CN106771655B - 一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路 - Google Patents

一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路，属于电磁场检测领域，通过分别设计电场检测前端电路和磁场检测前端电路，在电场检测前端电路和磁场检测前端电路中引入开关矩阵和频率补充电容，通过调节第一信号开关、第二信号开关、第三信号开关和第四信号开关，实现在DC到100KHz范围内达到比较大的动态范围，同时保证了测量精度，有效的保证了在复杂电磁场环境中工作人员和仪器的安全。本发明提供的电磁场检测前端电路能够实现磁场动态范围为0.3nT至10mT，而电场动态范围可达到5mV/m到100kV/m。

Description

一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路
技术领域
本发明涉及电磁场检测领域，具体涉及一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路。
背景技术
电磁辐射是一种看不见、摸不着、难以感知的“隐形污染”。战场复杂电磁环境中的电磁辐射一方面威胁作战人员的人身安全，另一方面干扰危害武器装备中电子设备的正常工作。电磁场分析仪可以满足复杂电磁环境辐射强度测试和装备维护的需求，在人员及装备的电磁辐射危害防护、电磁安全区域界定、电磁兼容环境监测以及计量等方面具有明确的军事需求和良好的应用前景。目前市场上的电磁场分析仪产品较少，技术公开较少，传统的信号采集方案采集信号，通过放大，最后传输到ADC以及MCU处理。但是传统的电磁场分析仪的电路形式不同频率的同等强度的场信号响应差别比较大，无形中减小了能检测到信号的动态范围。
现有电磁场分析仪器动态范围较小，比较前沿如ARWORLD公司的仪器电场测量范围0.2-20000V/m，动态范围为100dB。对于电磁场分析仪，硬件电路的性能直接决定了整机的性能，特别是在动态范围和精度方面。典型的电磁场检测前端电路如图1所示，该方案电场和磁场采用相同的采集电路，1-1是感应线圈或者电容板、1-2到1-6组成信号滤波系统、1-7和1-8组成匹配系统、1-9低噪放采用电压跟随的形势、1-10是滤波组件、1-11是模数转换器、1-12是数字处理系统。采用此种形势的电路，在DC-100KHz范围内，对于统一场强不同频率的信号，到达ADC前端的电压信号幅度相差3000倍左右。现有方案和产品动态范围相对小，比较高端产品在100dB左右。精度较低，高端产品电场精度在0.2V/m，磁场精度在20nT左右，当精度和动态范围有更高要求，上述方案并不能满足设计要求。
发明内容
针对现有的电磁场分析仪存在的动图范围较小，测试精度低的问题，本发明提供了一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路。
本发明采用以下的技术方案：
一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路，包括电场检测前端电路和磁场检测前端电路，所述电场检测前端电路包括电容板，电容板上依次串联有第一电阻、第一运算放大电路、第二电阻和第一电容，第一运算放大电路包括第一运算放大器、并联在第一运算放大器上的第三电阻和并联在第三电阻上的第二电容，在第一电阻与第一运算放大电路之间还分别连接有第四电阻、第一信号开关和第二信号开关，第一信号开关连接有第五电阻，第二信号开关连接有第六电阻；所述磁场检测前端电路包括线圈和第二运算放大电路，线圈的一端连接有第一开关矩阵，线圈的另一端连接有第二开关矩阵，第一开关矩阵和第二开关矩阵均与第二运算放大电路相连，第二运算放大电路包括第二运算放大器、并联在第二运算放大器上的第七电阻和并联在第七电阻上的第三电容。
优选地，所述第一电阻与第一运算放大器的同相输入端相连，第三电阻的两端分别连接在第一运算放大器的反相输入端和输出端。
