一种电磁脉冲探测电路

技术领域

本发明涉及电磁脉冲探测技术领域，尤其涉及一种电磁脉冲探测电路。

背景技术

在发生雷电或核武器爆炸时将产生电磁脉冲，会对电子设备产生破坏效应，为了及时探测到电磁脉冲，为后续电磁防护提供依据，需要一种能够准确安全探测电磁脉冲信号的电路系统。

电磁脉冲是电场和磁场交替变化而产生的电磁波，根据电磁脉冲产生机理和特点等，市面上也出现了一些探测设备，如中国专利申请CN101871977A公开了一种高压瞬变电磁脉冲探测仪，包括探头(1)、接收单元(3)以及连接探头(1)和接收单元(3)的连接部件，所述连接部件为光纤(6)，所述探头(1)包括天线(2)、圆柱体密封式屏蔽壳体(5)、设置在屏蔽壳体(5)内的信号处理单元(4)。该发明解决了现有的电场测试仪在强电场工作下容易被强电场烧坏，而且受强电场干扰，测试波形失真比较严重的技术问题。具有抗干扰性强，可防止电路失真，也可防止信号处理电路被强电场烧坏等的优点。

但是现有技术中包括滤波电路、放大电路、天线回路、阻抗变换电路、驱动放大电路、光激励器、电源电路等，用到了很多的元器件，因此存在电路结构复杂，制作成本高昂，且由于电路复杂易导致信号衰减严重，探测效率不高、误报率较高等问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种电磁脉冲探测电路，解决了现有技术电路复杂，制作成本高昂且探测效率不高、误报率较高等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种电磁脉冲探测电路，包括依次连接的信号获取电路、信号放大电路、信号成型电路和信号差分传输电路；其中，所述信号获取电路用于获取电磁脉冲信号，并对电磁脉冲信号产生的高电压信号进行钳位限幅；所述信号放大电路用于对信号获取电路处理后的信号进行放大处理；所述信号成型电路用于对信号放大电路处理后的信号进行脉冲整形处理；所述信号差分传输电路用于将信号成型电路整形后的信号差分为多路输出。

作为优化，所述信号获取电路采用饱和电路，包括天线，所述天线的信号输出端与电阻R5的一端连接，所述电阻R5的另一端与电容C5的一端连接，所述电容C5的另一端与信号放大电路连接；还包括多个二极管，其中，二极管D2阳极和二极管D3的阴极连接在电阻R5和电容C5之间，二极管D5的阳极与二极管D2的阴极连接，二极管D6的阴极与二极管D3的阳极连接，所述二极管D5的阴极和二极管D6的阳极连接并接地。

作为优化，所述天线采用外置的直径5mm，长度0.5米的鞭状天线，其天线容抗通过下式计算：

式中，Ca为天线容抗；L为天线长度；d为天线直径；K为修正系数，取值范围为0.133～0.44。

作为优化，所述二极管D2、D3、D5、D6的正向导通压降为0.7V。

作为优化，所述信号放大电路采用反相比例放大电路，包括运算放大器，所述运算放大器的反相输入端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与信号获取电路连接；所述运算放大器的同相输入端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端接地并与电容C8的一端连接，电容C8的另一端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与信号获取电路连接；所述运算放大器的输出端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与信号成型电路连接；还包括电阻R1，电阻R1的一端连接在电阻R6与运算放大器的反相输入端之间，另一端连接在电阻R8与运算放大器的输出端之间。

作为优化，所述运算放大器的正电源端与电源正极连接，并分别与电容C1和电容C2的一端连接，电容C1和电容C2的另一端接地；运算放大器的负电源端与电源负极连接，并分别与电容C9和电容C10的一端连接，电容C9和电容C10的另一端接地；所述运算放大器的两个TRIM端分别与可调电阻R19的两端连接，可调电阻R19的调节端与电源负极连接。

作为优化，所述信号成型电路采用互补单稳电路，包括NPN型的三极管V3、PNP型的三极管V1和V2，所述三极管V3的基极与电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端与二极管D4的阴极连接，二极管D4的阳极与电容C7的一端连接，电容C7的另一端与信号放大电路连接，所述三极管V3的集电极分别与电阻R4和电容C6的一端连接，电阻R4的另一端与电源正极连接，电容C6的另一端通过电阻R10与三极管V2的基极连接，所述三极管V3的发射极接地；

