（系统分析与集成专业论文）高速变化电场数据采集与传输系统设计.pdf

目录 目录 摘要i i i a b s t r a c t i v 第l 章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 大气电场观测2 1 3 雷电高速变化电场观测3 1 4 数据采集系统4 1 5 课题的主要研究内容7 第2 章高速变化电场传感9 2 1 大气电学发展9 2 2 大气中的电荷、电场和放电过程10 2 3 高速变化电场的记录10 2 4 动态感应原理与传感器的设计1 l 2 4 1 动态感应原理 2 4 2 平板天线的测量方法。1 2 2 4 3 电场传感器设计14 2 5 本章小结1 5 第3 章基于流水线型a d 转换器的数据采集1 6 3 1 数据采集技术1 6 3 1 1 数据采集简介1 6 3 1 2 模数转换的原理1 7 3 2 模数转换器l8 3 2 1 流水线型模数转换器2 0 3 2 2a d c 的性能比较。2 1 3 3 舢) 9 2 4 8 的原理和结构2 l 3 4 本章小节2 5 第4 章高速变化电场电路设计2 6 4 1 高速数据采集系统的基本结构2 6 4 2 前端调理电路的设计2 8 4 3 高速模数转换电路设计3l 4 3 1a d 9 2 4 8 管脚功能的定义3l 4 3 2a d 9 2 4 8 接口电路3 4 4 4a r m 控制电路设计3 5 4 a 1a r m 微处理器简介3 5 4 a 2a r m 微处理器的选择3 6 4 a 3a r m 9 核心板3 7 4 4 4 电源电路设计。4 0 南京信息工程大学硕士学位论文 4 4 5 数据传输接口电路设计4 l 4 4 6j t a g 接口电路4 6 4 4 7l c d 显示电路。4 6 4 a 8g p s 接口电路。4 7 4 5 本章小节4 8 第5 章硬件电路的p c b 设计4 9 5 1p c b 设计的流程4 9 5 2 元器件的布局。5 0 5 3 布线。5l 5 4 本章小结5 2 第6 章系统软件设计5 3 6 1 建立开发环境5 4 6 1 1 硬件环境的建立5 4 6 1 2 软件环境的建立5 5 6 2 配置编译u b o o t 5 6 6 3 配置编译内核和文件系统。5 6 6 3 1 编译内核镜像5 7 6 3 2 制作文件系统镜像5 7 6 4 烧写内核及文件系统。5 8 ! ；8 5 9 6 ( ) 6l 6 ：! 6 3 6 3 6 4 6 5 6 6 6 9 摘要 摘要 在自然界、工程技术和科学研究中存在一些高速变化的物理过程，对这些过程所产生 的信号进行采集和记录，对分析它们产生的机理和演化过程具有重要意义。雷电是自然界 中存在的一种普遍现象，发生时往往伴随着强烈的光、声作用。在雷电科学研究中，需要 记录雷电发生时电场的快速变化，有时需要进行多点同步数据采集，以便分析其演化过程 及对各种电子产品的影响等，针对这一需求，论文设计了一种对雷电发生时的高速变化电 场信号进行调理和数据采集的系统，该系统可用于野外多点同步数据采集。 雷电的发生主要来自于积雨云，当积雨云累积了一定量的电荷后，与地面形成了足够 击穿大气的电场。而这些电场是以高速变化的形式存在于大气中。近年来，由于雷电的作 用，导致了地面上的很多灾害事故的发生，尤其是在建筑、电子类行业。因此，记录这些 高速变化的电场信号对研究雷电有着重要的意义。传统的高速数据采集的方法主要是基于 p c i 总线的高速数据采集。但是由于这种系统存在体积大、成本高和干扰影响大等的缺点， 无法适用于野外多点同步数据采集。 论文设计了一种体积小，功耗低的高速数据采集系统。系统以金属平板作为传感器， a r m 9 ( s 3 c 2 4 4 0 ) 作为核心控制芯片，利用a d 9 2 4 8 完成数据采集。a d 9 2 4 8 是a d i 公司的双 通道流水线型a d 转换器，可以实现快、慢电场的同步数据采集。系统通过u s b 接口和网络 接口实现数据的存储和传输，通过g p s 实现多点同步控制，系统具有6 伽的内存，实现数 据的高速采集和存储。 系统的设计包括高速变化电场的传感器、信号前端调理电路、高速a d 转换、主逻辑 控制、数据传输储存和显示模块。其中电场传感器主要是用于感应雷电发生时的快速变化 的电场信号；信号前端调理电路是完成对模拟信号的放大、滤波以保证有足够的动态范围； a d 转换电路主要是将采集的信号进行模数转换：逻辑控制部分是完成对系统数据采集和 处理的同步控制和其他逻辑控制；数据传输储存模块是将采集的数据储存在u 盘中或者通 过网络接口发送数据；显示模块是完成数据的波形显示或是由此波形得到所需结果的显示。 