优选地，所述第一信号开关为单刀双掷开关，第一信号开关的动端与第五电阻相连，第一信号开关的一个不动端与第一运算放大器的同相输入端相连；所述第二信号开关为单刀双掷开关，第二信号开关的动端与第六电阻相连，第二信号开关的一个不动端与第一运算放大器的同相输入端相连。
优选地，所述第一开关矩阵由并联的第一支路和第二支路组成，第一支路中串联有第八电阻，第二支路上串联有第九电阻和第三信号开关，第三信号开关为单刀双掷开关，第三信号开关的动端与第九电阻相连，第三信号开关的一个不动端与第二运算放大器的反相输入端相连；所述第二开关矩阵由并联的第三支路和第四支路组成，第三支路中串联有第十电阻，第四支路上串联有第十一电阻和第四信号开关，第四信号开关为单刀双掷开关，第四信号开关的动端与第十一电阻相连，第四信号开关的一个不动端与第二运算放大器的同相输入端相连。
优选地，所述第七电阻的两端分别并联在第二运算放大器的反相输入端和输出端。
优选地，所述线圈与第一开关矩阵之间分别连接有第四电容和第十二电阻，线圈和第二开关矩阵之间分别连接有第五电容和第十三电阻，第二矩阵与第二运算放大器的同相输入端之间连接有第十四电阻。
优选地，所述电容板的一端接地，第四电阻、第五电阻、第六电阻、第十二电阻、第十三电阻和第十四电阻均接地，第一电容、第四电容和第五电容均接地。
本发明具有的有益效果是：
本发明提供的一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路，电场检测前端电路和磁场检测前端电路分别设计，在电场检测前端电路中引入第一信号开关和第二信号开关，在磁场检测前端电路引入第一开关矩阵和第二开关矩阵，同时，电场检测前端电路的运算放大器中引入频率补充电容，即第一电容和第二电容，在磁场检测前端电路的运算放大器中引入频率补充电容，即第三电容、第四电容和第五电容，通过调节第一信号开关、第二信号开关、第三信号开关和第四信号开关，实现在DC到100KHz范围内达到比较大的动态范围，同时保证了测量精度，有效的保证了在复杂电磁场环境中工作人员和仪器的安全。本发明提供的电磁场检测前端电路能够实现磁场动态范围为0.3nT至10mT，而电场动态范围可达到5mV/m到100kV/m。
电场接收电容板和磁场接收线圈分别采用正交结构，以便于接收电磁场不同方向的磁场，最后通过三路矢量运算得到最终的电磁场总场强。电路上采用对称结构，后端ADC采用差分结构，都能有效的抑制电磁干扰，有利于识别出更小的信号，能有效的提高精度。现有设计对同一强度的信号，从DC到100kHz电路检测幅度相差3000倍左右，但是采用此结构的电路仅相差10倍，后端数据处理显示都应该是同一强度，动态范围相当于增加了300倍；开关矩阵通过对信号的衰减，能在原来基础上测得更大的信号，理论上通过合适的衰减可以测得无穷大的信号，增加信号测量动态范围的上限。
附图说明
图1为现有的电磁场检测前端电路的电路结构图。
图2为本发明提供的电场检测前端电路的电路结构图。
图3为本发明提供的磁场检测前端电路的电路结构图。
图4为根据本发明的前端电路设计的电磁场分析仪的整体硬件结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明：
结合图1至图4，一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路，包括电场检测前端电路和磁场检测前端电路。
其中，如图2所示，电场检测前端电路包括电容板，电容板上依次串联有第一电阻R1、第一运算放大电路、第二电阻R2和第一电容C1，第一运算放大电路包括第一运算放大器LAN1、并联在第一运算放大器LAN1上的第三电阻R3和并联在第三电阻R3上的第二电容C2，第一电阻R1与第一运算放大器LAN1的同相输入端相连，第三电阻R3的两端分别连接在第一运算放大器LAN1的反相输入端和输出端。
在第一电阻R1与第一运算放大电路之间还分别连接有第四电阻R4、第一信号开关S1和第二信号开关S2，第一信号开关S1连接有第五电阻R5，第二信号开关S2连接有第六电阻R6。第一信号开关S1、第五电阻R5、第二信号开关S2和第六电阻R6组成电场检测前端电路的开关矩阵。