所述三极管V2的发射极与电源正极连接，集电极连接在二极管D4和电阻R13之间，并通过电阻R17接地；

所述三极管V1的发射极与电源正极连接，基极通过电阻R7连接在电阻R4与三极管V3的集电极之间，集电极分别与电阻R12和电阻R15的一端连接，电阻R12的另一端与信号差分传输电路连接，电阻R15的另一端接地；

还包括电阻R2、R3和R16，电阻R3的一端与电源正极连接，另一端连接在电阻R10和电容C6之间，并与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极通过电容C4与信号放大电路连接；所述电阻R2的一端与电源正极连接，另一端连接在电容C4和二极管D1之间；所述电阻R16的一端连接在电容C7和二极管D4之间，另一端接地。

作为优化，所述信号差分传输电路包括TD501D485模块，其VCC引脚分别与电源正极连接和通过电容C11接地；其GND引脚接地；其TXD引脚通过电阻R21接地；其RXD引脚与VCC引脚连接，并与二极管D7的阳极连接，二极管D7的阴极与信号成型电路连接；其CON引脚与RXD引脚连接；其RGND引脚接电源地；其两个输出引脚用于输出差分后的信号，并在两个输出引脚之间并联有电阻R20。

本申请与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明通过采用外置天线接收电磁脉冲信号，经由放大器对信号放大，然后整形为有用的方波信号。其中，通过信号获取电路采用饱和电路，对低范围、小信号不作处理，对高电压进行钳位限幅，保证后续放大电路的安全。放大电路采用反相比例放大电路，其放大倍数与信号成型电路的触发阈值相匹配。信号成型电路选用互补单稳电路，其正负极性信号均可触发，脉冲信号从三极管V3集电极输出而不从三极管V2集电极输出，能够更好的利用持续时间较长的脉冲信号后沿控制后面的三极管V1，并通过三极管V1进行电平转换和脉冲整形。信号差分传输电路通过TD501D485模块差分为两路输出，具有强大的抗干扰的能力，传输距离远。本发明电路结构简单，使用的元器件少，制作成本低廉，探测效率及准确率较高。

附图说明

图1为本发明的组成框图；

图2为信号获取电路图；

图3为信号放大电路图；

图4为信号成型电路图；

图5为信号差分传输电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：参见图1-图5，

一种电磁脉冲探测电路，包括依次连接的信号获取电路、信号放大电路、信号成型电路和信号差分传输电路。

其中，所述信号获取电路用于获取电磁脉冲信号，并对电磁脉冲信号产生的高电压信号进行钳位限幅。具体的，电磁脉冲探测的动态范围为-20000V/m～20000V/m，在天线上会感生出几十伏甚至非常高的电压，对后续电路安全工作带来隐患，因此在本实施例中采用饱和电路，对低范围、小信号不作处理，对高电压进行钳位限幅。其电路由四只二极管组成，包括天线，所述天线的信号输出端与电阻R5的一端连接，所述电阻R5的另一端与电容C5的一端连接，所述电容C5的另一端与信号放大电路连接；还包括多个二极管，其中，二极管D2阳极和二极管D3的阴极连接在电阻R5和电容C5之间，二极管D5的阳极与二极管D2的阴极连接，二极管D6的阴极与二极管D3的阳极连接，所述二极管D5的阴极和二极管D6的阳极连接并接地。

所述天线采用直径5mm，长度0.5米的鞭状天线，其天线容抗通过下式计算：

式中，Ca为天线容抗；L为天线长度；d为天线直径；K为修正系数，取值范围为0.133～0.44。按公式1计算：Ca＝5.57pF，根据天线基座、引线等对地的分布电容及环境条件的变化。

电路采用的二极管正向导通压降约为0.7V，则将输出的信号钳位在-1.4V～+1.4V之间，保证后续放大电路的安全。。

所述信号放大电路用于对信号获取电路处理后的信号进行放大处理。具体的，所述信号放大电路采用反相比例放大电路，包括运算放大器，所述运算放大器的反相输入端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与信号获取电路连接；所述运算放大器的同相输入端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端接地并与电容C8的一端连接，电容C8的另一端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与信号获取电路连接；所述运算放大器的输出端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与信号成型电路连接；还包括电阻R1，电阻R1的一端连接在电阻R6与运算放大器的反相输入端之间，另一端连接在电阻R8与运算放大器的输出端之间。

