使用STM32与运放做电磁辐射检测

只看该作者 · 2019-3-12 09:56

电磁辐射是指电磁辐射源通过电磁波的形式，向周围空间传递电磁能量的现象[fll
一般认为，环境中的电磁辐射的强度大于其所规定的防护标准时，就形成了电磁污染。
根据环境保护领域的定义，电磁辐射一般指无线电干扰、磁场强度和电场强度这三种
物理量或者是物理现象。此外，广义的环境学和环境管理理论，把环境中单独的感应
电场、感应磁场、感应电流与相关的电磁感应现象也归纳在电磁辐射中。
电磁辐射污染在环境保护方面的危害主要表现在资源破环与环境污染两大类，其
中环境污染又可以划分为物质流污染和能量流污染两种污染。电磁环境污染属于能量
流污染[2}

只看该作者 · 2019-3-12 09:59

只看该作者 · 2019-3-12 10:01

电磁辐射污染需要一定的电磁环境做支撑，一般把电磁环境分为人为的与自然的
两大类，它是指电磁现象在一定环境中存在的总体表现，按照电磁辐射源划分，又可
以分为有源电磁辐射(直射波)与无源电磁辐射(反射波)两大类，同时又有静态与动
态之分，总之，电磁环境是由不同频率的电场和磁场组成的[f}l。变化的电场与磁场交替
在空间传播，当频率大于100 kHz时，电磁波离开导体通过空间传播[f}l。这种在空间
传播的电磁能量即为电磁辐射。当电磁辐射的强度超过允许的范围，就形成了电磁辐
射污染。电磁辐射源有天然和人为之分[f8l。人为的电磁辐射源主要是由人类生产制造的
各种通讯系统产生。其中，影响较大的包括电力系统、广播、电视发射系统、移动通
信系统、交通运输系统、工业、医疗科研高频设备[f}l。天然的电磁辐射源由自然界产生
主要是某些自然现象所引起，例如，雷电，云层放电，太阳黑子活动，火山喷发，等
这些自然现象会对广大地区产生严重的电磁干扰。

只看该作者 · 2019-3-12 10:02

1.1.1.2广播电视发射系统
城市生活中的电视与广播信号发射基站一般位于城市的中心地带，这些基站会制
造大量的交频电磁场，并充斥在城市中的各个角落，可以说，这些电视广播信号发射
装置是城市环境的最大电磁辐射污染源，然而这方面的电磁辐射污染往往是公众最容
易忽视的方面[y o}
1.1.1.3电力系统
各种各样的电力设备在生活中越来越多，特别是一些大功率的用电设备使用，人
们生活中的用电负荷要求越来越大，使得生活中出现了大量大功率的变电站、变压器、
以及规模不断扩大的输电网络，这些电力设施都会产生很强的电磁辐射。对周围的环
境造成危害。
1.1.1.4交通运输系统
随着电气行业的迅猛发展，各种电气化的轨道电车、轨道交通越来与多的出现在
人们的生活当中，这些交通设备的动力都是靠高频的电场与磁场来进行驱动，同时这
些交通工具所覆盖的区域往往充斥着各式各样的传感器与传感网络，无形之中成为了
电磁辐射的污染源，处于该环境范围内的公众更应该关注身边的电磁辐射状况[fill
1.1.1.5移动通信系统
移动通信的飞速发展，在给人们的生活方式带来便捷的同时，也带来了不克忽视
的电磁辐射污染问题。例如，生活中各种通讯基站的架设，通讯线路的铺盖，以及为
了保证通信速度的要求，近年来，通信基站的架设高度不断降低，距离的不断减小，
这些改变都大大的加大了周围环境电磁辐射的强度与覆盖区域，加重了电磁辐射污染。
fi3]。

只看该作者 · 2019-3-12 10:02

3万 · 2019-3-12 10:05

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只看该作者 · 2019-3-12 10:07

在实际电磁场测量中，电磁场的电磁成分往往比较复杂，特别是在现代的化工厂
中，往往存在多频段电磁干扰(一般在S OOHz-SM，严重影响车间内电子仪器的正常
使用，而国内在电磁检测领域的研究主要以低频((1M以下)检测为主，因此，我们有
必要研究一种用于检测多频段电磁辐射的仪器，用于定量的检测化工厂电磁辐射量，
特别是对于高频辐射信号的检测方法研究，从而合理的安排化工厂的设备布局，以保
证设备仪器的正常稳定工作。
随着国内信息技术的发展，我们国家有技术能力去针对于化工厂电磁辐射情况，
研发出检测仪器。基于现在的单片机及其相关技术，把经过传感器的电磁辐射信号经
过滤波、放大、模数转换后，进入单片机对信号进行处理，同时通过单片机上连接的
外设，把测得的电磁水平传给电脑，在电脑上详细的显示电磁辐射的水平。从而更好
的制定改进与防护措施，提高由于电磁辐射污染给化工厂造成的经济损失。