第一信号S1开关为单刀双掷开关，第一信号开关S1的动端与第五电阻R5相连，第一信号开关S1的一个不动端与第一运算放大器LAN1的同相输入端相连。第二信号开关S2为单刀双掷开关，第二信号开关S2的动端与第六电阻R6相连，第二信号开关S2的一个不动端与第一运算放大器LAN1的同相输入端相连。
具体来说，电容板的一端接地，第一电容C1、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6均接地。
电场检测前端电路引入了开关矩阵，在传统的运算放大器形式上引入了频率补充第一电容C1和第二电容C2，因为电场信号是电压信号通过第一电阻与开关矩阵分压，可以控制到低噪放前端的信号大小，一般情况第四电阻要比开关矩阵的第五电阻R5和第六电阻R6大几个数量级，如果开关导通，分压主要有开关矩阵中的电阻起作用。当信号变大时，可以把其进行衰减到合适的电压范围内，电路可以测量，可以将电路的动态范围向大的方向提高衰减的倍数。第一电容和第二电容的引入，与第二电阻和第三电阻取合适的值，适当的配合，可以是DC到100KHz范围内的信号到ADC前端的放大倍数大概在一个数量级上，和传统方案相比，动态范围也提高了几百倍。
电场检测前端电路中的各个元件之间关系如下列公式：
其中，AV1代表信号到第一运算放大器前的放大倍数，RX代表电场检测前端电路的开关矩阵联通的电阻，根据不同开关导通会有所差异，Vout1代表第一运算放大器输出电压，Vin1代表电场检测前端电路输入的电压。
通过C1和C2的引入，可在一定频率范围内保持通路的增益变化很小。
如图3所示，磁场检测前端电路包括线圈和第二运算放大电路，线圈的一端连接有第一开关矩阵，线圈的另一端连接有第二开关矩阵，第一开关矩阵和第二开关矩阵均与第二运算放大电路相连，第二运算放大电路包括第二运算放大器LAN2、并联在第二运算放大器LAN2上的第七电阻R7和并联在第七电阻R7上的第三电容C3，第七电阻R7的两端分别并联在第二运算放大器LAN2的反相输入端和输出端。
线圈与第一开关矩阵之间分别连接有第四电容C4和第十二电阻R12，线圈和第二开关矩阵之间分别连接有第五电容C5和第十三电阻R13，第二矩阵与第二运算放大器LAN2的同相输入端之间连接有第十四电阻R14。
第一开关矩阵由并联的第一支路和第二支路组成，第一支路中串联有第八电阻R8，第二支路上串联有第九电阻R9和第三信号开关S3，第三信号开关S3为单刀双掷开关，第三信号开关S3的动端与第九电阻R9相连，第三信号开关S3的一个不动端与第二运算放大器LAN2的反相输入端相连；第二开关矩阵由并联的第三支路和第四支路组成，第三支路中串联有第十电阻R10，第四支路上串联有第十一电阻R11和第四信号开关S4，第四信号开关S4为单刀双掷开关，第四信号开关S4的动端与第十一电阻R11相连，第四信号开关S4的一个不动端与第二运算放大器LAN2的同相输入端相连。
具体来说，第十二电阻R12、第十三电阻R13和第十四电阻R14均接地，第四电容C4和第五电容C5均接地。
磁场检测前端电路引入了第一开关矩阵和第二开关矩阵，在传统的运算放大器形式上引入了频率补充电容第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5，由于磁场是电流信号，引出采取了与检测前端电路不同的电路形势，完全的差分信号对共模抑制也会优于检测前端电路，第十二电阻R12和第十三电阻R13将磁场的电流信号转化为电压信号，通过调节第一开关矩阵和第二开关矩阵中开关的关断来调节运放的放大倍数，当开关导通，放大倍数增大，相当于能检测更小的信号，电路的动态范围会向小的方向扩大。
磁场检测前端电路中的各个元件之间关系如下列公式：
RY代表磁场检测前端电路中开关矩阵导通的电阻，电路图中仅以R9示意，根据需要可以有更多的开关。Vout2代表第二运算放大器输出的电压，Vin2代表磁场检测前端电路输入的电压。
同样C3和C4的引入，配合适当的R7和R8取值，可在一定频率范围内保持通路的增益变化很小。
根据本发明的前端电路设计的电磁场分析仪的整体硬件结构如图4所述，包括线圈/电容板，线圈/电容板连接有低噪放，线圈/电容板和低噪放之间连接有开关矩阵，低噪放连接有滤波，滤波连接有AD驱动器，AD驱动器连接有模数转换器，模数转换器连接有数字处理单元，数字处理单元连接有上位机和主机，整机的动态范围ADC前端的硬件电路起到了决定性的作用，通过合适的软件算法，可以提高整机的精度。
