基于SOPC的便携式瞬态电磁脉冲电场测量仪研制

作     者：廖智 

作者单位：西华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董秀成;蒋礼平

授予年度：2023年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：瞬态脉冲 平板单极子 电场测量 电磁脉冲电场 脉冲测量 

摘      要：瞬态脉冲又称冲击信号、瞬态脉冲或者非正弦信号。瞬态脉冲是一种上升时间快,尖峰持续时间短的纳秒级别的信号,其广泛存在于核爆、闪电、静电放电、地震、高压输电和高功率电磁脉冲武器等各种场景。测量瞬态电磁脉冲电场的重点是需要准确测量并还原脉冲波形,同时在测量过程中需要采取措施确保测量数据的准确性,并且能够对测量数据进行有效的保存、传输和处理。为了便于现场测量瞬态电磁脉冲电场,本文在数字信号型瞬态电磁脉冲电场测量系统的基础上,研发出一种基于SOPC（System On Programmable Chip）的便携式瞬态电磁脉冲电场测量仪。该测量仪体积仅65×120×30mm,携带方便,抗干扰能力好,精度高,波形还原能力好。本文研制的瞬态电磁脉冲电场测量仪可采集瞬态电磁脉冲电场信号,采样率可达1.5GS/s。另外该测量仪搭载了嵌入式Linux系统,无需连接上位机或示波器便可以实现现场波形还原和数据共享。该测量仪可测量强度为±50KV/m的瞬态电磁脉冲电场,采用AC（Alternating Current）转直流或电池供电,支持触摸功能,可以通过以太网接口接入网络。本文依据技术指标要求设计了一款平板单极子天线作为瞬态电磁脉冲电场测量仪的感应天线。相比于传统电磁脉冲电场感应天线体积更小,使用更灵活。瞬态电磁脉冲电场测量仪测量瞬态电磁脉冲电场并对采集的电场数据还原成波形现场显示。测量数据保存在SD（Secure Digital）卡中,可以通过以太网接口共享数据。本文设计了瞬态电磁脉冲电场测量仪的电路原理图,并设计了PCB（Printed Circuit Board）电路板。瞬态电磁脉冲电场测量仪的电路板包含信号采集、主控、缓存、SD卡、以太网和显示器等模块。瞬态电磁脉冲电场测量仪程序分为底层裸机程序和顶层应用程序。本文设计了瞬态电磁脉冲电场测量仪的底层软核和硬核程序并进行了仿真测试。瞬态电磁脉冲电场测量仪的底层设备需要应用软件程序进行控制,本文将Linux操作系统移植到测量仪中,并为硬件接口设计了相应的驱动程序。此外,本文还设计了一款配套的瞬态电磁脉冲电场测量仪控制软件以实现对瞬态电磁脉冲电场测量仪各项功能的管理控制。最后,本文对瞬态电磁脉冲电场测量仪进行系统联调,完成各项功能测试,并在实验室使用瞬态电磁脉冲电场测量仪对模拟器产生的脉冲信号进行测量,实验结果表明,本文研制的瞬态电磁脉冲电场测量仪对强电磁脉冲电场的测量精度较高,实现了对高速信号有效数据的分离保存,高保真地还原了脉冲电场波形。