关键词：高速数据采集，a d 转换，数据储存与传输 m a p p l i e dt om u l t i p o i n ts i m u l t a n e o u sd a t aa c q u i s i t i o ni nt h ef i e l d t h ep a p e rd e s i g n sah i g hd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fs m a l ls i z e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n i tc o n s i s t so fm e t a lp l a t ea st h es e n s o rs y s t e m ，a r m 9 ( $ 3 c 2 4 4 0 ) a sa c o r ec o n t r o lc h i p u s i n ga d 9 2 4 8t oc o m p l e t ed a t aa c q u i s i t i o n a d 9 2 4 8i sa d i c o m p a n y sd u a l - c h a n n e lp i p e l i n e da dc o n v e r t e r i tc a nb ea c h i e v e df a s ta n ds l o w e l e c t r i c 丘c l ds y n c h r o n o u sd a t aa c q u i s i t i o n t h es y s t e ms t o r a g e sa n dt r a n s m i s s i o n s d a t ab yt h eu s bi n t e r f a c ea n dn e t w o r ki n t e r f a c e ，m u l t i - p o i n ts y n c h r o n i z a t i o nb v ( ；p s i tc a nb eh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g ew i t h6 4 皿m e m o r y 田1 ed e s i g no fs y s t e mc o n s i s t s ：t h ee l e c t r i cf i e l ds e n s o ro fl l i 曲s p e e dc h a n g e s ， f r o n t - e n ds i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t , h i g h s p e e da dc o n v e r s i o n , t h em a i n1 0 西c c o n t r o l ，d a t as t o r a g ea n dd i s p l a ym o d u l e s e l e c t r i cf i e l ds e n s o ri sm a i n l yu s e dt o s e n s et h ef a s tc h a n g es i g n a l sw h e nt h el i g h t n i n go c c u r s ；s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i ti s t oc o m p l e t ea n a l o gs i g n a la m p l i f y i n ga n df i l t e r i n gt oe n s u r ea d e q u a t ed y n a m i cr a n g e ； a dc o n v e r t e rc i r c u i ti sm a i n l yt oc o n v e r ta n a l o gs i g n a lt od i g i t 甜：l o g i cc o n t r o l s e c t i o ni st oc o m p l e t et h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ，t h e s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o la n do t h e rl o g i cc o n t r o l ；d a t as t o r a g em o d u l ei st i m e l yt o s t o r ei nt h eud i s ko rs e n dd a t at h r o u g h 也en e t w o r ki n t e r f a c e ；d i s p l a ym o d u l ei st o i v a b s t r a c t c o m p l e t et h e d a t ao rt h er e s u l t i n