被送到采集卡进行采集，转换，储存，最后在上位机上显示出来。本实验最大的难点在于系统传输的信号为瞬态信号，前沿只有20ns。因此为了能更好的还原采集的波形，必须选用采样速率很高的超高速数据采集卡。经过大量资料的收集与比较，最终选定加拿大AlazarTech公司的高速数据采集卡ATS9350。3.4.1ATS9350主要性能介绍图3-10ATS9350实物(1)每通道实时采样率：500MS/s；(2)1.4GB/s的PCIex8的传输速率；(3)2通道，分辨率12位；(4)500MHz到1MHz的外部时钟；(5)250MHz的全功率带宽；(6)输入范围：±40mV到±4V；(7)信噪比：60.55dB；(8)NIST可追踪校准；(9)连续流模式；(10)半长PCIex8卡；(11)可达2GB双端口存储；(12)输入和输出触发接插件；(13)AlazarDSO示波软件；(14)软件开发工具包支持C/C++,C#,VB和LabVIEW；(15)支持Linux驱动程序。3.4.2ATS9350的内部结构图3-11ATS9350的内部结构图ATS9350硬件系统以现场可编程门阵列FPGA（FieldProgrammableGateArray）为核心，由高速A／D转换、动态随机存取存储器DDR2SDRAM、PCI接口等一系列外围电路组成。ATS9350的输入端有一个ECLK（外部时钟）能够为ATS9350提供外部时钟。CHA和CHB为两个模拟输入通道。TRIGIN为外部触发通道。AUXI/O为辅助输入输出通道。ATS9350使用了2个最大转化率为500M/s的模数转换器ADCA和ADCB，能够在500MHz的输人数据速率下保证12bit的精度。FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。系统经过FPGA来实现高速数据缓存及逻辑控制。DDR2SDRAM简称DDR2是第二代双倍数据率同步动态随机存取存储器（Double-Data-RateTwoSynchronousDynamicRandomAccessMemory），是一种电脑存储器规格。3.5本章小结本章对空间电场测量系统进行了初步的研究与设计，包括电场探头的原理研究，信号调理电路的设计，高速采集卡的选型和ATS9350的简单介绍。其中对信号调理电路中几个重要的部分作了详细的分析和设计，着重介绍了阻抗匹配，运放构成衰减电路，隔离等的实现方法。第四章信号调理电路的PSpice仿真4.1OrCAD/PSpice软件的构成OrCAD/PSpice是一个通用电路仿真软件，不但可对模拟电路、数字电路和模/数混合进行模拟，而且具有优化设计的功能。本章在介绍OrCAD/PSpice软件结构和功能特点的基础上，重点介绍使用OrCAD/PSpice对通道调理电路进行原理性仿真。PSpice软件的构成以及OrCAD软件包中与PSpice运行有关的模块之间的关系如图4-1所示。图4-1PSpice软件构成与配套模块1.Capture是PSpice的前端模块，向PSpice提供电路的拓扑结构、元器件的参数值等信息。同时说明分析类型、设置分析参数。在Capture环境下，还能够控制本节介绍的其它配套模块的运行[9]。2.激励信号波形编辑软件StmEd（StimulusEditor）该程序为信号源编辑程序。PSpice中信号源的种类比较丰富，如模拟独立信号源有正弦源、脉冲源、指数源、分段线性源、单频调频源等。该程序能够交互方式生成电路模拟中需要的各激励信号波形。包括：瞬态分析中需要的脉冲、分段线性、调幅正弦、调频和指数信号等波形；逻辑模拟中需要的时钟信号、各种形状脉冲信号以及总线信号。3.模型参数提取软件ModelEd（ModelEditor）仿真软件中，电路元器件模型参数的精度很大程度上决定着电路的分析精度。尽管在元器件模型库中已经包含了大量的元器件模型，但在实际应用中有时仍需用户自己确定元器件模型。ModelEd软件的主要功能是从器件特性中提取模型参数，利用厂家提供的元器件手册中给出的有源器件及集成电路的特性参数，采用曲线拟合等优化算法，计算并确定相应的模型参数，得到参数的最优解．建立有源器件的PSpice模型及集成电路的PSpice宏模型。ModelEd还允许用户修改库文件中已有的器件模型参数或器件方程，以重新建立器件模型。4.电路模拟程序PSpice该程序为电路模拟计算程序，是PSpice软件的核心部分。它将用户输入文件的电路拓扑结构及元器件参数信息形成电路方程，求方程的数值解。PSpice不但可对模拟电路进行计算机辅助分析，而且可对数字电路、数/模混合电路进行计算机模拟。5.模拟结果波形显示和分析模块PSpice/ProbeProbe程序为PSpice的输出图形后处理程序。它能够起到万用表、示波器和扫频仪的作用，把运行结果以波形曲线的形式非常直观地在屏幕上显示出来，显示方式也是多种多样的。该模块具有3种主要功能：①显示电路中的节点电压、支路流波形。可根据需要在电路图中修改设计，再重新进行电路模拟，显示信号波形，直到电路设计满足要求为止。②模拟结果的再分析处理。