一種具有大動態範圍的電磁場檢測前端電路的製作方法

2023-09-12 09:42:10

本發明涉及電磁場檢測領域，具體涉及一種具有大動態範圍的電磁場檢測前端電路。

背景技術：

電磁輻射是一種看不見、摸不著、難以感知的「隱形汙染」。戰場複雜電磁環境中的電磁輻射一方面威脅作戰人員的人身安全，另一方面幹擾危害武器裝備中電子設備的正常工作。電磁場分析儀可以滿足複雜電磁環境輻射強度測試和裝備維護的需求，在人員及裝備的電磁輻射危害防護、電磁安全區域界定、電磁兼容環境監測以及計量等方面具有明確的軍事需求和良好的應用前景。目前市場上的電磁場分析儀產品較少，技術公開較少，傳統的信號採集方案採集信號，通過放大，最後傳輸到ADC以及MCU處理。但是傳統的電磁場分析儀的電路形式不同頻率的同等強度的場信號響應差別比較大，無形中減小了能檢測到信號的動態範圍。

現有電磁場分析儀器動態範圍較小，比較前沿如ARWORLD公司的儀器電場測量範圍0.2-20000V/m，動態範圍為100dB。對於電磁場分析儀，硬體電路的性能直接決定了整機的性能，特別是在動態範圍和精度方面。典型的電磁場檢測前端電路如圖1所示，該方案電場和磁場採用相同的採集電路，1-1是感應線圈或者電容板、1-2到1-6組成信號濾波系統、1-7和1-8組成匹配系統、1-9低噪放採用電壓跟隨的形勢、1-10是濾波組件、1-11是模數轉換器、1-12是數字處理系統。採用此種形勢的電路，在DC-100KHz範圍內，對於統一場強不同頻率的信號，到達ADC前端的電壓信號幅度相差3000倍左右。現有方案和產品動態範圍相對小，比較高端產品在100dB左右。精度較低，高端產品電場精度在0.2V/m，磁場精度在20nT左右，當精度和動態範圍有更高要求，上述方案並不能滿足設計要求。

技術實現要素：

針對現有的電磁場分析儀存在的動圖範圍較小，測試精度低的問題，本發明提供了一種具有大動態範圍的電磁場檢測前端電路。

本發明採用以下的技術方案：

一種具有大動態範圍的電磁場檢測前端電路，包括電場檢測前端電路和磁場檢測前端電路，所述電場檢測前端電路包括電容板，電容板上依次串聯有第一電阻、第一運算放大電路、第二電阻和第一電容，第一運算放大電路包括第一運算放大器、並聯在第一運算放大器上的第三電阻和並聯在第三電阻上的第二電容，在第一電阻與第一運算放大電路之間還分別連接有第四電阻、第一信號開關和第二信號開關，第一信號開關連接有第五電阻，第二信號開關連接有第六電阻；所述磁場檢測前端電路包括線圈和第二運算放大電路，線圈的一端連接有第一開關矩陣，線圈的另一端連接有第二開關矩陣，第一開關矩陣和第二開關矩陣均與第二運算放大電路相連，第二運算放大電路包括第二運算放大器、並聯在第二運算放大器上的第七電阻和並聯在第七電阻上的第三電容。

優選地，所述第一電阻與第一運算放大器的同相輸入端相連，第三電阻的兩端分別連接在第一運算放大器的反相輸入端和輸出端。

優選地，所述第一信號開關為單刀雙擲開關，第一信號開關的動端與第五電阻相連，第一信號開關的一個不動端與第一運算放大器的同相輸入端相連；所述第二信號開關為單刀雙擲開關，第二信號開關的動端與第六電阻相連，第二信號開關的一個不動端與第一運算放大器的同相輸入端相連。

優選地，所述第一開關矩陣由並聯的第一支路和第二支路組成，第一支路中串聯有第八電阻，第二支路上串聯有第九電阻和第三信號開關，第三信號開關為單刀雙擲開關，第三信號開關的動端與第九電阻相連，第三信號開關的一個不動端與第二運算放大器的反相輸入端相連；所述第二開關矩陣由並聯的第三支路和第四支路組成，第三支路中串聯有第十電阻，第四支路上串聯有第十一電阻和第四信號開關，第四信號開關為單刀雙擲開關，第四信號開關的動端與第十一電阻相連，第四信號開關的一個不動端與第二運算放大器的同相輸入端相連。

優選地，所述第七電阻的兩端分別並聯在第二運算放大器的反相輸入端和輸出端。

優選地，所述線圈與第一開關矩陣之間分別連接有第四電容和第十二電阻，線圈和第二開關矩陣之間分別連接有第五電容和第十三電阻，第二矩陣與第二運算放大器的同相輸入端之間連接有第十四電阻。