只看该作者 · 2019-3-12 10:08

对于电磁辐射的测量是一个复杂的流程，通常按照测量参数划分，可以分为磁场
能量测量、磁场强度测量、磁场感应强度测量、电场功率测量、电场强度测量等类别「32]
按照电磁辐射测量场所的不同，可以划分为专业环境测量与生活环境测量两大类。根
据测量的目的划分，又可以分为选频电磁辐射测量仪与带宽式非选频电磁辐射测量仪
[33]。但无论是哪种类别的电磁辐射检测仪都由信号采样传感器与数据分析处理主机系
统两大部分构成。由于宽带式非选频电磁辐射检测设备往往都有很高的测量值上限，
几乎能够满足所有环境中的测量上限要求，因此宽带式非选频电磁辐射检测设备是运
用最常见，也是技术最成熟的电磁辐射检测设备，为了提高测量精度，高端的宽带式
非选频电磁辐射检测设备往往设计上使用多个探头，而且这类电磁辐射测量仪也具有
易操作、便携带、测量频带宽、显示直观等优点。
环境中电磁辐射的测量通常与测量方法所选取的测量位置以及距离辐射源的远
近成直接关系，在对其进行测量前，应先了解该区域内电磁辐射的产生原因与分布状
况。按照辐射源性质的不同，可将电磁辐射的产生划分为感应电磁辐射场与辐射电磁
辐射场。感应场是交变电磁场所产生的电磁能量在辐射源周围的环境中来回流动，并
呈现周期性，但辐射能量不会向外传播;而辐射场所产生的电磁辐射能量会以电磁波
的形式向外不断传播，使得电磁能量脱离了辐射源。
国外发达国家已经就电磁辐射污染研制出了相关的电磁辐射检测仪，并积累了相
关研发经验，例如，由法国研制的PYCM9078电磁辐射测量仪是国际上公认的最先进
的电磁辐射检测仪器之一，它能对一定环境区域内的电磁
辐射实现低、中、高频的同时检测，并达到了一定的检测精度。美国通过计算机
技术的运用，实现了对电磁辐射环境的前自动检测，以及计算机的自动化控制。

只看该作者 · 2019-3-12 10:09

只看该作者 · 2019-3-12 10:21

相比于现有的电磁辐射检测仪，本方案在检测方法上提出了对信号多通道同时采
样的概念，在硬件电路中实现了单片机芯片与cPLD芯片配合使用的双核控制技术，
通过cPLD芯片控制模拟开关，随时调整采样芯片的采样频率，从而能够达到对6M
左右的高频段电磁辐射信号进行采样与处理的目的。并且将虚拟仪器的技术运用到检
测方案中，的开发了以虚拟仪器为核心的电磁辐射自动检测系统，设计能够实现人机
交互的界面，更加直观的展示出测试结果。将FFT算法运用到信号的处理上，通过PC
机完成复杂的运算，避免了通过在程序控制处理器在硬件电路上的复杂预算。
   (1)调研国际上现有的电磁辐射防护标准，将收集到的数据与国内的电磁辐射标
准进行对比，将国内制定的电磁辐射防护标准中不完善的地方找出，并调研国外电磁
辐射防护标准设定的根据，以便指导本电磁辐射检测仪的研发。
   C2)相比于传统测检测仪所使用的单通道采样，本设计方案将采用三通道采样的
方案，在硬件电路中使用模拟开关来控制A/D采样芯片，使得采样频率与信号频率相
匹配，。
   (3)针对于使用高速AD (20M 12位)进行采样的时候，使用普通GPIO其速度
过低从而无法读取完整的采样数据的问题，我们考虑加入CPLD并外接SRAM，通过
其缓冲作用将数据暂时存储SRAM中，然后再通过对其控制，将SRAM中的数据以
STM32的GPIO能达到的速率正常传输读取采样结果并计算。突破传统信号的单核处
理技术，达到对高频段(6M左右)信号进行检测的目的。
(#)对现代化工实验室里的电磁辐射进行实地的检测，将检测结果与国内外的电磁
辐射检测仪进行对比并进行数据分析，根据检测结果，对现代化工实验室的电子设备
布局提出合理化的建议。

只看该作者 · 2019-3-12 10:24

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只看该作者 · 2019-3-12 10:31

滤波电路的设计思路:根据各通道采样频率的限定范围来设计各自的带通滤波电
路，选用OPA2725运放芯片分别构成带通滤波电路的高通滤波部分与低通滤波部分，
两部分的带通滤波器通过TI公司FilterPro软件计算来计算。同时滤波电路可以作为各
条采样通道的信号缓冲器部分，缓冲器主要解决的两个问题是:一信号输入输出的阻
抗匹配;二.尽量保证漏电流小，从而使得对采样信号的干扰越小。
3.3.1 OPA2725运放芯片的特点
OPA2725为低成本高运算放大器，高压可达80V,允许通过最大电流可达SOmA,
OPA2725具有非常稳定的单位增益，同时具有1. 8MHZ的带宽积，该运放芯片经过优
化设计，与其他运放芯片相比具有更大的增益，带宽达到7. 5 MHZ。在实际使用中考
虑到超温与过载电流的影响，OPA2725设计了内部保护电路，适用的电源范围在士3.3V
至士40V之间，相比于其他的运算放大器，OPA2725芯片对整个电源的应用范围有明确
的详细说明。通过激光微调的，庞大的集成电路不仅能提供优良的精确度。还能提供非
常广的输出摆幅，特殊设计的产品不仅便于用户使用。而且还能避免倒相现象的产生。
OPA2725采用T0220-7和DDPAK-7两种版本进行封装。产品的连接温度范围在一40 0C
到+125 0C之间。

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只看该作者 · 2019-3-12 10:32

低频(500 Hz}-SOKHz信号通道实验部分:
选用PA2725运放芯片分别设计出500 Hz}-SOk信号通道带通滤波电路的高通滤波
电路与低通滤波电路部分(其中带宽增益设置为20db>，通过FilterPro软件计算分别
如下所示。

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技术领袖奖章

十世金身

坚毅之洋流

荣誉元老奖章