以电场为例说明，当AD检测到信号幅度接近放大器的最高电压时，如果信号继续增加，会出现截止情况，此时数字处理单元自动使开关S1导通，使到达放大器前端的信号幅度减小，如果再次接近截止，可导通S2，此种情况相当于，扩大了原来测不到的大信号的范围；如果到达放大器信号减小的一定值时，可以自动关闭S1或S2，可以达到自动增益控制的效果。
本发明提供的电磁场检测前端电路通过硬件进行频响补偿，在DC至100KHz范围内动态范围提高近60dB，与市场上产品相比，动态范围也高出40dB左右。对于检测大范围、高精度电磁环境有很大帮助。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路，其特征在于，包括电场检测前端电路和磁场检测前端电路，所述电场检测前端电路包括电容板，电容板上依次串联有第一电阻、第一运算放大电路、第二电阻和第一电容，第一运算放大电路包括第一运算放大器、并联在第一运算放大器上的第三电阻和并联在第三电阻上的第二电容，在第一电阻与第一运算放大电路之间还分别连接有第四电阻、第一信号开关和第二信号开关，第一信号开关连接有第五电阻，第二信号开关连接有第六电阻；所述磁场检测前端电路包括线圈和第二运算放大电路，线圈的一端连接有第一开关矩阵，线圈的另一端连接有第二开关矩阵，第一开关矩阵和第二开关矩阵均与第二运算放大电路相连，第二运算放大电路包括第二运算放大器、并联在第二运算放大器上的第七电阻和并联在第七电阻上的第三电容。
2.根据权利要求1所述的一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路，其特征在于，所述第一电阻与第一运算放大器的同相输入端相连，第三电阻的两端分别连接在第一运算放大器的反相输入端和输出端。
3.根据权利要求1所述的一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路，其特征在于，所述第一信号开关为单刀双掷开关，第一信号开关的动端与第五电阻相连，第一信号开关的一个不动端与第一运算放大器的同相输入端相连；所述第二信号开关为单刀双掷开关，第二信号开关的动端与第六电阻相连，第二信号开关的一个不动端与第一运算放大器的同相输入端相连。
4.根据权利要求1所述的一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路，其特征在于，所述第一开关矩阵由并联的第一支路和第二支路组成，第一支路中串联有第八电阻，第二支路上串联有第九电阻和第三信号开关，第三信号开关为单刀双掷开关，第三信号开关的动端与第九电阻相连，第三信号开关的一个不动端与第二运算放大器的反相输入端相连；所述第二开关矩阵由并联的第三支路和第四支路组成，第三支路中串联有第十电阻，第四支路上串联有第十一电阻和第四信号开关，第四信号开关为单刀双掷开关，第四信号开关的动端与第十一电阻相连，第四信号开关的一个不动端与第二运算放大器的同相输入端相连。
5.根据权利要求1所述的一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路，其特征在于，所述第七电阻的两端分别并联在第二运算放大器的反相输入端和输出端。
6.根据权利要求1所述的一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路，其特征在于，所述线圈与第一开关矩阵之间分别连接有第四电容和第十二电阻，线圈和第二开关矩阵之间分别连接有第五电容和第十三电阻，第二矩阵与第二运算放大器的同相输入端之间连接有第十四电阻。
7.根据权利要求6所述的一种具有大动态范围的电磁场检测前端电路，其特征在于，所述电容板的一端接地，第四电阻、第五电阻、第六电阻、第十二电阻、第十三电阻和第十四电阻均接地，第一电容、第四电容和第五电容均接地。
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