gw a v e f o r md i s p l a yo b t a i nt h er e q u i r e dr e s u l t s d i s p l a yt h ew a v e f o r m k e yw o r d s ：h i g h s p e e dd a t aa c q u i s i o n , a dc o n v e r t e r , d a t as t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o n v 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 在自然界中存在着很多快速变化的物理现象，通常这些物理现象是以不断变化的模拟 信号存在于自然界中，让人们无法对这些变化现象有一种很直观的，清晰的认识。因此， 及时地记录快速变化的模拟信号是认识和研究这些现象的首要任务。而通常将模拟信号转 化成数字信号的过程也就是数据采集的主要任务n 2 1 。 在自然界中，事物由于某种缘故会带上某种的电荷，当这些电荷的量积聚到一定程度 时就会形成了电场。而这些电场在不同的条件下表现出不同的强度。在我们生活的空间里 就存在着很多电场，一般情况下人们是无法感觉到这些电场的存在和变化。像大气电场就 是存在于大气空间中最普通的电场信号。由于我们所生活的地球是带负电荷的，而大气中 含有纯净的正电荷( 有时也会有负电荷) ，因此，大气中始终存在着电场。大气电场的强度 会随着时间、地点、天气状况和离地面的高度而变b 1 。雷电作为扰动大气电场的气象要素 之一，它是发生在自然大气中的瞬间放电过程，并同时伴有声、光的出现。一次放电过程 一般持续时间为0 1 1 0 s 。其中可能包括几次大电流脉冲过程，被称为闪击。闪电 可分为云闪和地闪。云闪包括云内闪、云间闪和云一空气闪，是指发生在云内或是云 间正负电荷间的放电过程。云闪放电的同时会辐射出大量高频脉冲。而地闪是指发 生在云体与地面之间的对地放电过程h 1 。由于地闪具有时间短，能量释放大等特点。 因此，及时地记录雷电高速变化的信号对研究雷电的发生以及对地面的影响有着重 要的意义。 数据采集技术在雷电观测领域中占有重要的地位，由于雷电在闪击过程中电场变化的 频率很高，要求对较高频率的信号能够快速、准确地接收和处理，并对处理的信号进行传 输和储存，这就要求采集系统的实时性强，采样速率高，传输稳定性好晦1 。从而使高速数 据采集系统适用于雷电观测和其他科研领域中的应用。 随着微电子、集成电路技术的发展，高度集成、功能强大的微处理器芯片已经能够很 好的适用高速数据采集系统的要求，同时将高速a d c 芯片、高速传输协议和以太网技术引入 到数据采集系统中，使得系统具有速度快、传输稳定等特点嘲。相比传统的基于p c i 总线的 数据采集系统，以嵌入式微处理器为核心的数据采集系统具有体积小、功耗低、成本低等 优势。 1 2 根 库伦左 个已充 大 它在有 云的电 目 电场探 借助于 条件下大气电场的强度和极性的连续变化，可以探测闪电放电所引起的地面电场变化以及 连续监测对流云的起电过程憎1 。该仪器能够记录闪电发生前雷暴中的电活动，又可记录雷 暴过程中发生的闪电。因此，大气电场仪是研究大气电场时间变化特征和云结构特征的重 要观测仪器。 电场仪的结构主要有感应器、主机控制和传输储存部分所组成。如图1 - 2 。其中感应器 如图1 - 1 所示，由上、下两片相互平行、有一定间距形状相同的4 个叶片或是6 个叶片连接在 一起的对称扇形金属片组成。动片由一定转速的直流电动机带动。当动片在转动时，定片 在电场中交替地被暴露和屏蔽，由于电场的作用，在定片上产生一定频率的交变电流，此 交变电流经变换变为电压信号后放大输出。 感应头上接收到的电场信号经变换变为电压信号后送入前置放大器，放大后的电场信 号与同时产生的同步信号一起从感应头输出，经过5 0 - 1 0 0 米的屏蔽电缆接到室内的主机上。 电场信号送入主放大器再次进行放大，然后送入全波相敏检波器，检波后的直流信号电压 经滤波，然后末级输出到记录装置n 叭。 图1 1 感应头结构示意图 2 第1 章绪论 ； 感应头 ； 主机 图1 - 2 电场仪电路结构图 1 3 雷电高速变化电场观测 在我国，雷电的发生较为频繁，尤其在每年夏季的南方地区。由于雷电发生时会对周 围的大气电场产生很大的影响，对建筑、航空、电子等行业造成严重的威胁。因此， 我国很早就开始了对雷电的观测和研究。 天空中的云可以分为很多种，但是只有“积雨云”才能形成雷暴活动。积雨云的形成 主要是由于空气中饱含了水汽，再加上地面的湿热空气抬升作用，与冷空气下沉形成了强 烈的对流，在暖湿空气上升的过程中，水汽凝结成了云。这样的过程持续进行使得小块积 云变大，最后形成了积雨云。积雨云是一种带电的云，它的不同部位聚集了不同属性的电 荷，而当电荷累积到一定程度时，就在云团内部、不同云团之间以及云团与地面之间产生 很强的屯场。