優選地，所述電容板的一端接地，第四電阻、第五電阻、第六電阻、第十二電阻、第十三電阻和第十四電阻均接地，第一電容、第四電容和第五電容均接地。

本發明具有的有益效果是：

本發明提供的一種具有大動態範圍的電磁場檢測前端電路，電場檢測前端電路和磁場檢測前端電路分別設計，在電場檢測前端電路中引入第一信號開關和第二信號開關，在磁場檢測前端電路引入第一開關矩陣和第二開關矩陣，同時，電場檢測前端電路的運算放大器中引入頻率補充電容，即第一電容和第二電容，在磁場檢測前端電路的運算放大器中引入頻率補充電容，即第三電容、第四電容和第五電容，通過調節第一信號開關、第二信號開關、第三信號開關和第四信號開關，實現在DC到100KHz範圍內達到比較大的動態範圍，同時保證了測量精度，有效的保證了在複雜電磁場環境中工作人員和儀器的安全。本發明提供的電磁場檢測前端電路能夠實現磁場動態範圍為0.3nT至10mT，而電場動態範圍可達到5mV/m到100kV/m。

電場接收電容板和磁場接收線圈分別採用正交結構，以便於接收電磁場不同方向的磁場，最後通過三路矢量運算得到最終的電磁場總場強。電路上採用對稱結構，後端ADC採用差分結構，都能有效的抑制電磁幹擾，有利於識別出更小的信號，能有效的提高精度。現有設計對同一強度的信號，從DC到100kHz電路檢測幅度相差3000倍左右，但是採用此結構的電路僅相差10倍，後端數據處理顯示都應該是同一強度，動態範圍相當於增加了300倍；開關矩陣通過對信號的衰減，能在原來基礎上測得更大的信號，理論上通過合適的衰減可以測得無窮大的信號，增加信號測量動態範圍的上限。

附圖說明

圖1為現有的電磁場檢測前端電路的電路結構圖。

圖2為本發明提供的電場檢測前端電路的電路結構圖。

圖3為本發明提供的磁場檢測前端電路的電路結構圖。

圖4為根據本發明的前端電路設計的電磁場分析儀的整體硬體結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行具體的說明：

結合圖1至圖4，一種具有大動態範圍的電磁場檢測前端電路，包括電場檢測前端電路和磁場檢測前端電路。

其中，如圖2所示，電場檢測前端電路包括電容板，電容板上依次串聯有第一電阻R1、第一運算放大電路、第二電阻R2和第一電容C1，第一運算放大電路包括第一運算放大器LAN1、並聯在第一運算放大器LAN1上的第三電阻R3和並聯在第三電阻R3上的第二電容C2，第一電阻R1與第一運算放大器LAN1的同相輸入端相連，第三電阻R3的兩端分別連接在第一運算放大器LAN1的反相輸入端和輸出端。

在第一電阻R1與第一運算放大電路之間還分別連接有第四電阻R4、第一信號開關S1和第二信號開關S2，第一信號開關S1連接有第五電阻R5，第二信號開關S2連接有第六電阻R6。第一信號開關S1、第五電阻R5、第二信號開關S2和第六電阻R6組成電場檢測前端電路的開關矩陣。

第一信號S1開關為單刀雙擲開關，第一信號開關S1的動端與第五電阻R5相連，第一信號開關S1的一個不動端與第一運算放大器LAN1的同相輸入端相連。第二信號開關S2為單刀雙擲開關，第二信號開關S2的動端與第六電阻R6相連，第二信號開關S2的一個不動端與第一運算放大器LAN1的同相輸入端相連。

具體來說，電容板的一端接地，第一電容C1、第四電阻R4、第五電阻R5和第六電阻R6均接地。

電場檢測前端電路引入了開關矩陣，在傳統的運算放大器形式上引入了頻率補充第一電容C1和第二電容C2，因為電場信號是電壓信號通過第一電阻與開關矩陣分壓，可以控制到低噪放前端的信號大小，一般情況第四電阻要比開關矩陣的第五電阻R5和第六電阻R6大幾個數量級，如果開關導通，分壓主要有開關矩陣中的電阻起作用。當信號變大時，可以把其進行衰減到合適的電壓範圍內，電路可以測量，可以將電路的動態範圍向大的方向提高衰減的倍數。第一電容和第二電容的引入，與第二電阻和第三電阻取合適的值，適當的配合，可以是DC到100KHz範圍內的信號到ADC前端的放大倍數大概在一個數量級上，和傳統方案相比，動態範圍也提高了幾百倍。

