地面电场仪中前置放大电路的研究与设计

摘要

在强起电过程开始时，大地静电场的电场强度急剧变化，通过监测地面电场的实时变化来监测带电云层的活动状况，实现对雷电灾害的短时预警。地面电场仪是用来测量大气电场及其变化的仪器，它利用导体在电场中产生感应电荷的原理来测量电场。当云中发生电荷分离时，地面电场将发生相应的变化，其强度与云中电荷的积累量和分布有关，因此通过该类仪器来测量地面大气电场的变化，反演出高空云层电场的变化，从而实现对雷电灾害的短时预警。在设计中，地面电场仪的探头部分一般采用动态感应原理，其感应到的电荷非常微弱。针对电场仪中微弱信号检测的技术要求，本文设计了电场仪中的前置放大电路。论文首先讨论了具有场磨式结构的电场传感器的基本原理，再根据电场传感器产生变化的电流信号，设计了IV 转换器，差分放大器，次级放大器为主要结构的微弱信号探测的前置放大电路。根据大气电场强度的特点，分析计算了电场信号在经过电路的主要部分后，电场信号的变化状况。选用低偏置电流的芯片AD795作为电流电压转换电路，OP07与AD620 作为主放大电路，通过multisim测试电路，最后得到了增益稳定，范围广，误差小的有用信号。在IV转换电路中，得到的两路信号，均包含了有用的感应电压信号和噪声干扰信号，其感应信号为一组大小相等，频率相同，方向相反的差模电压信号，而噪声干扰信号为大小相等方向也相同的共模信号，通过采用差分放大电路，可以很好的抑制共模信号，有效的放大差模信号，使有用信号灵敏度提高一倍。经反复比较测试，由于在电场传感器中，采用了在同一平面上相互绝缘的两片均匀交替放置的定片，和差分放大电路，降低了噪声的干扰，增强了电路的抗干扰能力。且在在前端采用了极低偏置电流的芯片进行IV转换，有效的提取了有用信号。由测试结果表明，微弱信号得到了有效放大，放大电路增益稳定好且误差较小，增益调节方便，功耗小等优点。该电路不仅可以用于大气电场仪的放大电路中，对需要精确测量信号的电子仪表中，也具有一定的参考价值。