这种电场强度可以达几十万v m ，这么强的电场足以使云内外的大气层击穿而 产生瞬时强火花放电，出现闪电现象。由于闪电通道的平均温度和气压很高，它的瞬时功 率巨大，因而产生爆炸式的冲击波，闪电过后即听到隆隆雷声。通常把“闪电”和。雷声” 总称为“雷电”。如果云内一次放电后，积雨云中的电荷没有消耗完，还要经多次放电， 一个闪电过程才终止。整个雷雨活动从始至终称为一个雷暴过程。闪电分云闪和云地闪， 云内、云际之问的闪电称云闪，云与地面之间发生的闪电称云地闪。云闪发生的概率比云 地闪多，一些微小的闪电只能利用雷电探测仪器才可探测到，人们在感官是不易察觉的。 人们对雷电的观测，主要集中在云中电荷对地的放电的研究上，也就是所谓的“地闪”。 对雷电主要是观测它所产生的声、光和电现象。地闪是从云到地呈间歇式分叉推进的弱梯 级、平均速度约为1 0 5m s 放电。先到达地面，紧接着产生由地面向上推进的、其平均速度 3 南京信息工程大学硕士学位论文 为1 0 v s 左右的强放电，即回击。回击持续时间为6 0 1 ts 左右。雷电发生时我们看到的光一 般是由回击造成的。在一次回击结束后，接着这个过程又是一次自下而上的回击过程。一 次雷电发生平均可有3 _ 4 次回击，总持续时间约为0 5 s 。这样就造成了我们肉眼所感到的闪 烁现象。因此，针对地闪回击的特点，对雷电的观测主要方法有：一般摄影、高时间分辨 率的特殊高速摄影、电场探测、雷声接收、光谱探测、电流及光和电磁辐射的探测，偶尔 也进行一些特殊探测。其中，电观测法主要是利用能感应静电场及其变化的探测装置作多 点观测；用环形天线测磁，用平板天线测电，同时还会进行高空飞机的电磁波光辐射的观 测1 。 1 4 数据采集系统 近年来，国外在数据采集技术方面发展较为迅速，仪器的性能表现的比较突出，由于 仪器的存储容量大，比较耐用可靠，因此在使用范围上比较广泛。但是价格十分昂贵u 扣 在国外，研发数据采集卡的公司主要有：n a t i o n a li n s t r u m e n t ，s p e c t r u ms i g n a l p r o c e s s i n g ，a c q u i s i t i o n l o g i c ，a d l i n k 等n 3 1 。像n i 公司的高速数据采集卡表现出的性能 特点就是：采集速度快，储存容量大等。该高速采集卡是基于p c i 总线标准，通过p c i 总线 实现与上位机进行数据的传输与储存。p c i 总线是一种高性能局部总线，主要用途是在高度 集成的外设控制器、扩展板和处理器系统之间提供一种内部连接机制。随着科学技术的快 速发展，基于图形的操作系统迅速普及，多媒体、视频处理和网络传输得以大量应用，对 系统数据传输要求也越来越高，p c i 总线可以很好地满足上述需要【1 4 1 。 之前使用的p c 机数据采集系统大部分是基于i s a 总线结构的，这种结构的缺点是传输速 率较低，不能实现大量数据的实时传输。p c i 总线推出后，以其突出的性能使得其能被广泛 的应用，p c i 总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，p c i 是在c p u 和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实 现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持1 0 种外设，并 能在高时钟频率下保持高性能。p c i 总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得 总线控制权，以加速数据传送。p c i 总线宽度为3 2 6 4 位，可访问4 g 存储空间，同步操作时 钟频率为3 3 6 6 沁z ，数据最大传输率为1 3 2 5 2 8 m b p s 。基于p c i 总线的高速数据采集系统充 分利用了p c i 总线的优点，实现了对模拟信号的实时采集、传输和存储，为信号的实时处理 提供了方便。 实时采集数据主要是指利用已经设置好的采集卡的参数，把相应的参数提交给采集卡， 如果电场传感器达到了触发条件则采集卡开始采集数据，然后软件把采集卡采集到的数据 4 第l 章绪论 从采集卡的内存中存储到p c 机的内存中，最后读取p c 机内存中的数据存储于硬盘中，这样可 以最大限度的降低数据从内存存储到硬盘的时间，以便于采集卡接着采集数据【1 4 】。 但是我们在采集的过程中发现，采样的结果往往会受到工频的干扰，使得我们最终无 法获得准确的数据。并且，使用快速的数据采集卡成本比较高，加上与p c 机一起使用， 使得整个系统体积庞大。因此，利用常规的技术难以摆脱采集系统体积大，成本高，和干扰 的影响，无法在野外使用。 随着科技技术的不断进步，使得集成工艺也有了很大的发展，器件的性能得到了飞速 的发展。