電場檢測前端電路中的各個元件之間關係如下列公式：

其中，AV1代表信號到第一運算放大器前的放大倍數，RX代表電場檢測前端電路的開關矩陣聯通的電阻，根據不同開關導通會有所差異，Vout1代表第一運算放大器輸出電壓，Vin1代表電場檢測前端電路輸入的電壓。

通過C1和C2的引入，可在一定頻率範圍內保持通路的增益變化很小。

如圖3所示，磁場檢測前端電路包括線圈和第二運算放大電路，線圈的一端連接有第一開關矩陣，線圈的另一端連接有第二開關矩陣，第一開關矩陣和第二開關矩陣均與第二運算放大電路相連，第二運算放大電路包括第二運算放大器LAN2、並聯在第二運算放大器LAN2上的第七電阻R7和並聯在第七電阻R7上的第三電容C3，第七電阻R7的兩端分別並聯在第二運算放大器LAN2的反相輸入端和輸出端。

線圈與第一開關矩陣之間分別連接有第四電容C4和第十二電阻R12，線圈和第二開關矩陣之間分別連接有第五電容C5和第十三電阻R13，第二矩陣與第二運算放大器LAN2的同相輸入端之間連接有第十四電阻R14。

第一開關矩陣由並聯的第一支路和第二支路組成，第一支路中串聯有第八電阻R8，第二支路上串聯有第九電阻R9和第三信號開關S3，第三信號開關S3為單刀雙擲開關，第三信號開關S3的動端與第九電阻R9相連，第三信號開關S3的一個不動端與第二運算放大器LAN2的反相輸入端相連；第二開關矩陣由並聯的第三支路和第四支路組成，第三支路中串聯有第十電阻R10，第四支路上串聯有第十一電阻R11和第四信號開關S4，第四信號開關S4為單刀雙擲開關，第四信號開關S4的動端與第十一電阻R11相連，第四信號開關S4的一個不動端與第二運算放大器LAN2的同相輸入端相連。

具體來說，第十二電阻R12、第十三電阻R13和第十四電阻R14均接地，第四電容C4和第五電容C5均接地。

磁場檢測前端電路引入了第一開關矩陣和第二開關矩陣，在傳統的運算放大器形式上引入了頻率補充電容第三電容C3、第四電容C4和第五電容C5，由於磁場是電流信號，引出採取了與檢測前端電路不同的電路形勢，完全的差分信號對共模抑制也會優於檢測前端電路，第十二電阻R12和第十三電阻R13將磁場的電流信號轉化為電壓信號，通過調節第一開關矩陣和第二開關矩陣中開關的關斷來調節運放的放大倍數，當開關導通，放大倍數增大，相當於能檢測更小的信號，電路的動態範圍會向小的方向擴大。

磁場檢測前端電路中的各個元件之間關係如下列公式：

RY代表磁場檢測前端電路中開關矩陣導通的電阻，電路圖中僅以R9示意，根據需要可以有更多的開關。Vout2代表第二運算放大器輸出的電壓，Vin2代表磁場檢測前端電路輸入的電壓。

同樣C3和C4的引入，配合適當的R7和R8取值，可在一定頻率範圍內保持通路的增益變化很小。

根據本發明的前端電路設計的電磁場分析儀的整體硬體結構如圖4所述，包括線圈/電容板，線圈/電容板連接有低噪放，線圈/電容板和低噪放之間連接有開關矩陣，低噪放連接有濾波，濾波連接有AD驅動器，AD驅動器連接有模數轉換器，模數轉換器連接有數字處理單元，數字處理單元連接有上位機和主機，整機的動態範圍ADC前端的硬體電路起到了決定性的作用，通過合適的軟體算法，可以提高整機的精度。

以電場為例說明，當AD檢測到信號幅度接近放大器的最高電壓時，如果信號繼續增加，會出現截止情況，此時數字處理單元自動使開關S1導通，使到達放大器前端的信號幅度減小，如果再次接近截止，可導通S2，此種情況相當於，擴大了原來測不到的大信號的範圍；如果到達放大器信號減小的一定值時，可以自動關閉S1或S2，可以達到自動增益控制的效果。

本發明提供的電磁場檢測前端電路通過硬體進行頻響補償，在DC至100KHz範圍內動態範圍提高近60dB，與市場上產品相比，動態範圍也高出40dB左右。對於檢測大範圍、高精度電磁環境有很大幫助。

當然，上述說明並非是對本發明的限制，本發明也並不僅限於上述舉例，本技術領域的技術人員在本發明的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬於本發明的保護範圍。