雷电威胁着人类的生命安全，常使建筑，电力，电子，通信和航空，航天等诸多部门遭受严重破坏。随着经济和现代科学技术的发展，雷电灾害造成的经济损失更加严重。因此，对雷电进行实时监测和预警就显得尤为重要，而大气电场仪是雷电预警系统中的重要组成部分。 本文通过研究雷电的形成和放电机制，分析大气电场仪进行雷电预警的理论依据，设计了差分式大气电场仪传感器，该传感器能有效的将地面电场信号转换为交流感应电流信号。采用高精度仪表放大器进行I-V转换，并利用相敏检波原理鉴别被测电场信号极性，通过滤波，调整和升压一系列信号处理方法，获得了与被测电场成比例的直流电压信号。 利用AD芯片对采集到的电压信号进行模数转换，运用平均值算法对电场数据进行数字滤波处理，通过单片机实现对电场数据和电机转数信息的发送控制。在数据传输方面，为了满足不同用户的要求，设计了有线485传输和无线GPRS传输两种方式，通过设定合理的数据发送时间，解决了无线数据传输量过大的问题。 根据大气电场仪的设计要求，设计了与探头形状匹配的电场仪标定装置，给出了标定方法、具体步骤和注意事项。标定了25台大气电场仪，重点介绍和分析了一组标定数据。 简要介绍了上位机数据中心软件的设计要求和各个模块的基本功能；最后，根据样机在外场探测到的地面大气电场数据，对晴天大气电场和雷暴过程中的大气电场进行了初步分析，实验验证了整个设计方案的可行性。