因此，人们对数据采集的各项技术指标如采样率等也提出了更高的要求。一方面 要求数据采集系统具有低功耗，微型化的特点，同时另一方面又要求其能够及时反映现场 信号的数据变化。传统的依靠单片机处理数据的能力比较低，已经无法达到这些要求。于 是基于d s p 、f p g a 、c p l d 等高端微处理器的数据采集系统开始发展，而随着半导体技术的 飞速发展，现在的数据采集系统很容易就能实现低功耗、低成本、高可靠性的特点，各种 高性能的数据采集卡不断问世，数据采集系统的应用越来越广泛，高速数据采集系统也日 趋成熟n 司。于是就出现了目前流行的高速数据采集系统。目前高速数据采集系统主要有以 下两种： 1 基于单片机和c p l d 的数据采集系统 基于c p l d 的高速数据采集系统，与传统采集系统相比，采用单片机作为主控芯片， c p l d 作为逻辑控制器件，分别对数据接口电路和高速模数转换器进行逻辑控制。可实现高 速、低成本、易扩展、高可靠性的数据采集u 射。 图卜3基于c p l d 控制的高速数据采集系统 5 南京信息工程大学硕士学位论文 其中信号输入部分是由传感器传来的各种模拟信号。信号调理部分是整个系统的重要 组成部分，由放大电路、电流电压转换电路、滤波器电路和隔离电路构成。其主要作用是 对输入信号进行放大、滤波使其电压在a d 的采样电压范围之内。a d 采样部分是将输入的 模拟信号转换成数字信号。 c p l d 负责u s b 芯片与a d c 芯片之间的缓冲与控制，一边与a d c 接口，另一边与u s b 接 口，产生数据采集、通道切换、a d 转换、r a m 所需的全部控制信号；实现对传输数据的缓 存、读写控制、时钟、输出使能、端点的选择，以及对a d 转换器的控制等功能。在此系统 中，c p l d 用于控制a d 转换和对a d 转换之后的数据进行存储。单片机的作用只是控制何时 采样，以及采样完成后对采样数据的处理。在采样过程中，单片机无须任何干预n 射。 这种采集系统可以大幅改进传统数据采集系统的缺陷，提高数据采集的速度和精度。 另外此种采集系统用模块化设计思想，不仅可以硬件实现数据采集，还可以增添更多的拓 展功能。而且其软件构成较为简单，成本相对较低。 2 基于f p g a 和d s p 控制的高速采集系统 f p g a 是专用集成电路中集成度最高的一种。f p g a 采用了逻辑单元阵列，内部包括可配 置逻辑模块、输出输入模块和内部连线三个部分。用户可对f p g a 内部的逻辑模块和i o 模 块重新配置，以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性n 6 1 。 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯片的内部采 用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊 的d s p 指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法。 裂诺思弱 i 高速加c 卜 f p g ad s p 坊生l i 幺| a - jij i j 士知k i 数据m c b s p 总线1 信号输入 嚣遥 r1 d d l 乇2 以太网 父义线 计算机 控制器 图l - 4 基于f p g a 和d s p 控制的高速数据采集系统 将传感器接收的信号经过放大、滤波后输入到模数转换芯片中，再经过模数转换器转 变成数字信号，传送到f p g a 中。 进入f p g a 的数据速率很高，直接进行处理会占用系统很大的资源，因此需要对信号进 行降速处理，将输入信号通过f p g a 的i d d r 器件可以把信号的速率降至一半，然后再通过 6 第l 章绪论 f p g a 控制的d d r 2 - s d r a m ，将数据存储到d d r 2 中，等采集任务结束后再根据命令读出数据。 在f p g a 中主要的工作是对高速数据进行一定的降速，并完成下变频的任务。 在d s p 中主要完成的是接收f p g a 下变频后的数据，并且通过编程来计算此时的载波频 率和进行信号调整方式的识别。 最后将接收到得有用信息以及调节后的部分数据传输给计算机来做后续处理。在d s p 中嵌入t 凹i p 协议栈，并且使用多通道缓冲串口( m c b s p ) 来控制网口芯片，进行网口芯片 的寄存器进行读写操作，完成与计算机的数据交换旧。 1 5 课题的主要研究内容 论文的主要目的是设计一种基于嵌入式处理器( 舢i m 9 ) 的大容量高速数据采集系统， 实现对雷电发生时的快电场和慢电场信号进行采集和数据存储与传输。 通过传感器，感应到雷电电场高速变化时的电场信号，经过调理电路对信号放大、滤 波，再将模拟信号转换成数字信号存储到指定的存储器中。设计系统的采样率为l o m h z ， 采样时间为l 2 s ：两路信号同时采样，系统内存为6 4 m 。