所述运算放大器的正电源端与电源正极连接，并分别与电容C1和电容C2的一端连接，电容C1和电容C2的另一端接地；运算放大器的负电源端与电源负极连接，并分别与电容C9和电容C10的一端连接，电容C9和电容C10的另一端接地；所述运算放大器的两个TRIM端分别与可调电阻R19的两端连接，可调电阻R19的调节端与电源负极连接。

因为电磁脉冲第一半周期前沿持续时间约为0.3～0.5微秒，可以看作为频率f＝1Mhz信号，则有：

式中：

L——天线长度；

Ca——天线容抗；

Cb——输入容抗；

EL——最小的电场场强。

电磁脉冲探测要求的触发阈值不大于15V/m，取EL＝10V/m，Ca≈5.6pF，Cb＝100pF，L＝0.5m，由公式(2)计算：

Vin＝0.5×5.6÷100×0.5×10＝0.14(V)

因后面信号成型电路的触发阈值为1V，所以要求放大器的放大倍数K≥8，考虑到应留一定的工作余量，取K≥20，其放大倍数由电阻R6和R1决定。

所述信号成型电路用于对信号放大电路处理后的信号进行脉冲整形处理。具体的，所述信号成型电路采用互补单稳电路，其正负极性信号均可触发，包括NPN型的三极管V3、PNP型的三极管V1和V2，所述三极管V3的基极与电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端与二极管D4的阴极连接，二极管D4的阳极与电容C7的一端连接，电容C7的另一端与信号放大电路连接，所述三极管V3的集电极分别与电阻R4和电容C6的一端连接，电阻R4的另一端与电源正极连接，电容C6的另一端通过电阻R10与三极管V2的基极连接，所述三极管V3的发射极接地；

所述三极管V2的发射极与+12V电源正极连接，集电极连接在二极管D4和电阻R13之间，并通过电阻R17接地；

所述三极管V1的发射极与+5V电源正极连接，基极通过电阻R7连接在电阻R4与三极管V3的集电极之间，集电极分别与电阻R12和电阻R15的一端连接，电阻R12的另一端与信号差分传输电路连接，电阻R15的另一端接地；

还包括电阻R2、R3和R16，电阻R3的一端与电源正极连接，另一端连接在电阻R10和电容C6之间，并与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极通过电容C4与信号放大电路连接；所述电阻R2的一端与电源正极连接，另一端连接在电容C4和二极管D1之间；所述电阻R16的一端连接在电容C7和二极管D4之间，另一端接地。

所述信号差分传输电路用于将信号成型电路整形后的信号差分为多路输出。具体的，所述信号差分传输电路包括TD501D485模块，模块主要器件是485芯片和外围保护电路，主要作用是将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A和B两路输出。由于采用差分传输，所以有强大的抗干扰的能力，故传输距离远。其VCC引脚分别与电源正极连接和通过电容C11接地；其GND引脚接地；其TXD引脚通过电阻R21接地；其RXD引脚与VCC引脚连接，并与二极管D7的阳极连接，二极管D7的阴极与信号成型电路连接；其CON引脚与RXD引脚连接；其RGND引脚接电源地；其两个输出引脚用于输出差分后的信号，并在两个输出引脚之间并联有电阻R20。

本发明通过采用外置天线接收电磁脉冲信号，经由放大器对信号放大，然后整形为有用的方波信号。其中，通过信号获取电路采用饱和电路，对低范围、小信号不作处理，对高电压进行钳位限幅，保证后续放大电路的安全。放大电路采用反相比例放大电路，其放大倍数与信号成型电路的触发阈值相匹配。信号成型电路选用互补单稳电路，其正负极性信号均可触发，脉冲信号从三极管V3集电极输出而不从三极管V2集电极输出，能够更好的利用持续时间较长的脉冲信号后沿控制后面的三极管V1，并通过三极管V1进行电平转换和脉冲整形。信号差分传输电路通过TD501D485模块差分为两路输出，具有强大的抗干扰的能力，传输距离远。本发明电路结构简单，使用的元器件少，制作成本低廉，探测效率及准确率较高。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以在不脱离本发明的原理和基础的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附加权利要求及其等同物限定，因此本发明的实施例只是针对本发明的说明示例，无论从哪一点来看本发明的实施例都不构成对本发明的限制。