Probe可对显示的波形进行多种数学分析，提取特征参数（例如带宽等），并可进一步得到这些特征参数与电路中元器件的关系，以实现电路的优化。③数字电路中逻辑错误问题的检测。在显示逻辑模拟结果波形时，Probe可检测出电路中存在的冒险竞争、时序错误等问题，并能够将出错位置标在电路中。6.优化程序OptimiterOptimiter优化模块可帮助用户改进电路设计。它根据用户规定的电路特性约束条件，经过大量的计算自动调整电路元件的参数，以达到某一电路指标要求。4.2电路模拟的基本过程采用PSpice软件对电路设计方案进行电路模拟的基本过程共分8个阶段如图4-2所示[9]。图4-2电路模拟的基本过程1、建设计项目ProjectProject是用来管理相关文件及属性的。对要进行模拟分析的电路设计项目，由项目管理器对该项目涉及的电路图、模拟要求、图形符号库、模型参考库和输出结果等实施管理。项目管理器包含3大类文件：(1)电路设计文件（DesignResouces）(2)结果输出文件（Outputs）(3)与PSpice运行有关的文件（PSpiceResources）启动Capture软件后，执行File/New/Project子命令。2、绘制原理图原理图的绘制包括以下步骤：(1)放置元器件（Placepart）在Capture中，调用器件非常方便，即使您不清楚器件在库中的名称，也能够很容易查找并调出使用。使用CaptureCIS还能够让您经过Internet到Cadence的数据库（包含1万多个器件信息）里查找器件。(2)连线及放置数据总线(Placewireorbus)在电路图中放置好元器件后，就需要画互连线，以实现元器件间的电气连接。为了保证互连线与元器件引线的准确对接，应选择“SnapToGrid”按钮。(3)放置网络名称(placenetalias)网络名称表示电路中各个元器件之间的连接关系，电路中不同位置的网络名称，即使未使用互连线连接，只要网络名称相同就表示电气上是相连的。(4)放置电源和地(placepowerorground)Capture符号库中有两类电源符号：一种是CAPSYM库中提供的电源符号，这种符号只表示该处要连接的是一种电源，它们本身不具备任何电压值；另一种是SOURCE库中提供的，这些符号真正代表激励电源，经过设置可给它们赋予一定的电平值。“接地”符号的情况同样如此，调用PSpice对电路进行仿真时，电路中一定要有一个单位为零的接地点。(5)放置阶层及阶层管脚对于一张大的原理图来说，一般都是把它分割成多个模块，再对子模块进行组合。Capture支持采用阶层的方式来设计，即用一个方块来代替一个功能模块，进入阶层时，Capture会自动把阶层的管脚关系引入到阶层原理图里。(6)原理图绘制后续处理原理图绘制好之后，还要对电路图进行以下处理：a、元器件统一编号：一般，设计者都需要对器件编号进行从新排序。b、DRC检测(DesignRulesCheck)：检查连接关系是否违背设计规则。c、生成网络表：网络表是电路图与电路仿真、PCB设计之间的联系。d、生成材料清单：列出电路中每个元器件的信息及所需的数量等。3、设置仿真参数生成电路图后，根据电路设计要求确定要仿真的类型并设置仿真参数。OrCAD/PSpice版本9（本设计所用版本）将基本直流分析、直流DC扫描、交流AC扫描和瞬态TRAN分析作为4种基本的仿真类型。每种分析包括温度特性分析、参数扫描、蒙托卡诺统计分析、最坏情况分析等。对电路的不同要求，能够经过各种不同类型仿真的相互结合来实现。4、运行仿真设置好仿真类型和仿真参数后，即可调用PSpice对电路进行仿真。模拟结束后生成以.dat和.out为扩展名的两种结果数据文件。5、结果分析运行PSpice仿真程序和输出观察模拟运行结果是紧密相连的两件事。完成电路模拟分析后，可经过Probe显示仿真结果的波形（.dat文件）或查阅文本输出（.out文件）。当然，如果电路中存在问题或仿真参数设置不当，仿真将不能顺利进行，这时屏幕上会显示出错信息。应根据出错信息采取相关措施，然后重新进行仿真。运用PSpice对通道调理电路的各部分进行分析，使用PSpice时绘制原理图应该注意：(1)新建Project时应选择AnalogorMixed-signalCircuit(2)调用的器件必须有PSpice模型(3)原理图中至少必须有一条网络名称为0，即接地。(4)必须有激励源。(5)电源两端不允许短路，不允许仅由电源和电感组成回路，也不允许仅由电源和电容组成的割集。6、电路优化设计对于模拟电路，能够在模拟电路的基础上调用PSpice中的优化模块Optimiter，进一步对电路进行优化，提高设计质量。7、分析判断电路性能是否满足设计要求经仿真运行，若电路性能指标不能达到设计要求，可经过修改电路结构及器件参数重复重复上述过程．直到最终得到满足技术要求的电路设计方案。8、设计结果输出经过上述几个阶段，得到符合要求的电路设计后，输出设计方案。4.3信号调理电路的仿真4.3.1激励源的设计本文所设计的信号调理电路的激励源为探头感应脉冲电场所所产生的电压脉冲信号，为双指数波，可设计如下电