同时系统还需要设计带有主u s b 接口、网络接口、c f 卡接口，g p s 授时和日历功能 因此设计一种基于高速a d c 和a r m 的高速变化电场采集系统，整个系统主要由六部分 组成：高速变化电场的感应模块、信号前端调理、高速a d 转换、逻辑控制、数据传输储 存和显示模块。其中电场感应模块主要是用于感应雷电发生时的电场信号；信号前端调理 模块主要是完成对模拟信号的滤波、放大以保证有足够的动态范围；a d 转换模块主要是 完成信号的模数转换；逻辑控制模块主要是完成对系统数据采集和处理的同步控制和其他 逻辑控制；数据传输储存模块主要完成对采集的数据实时传输和保存：显示模块主要完成 数据的波形显示或是由此波形得到所需结果的显示。本数据采集系统以a r m 9 核心板为中 心。采集芯片选用a d i 公司的1 4 位双通道2 0 m s p s 高速a d 转换芯片a d 9 2 4 8 ，并采用电压 反馈型放大器a d 8 0 6 6 和高速率差动放大器a d 8 1 3 2 组成驱动电路为a d 9 2 4 8 提供输入范围内 的差分信号。数据传输与储存选用d m g o o o a 作为网络传输端口的控制器，并通过u s b 接口 将采集的数据及时存入u 盘或者移动硬盘中。 双通道信号采集处理系统软件设计采用l i n u x 开发平台，利用l i n u x 源代码开放的特 点设计软件驱动。 本文的研究结构主要分为以下个部分： 第一部分为绪论。主要内容包括引言、大气电场的观测和雷电高速变化电场的观测现 状，例举现有的高速数据采集方法，最后是本文的主要研究内容。 7 为高 、动 计。 为基 理、 理和 为高 端调 是硬 为系 何在目标板上实现应用程序的过程。最后在目标板上实现目标程序。 为结论，对全文进行了总结，并且指出了该研究下一步工作的方向。 3 第2 章高速变化电场传感 第2 章高速变化电场传感 通过对。地闪”，也就是云中的电荷对地的放电过程研究，人们获得了大量有关雷电发 生时的重要资料。例如，一般雷电能向地面平均输送2 0 c 左右的负电荷( 偶尔也会有正电荷) 。 这些电荷在云层与地面之间形成了电场作用。因此，在雷电发生时在空气中置入一块金 属的平板天线，让平板天线与地面之间构成电容，通过测量天线与地面之间的电压 可以确定大气电场强度。 2 1 大气电学发展 在1 8 世纪中叶的时候，美国著名科学家本杰明富兰克林第一次用风筝探明了雷击的 本质就是电。后来苏联科学家用自制的测雷器探测到雷暴过境时产生了电火花。 1 8 世纪末叶，人们又逐渐发现了大气微弱的导电性，通过观测和研究发现了大气电场、 大气离子和地球维持有负电等一系列电学现象。自从2 0 世纪2 0 至3 0 年代起，逐步在云中 起电、闪电物理学等方面进行了比较系统的观测和研究。5 0 年代以后，大气电学的研究已 和空间电学有机地结合起来，并且探讨了大气电作为日地关系的中间环节，在整个地球大 气演化和天气气候变化中的作用。 大气电学主要由晴天电学和扰动天气电学两部分构成。 1 晴天电学 研究全球范围晴空地区发生的电学现象及其活动过程。主要观测晴天大气电场、大气 电离子、地空电流、大气电导率等，弄清它们变化的规律和原因，研究全球大气电平衡。 晴天电的状态是大气正常的电状态，它们的变化同天气状况和人类的活动的影响有关。 2 扰动天气电学 研究云雨等扰动天气，特别是伴随雷暴发生的电学现象及其活动过程，这种活动在大 气电学中占有重要地位，它们是全球大气电平衡中的原动力，同云雾降水过程密切相关。 扰动天气电学主要包括：云中起电。研究云中电荷的生成、分离和形成一定分布的过程。 通过大量观测，已对各种云系中电结构有了一定了解，提出了一些起电理论，但是都不完 善。雷雨云中产生电荷并形成一定空间分布的过程，是大气电学的重要内容之一。雷电 物理学。研究自然闪电和雷的物理特性、形成机制和发展规律，这是大气电学中研 究的最多且最集中的课题，对闪电产生的高温、高压、高亮度、高功率、强辐射等 效应的研究，同气体放电物理、等离子体物理、高速摄影、光谱学、电磁波辐射和 传播、激震波以及声波等方面的研究密切相关。 9 南京信息工程大学硕士学位论文 2 2 大气中的电荷、电场和放电过程 大气电场是大气中始终存在的一种基本现象，在不同的天气条件下大气电场呈现出不 同的特性。雷电作为一种在极端天气条件下发生的放电现象，则是在大气电场超过一定限 度的情况下发生的。因此，人们在研究各种天气现象时，主要是针对一些特殊的极端天气 情况进行研究。比如雷电物理、雷电预警和监测方面的研究。 雷电作为扰动大气电场的气象要素之一，它是发生在自然大气中的瞬间放电过程，并 同时伴有声、光的出现。一次放电过程一般持续时间为0 1 1 o s 。其中可能包括几次大 电流脉冲过程，被成为闪击。人们见到的雷电一般来自积雨云中，在天空中呈现一 种多分叉的形状，长达几千米到几十千米。雷电产生的原因是由于积雨云中强烈的 上升和下沉气流的对流运动，使云中随机分布的正负电荷呈现有序排列的结构，在 云中形成许多正电荷区和负电荷区。当积雨云中部分区域积累了足够强的正( 负) 电 荷，使得空间或地面某处的电场强度达到了击穿大气的值，则产生雷击，会对人们 的生命财产和自然环境造成重大影响。闪电可分为云闪和地闪。云闪包括云内闪、 云间闪和云一空气闪，是指发生在云内或是云间正负电荷间的放电过程。云闪放电的 同时会辐射出大量高频脉冲，这些脉冲为人们对云闪的定位提供了帮助。地闪是指 发生在云体与地面之间的对地放电过程。地闪的峰值电流可达到几万到十几万安培。 对地面物体会造成很大威胁。对建筑、航空、电子等行业造成严重的威胁h 1 。 2 3 高速变化电场的记录 在雷电的发生与发展过程中，放电瞬间会产生的快速变化电场波形。而认识和了解这 些变化的波形是认识闪电放电高时间分辨率精细结构的重要参量，也是深入研究分析雷电 机理的必需参数，其电场变化波形是以随机性、瞬态性和快速变化为特征的非周期复杂的 信号。 一次云对地放电的过程可以产生一到几十次回击，而且回击的时间非常短，大约持续 几微秒到几十微秒。快变化电场的测量主要反映雷电回击过程中瞬间的微秒细结构，一般 情况下，数据采集系统测量的宽度为0 一- 5 m h z ，时间常数为2 m s 。而慢变化电场测量与快 电场不同，慢电场信号是反映雷电整个放电过程的，因此，在观测的过程中时间常数比较 j 长2 - - 3 s ，测量的动态范围也比较大( 1 0 v ) 。结合以上两种电场信号的测量可以了解雷电 在回击过程中的电场变化发展全过程。 l o 第2 章高速变化电场传感 l ，v 0 3 7 1 ，v 2 v 毽l n - 2 v ii i 一 i f f r r 0 图2 - 1记录的一次快电场的地闪波形图 8 0 0 m s ，、心 吖 广- j _ 1 ， 0 图2 - 2记录的一次慢电场的地闪波形图 2 4 动态感应原理与传感器的设计 2 4 i 动态感应原理 在静电场中放置一块金属导体，导体表面就会产生感应电荷，感生电荷密度为： 仃= 脚( 2 - 1 ) 式中占为空气中的介电常数( 近似真空中的介电常数) ，k 是由于导体放入引起的电 场畸变系数。如果金属导体的面积为s ，则感应电荷量为： q = o s = 脚己醪 ( 2 - 2 ) 若感应导体对地的电容量为c ，则产生的感应电压为： y ：旦：些堕( 2 - 3 ) cc 金属导体通过一个电阻接地就会有电流流过，当电场变化时，测出这个电流的变化就可 知道电场的变化。但在静电场中，电场基本不变或缓变，要测量这种电场，必须使处在静电场 中的导体内产生变化的电荷，为此可以采用某种形式的对一个导体的屏蔽和去屏蔽装置，这 就是动态感应原理1 。 南京信息工程大学硕士学位论文 2 4 2 平板天线的测量方法 地面静大气电场的强度可以通过测量天线与地面之间的电压来确定。感应大气电场的 天线可以选择金属平板或者是球形、垂直的金属导线。 图2 - 3 禾连接电路的平板天线 如图2 - 3 h b 在大气中置有一平板天线，天线方向与电场矢量的方向相互垂直，且平行于 地面，即为一等位面。如果大气电场分布均匀，平板天线离地面高度为h 。在天线没有负 载情况下天线附近的电场为e ，而地面与天线之间存在的电位差是= e h 假设天线与 云电荷中心之间的杂散电容为c c ，天线与地面之间的杂散电容为c s ，并且c g c c n 7 1 。这 时，云电荷中心与地之间的电位差为y 当云地电位差沿c c 、c g 被分压，c s 上的电位 差是 v s = vl g c 十。百 2 4 ) 因为圪= e h ，所以得到： y ：励c g + c c( 2 5 ) e 第2 章高速变化电场传感 图2 - 4 与电路相连的平板天线 如图2 4 所示，当测量电路连接上天线时，测得电位差y ，并且小于匕。r c 电路为天线 的负载，假设r c ，则在确定电位差y 时，只需考虑c 的作用。c 和c g 构成并联电 路，电压为 1 ，：y g(2-6) c g + c c + c 将( 2 _ 5 ) 式代入( 2 - 6 ) 式中，可以得到： l ，：励垦垦( 2 7 ) l ，= 励- 二上( 2 7 ) c g + c c + c 由于c g c c ，所以， ( 2 7 ) 式可以近似为 1 ，：砑g _ ( 2 - 8 )1 ，= 砑旦一) c g + c 由( 2 8 ) 式可见，测得的电压与地面电场e 成正比关系。而其比例系数 c 。( c 暑+ c ) 可以通过计算或测量确定实际上，c c g ，因此，c 是用来控制测量电压大小。而足的 作用是使电压矿有一时间常数r ( c + c 譬) ，如果c c 暑时，则时间常数为尺c 。如果r c 大于所要测量的时间，则可以忽略r 对测量的影响n 引。 1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 2 4 3 电场传感器设计 根据动态感应原理，在空气中置入一块金属平板天线，使用金属杆支撑平板天线，下 端采用绝缘套使平板天线与支架和底座隔离。平板天线的信号端直接与电场变化感应电路 相连接。平板天线置放于高速变化的电场中等效于平板电容。如图2 - 5 所示。 图2 5电场传感器电路的示意图 够”“”“j ”? 一? “。“”i i 。j 霉4 _ 图2 - 6 电场感应器实物图 1 4 第2 章高速变化电场传感 在对高速变化电场的观测中，除了要记录下雷电发生时亚微秒级的快电场，同时又需 要测量能反映出雷电放电全过程的慢电场。而慢电场与快电场的设计大体上相同，主要区 别是在对电场信号的运放部分增加一个积分放大电路和跟随器。积分电路是控制和测量系 统中常用的重要单元，主要是利用其充放电过程可以实现延时、定时以及各种波形的产生； 一般来说电压放大器的输入阻抗会比较高，如果后级的输出阻抗比较小，这样信号就会很 大程度上消耗在前级的输出电阻中，因此，需要跟随器在中间起到缓冲的作用。最后，将 得到的快慢电场信号分别通过差分放大器送入模数转换器的输入端口。 2 5 本章小结 本章的主要内容包括大气电场学的发展，大气中的电荷、电场与放电过程的介绍。根 据动态感应原理和平板天线的测量方法设计电场传感器。 1 5 南京信息工程大学硕士学位论文 第3 章基于流水线型a d 转换器的数据采集 流水线型模数转换器能处理高速情况下的瞬时信号，因此被广泛地应用于各种高速数 据采集领域中。根据数据采集的要求，系统需要对快、慢信号进行同步数据采集，因此采 用a d i 公司的双通道同步a d 转换器a d 9 2 4 8 ，用一块芯片实现对快、慢信号的同步采集。 相比使用2 个单通道a d 转换器，a d 9 2 4 8 具有更好的抗串扰性能。 3 1 数据采集技术 3 1 1 数据采集简介 数据采集，或者又被称为数据获取，是利用某种装置，从系统外部采集数据并输入到 系统内部的某个接口。目前，数据采集技术被广泛应用在各个领域。被采集的数据一般是 已被转换为模拟量或者是数字量的各种物理量，如温度、压力、流量、水位、风速等。采 集一般是采样的方式，即每隔一定的时间( 采样周期) 对同一点数据进行重复采集。采集 的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。 1 数据采集的目的： 数据采集是指从传感器或其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过 程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量 系统。 数据采集的目的是为了测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象。基于p c 机的 数据采集，通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合，进行测量。尽管数据采集系统根 据不同的应用要求有不同的定义，但各个系统采集、分析和显示信息的目的却都相同。数 据采集系统整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件。 2 数据采集的主要方法： 采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能处理的数字信号，然后送入计算机进行 相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印， 以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制系统 用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精 度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的 要求。 1 6 第3 章基于流水线性a d 转换器的数据采集 3 1 2 模数转换的原理 1 采样： 采样是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的 模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。 2 采样保持： 在两个采样点的间隔时间内，将采集的样本点存储起来，待后面量化、编码之用。信 号经采样保持之后，采样点的真实图形如图3 - 1 所示，该图明确的表达了实际采样中的采样 保持的含义。 图3 - 1 采样保持( 幅值仍是连续的模拟信号) 采集的信号在整个时间域上是离散的，可它的幅度仍然是连续的，还是模拟量。所以 采样之后，还需要对其幅度离散化，即量化。 3 量化和编码： 输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。而该阶梯波仍是一个可以连续