基于A(yíng)RM的微波頻率自動(dòng)測量系統設計

　　1.引言

　　通常微波所指的是分米波、厘米波和毫米波。關(guān)于其頻率范圍，一種說(shuō)法是：

　　300MHz ~ 300GHz(1MHz =106Hz,1GHz =109 )相應的自由空間中的波長(cháng)約為1m~1mm.

　　微波技術(shù)的興起和蓬勃發(fā)展，使得國內大多數高校都開(kāi)設微波技術(shù)課程。但還存在以下問(wèn)題：測量時(shí)，由手工逐點(diǎn)移動(dòng)探頭并記錄各點(diǎn)讀數，然后手工計算實(shí)驗結果并繪圖。測量項目單一、精度低、測量周期長(cháng)，操作也較為繁瑣。本文主要研究一種實(shí)用的基于Labview的速調管微波頻率自動(dòng)測量系統。

　　2.系統整體結構

　　系統的整體結構如圖2-1所示。由下位機跟上位機構成。微處理器通過(guò)驅動(dòng)電路來(lái)控制步進(jìn)電機，帶動(dòng)諧振式頻率計的套筒轉動(dòng)，處理器采樣檢波電流，傳送到上位機LabVIEW界面顯示，并利用PC機強大的數據處理功能，分析出電流最小值，計算出所測頻率。

　　3.系統硬件設計

　　3.1 微處理器系統電路的設計

　　本系統選用的微處理器是S3C44B0.2.5VARM7TDMI內核，3.0~3.6V的I/O操作電壓范圍?？赏ㄟ^(guò)PLL鎖相環(huán)倍頻高至66MHz;71個(gè)通用I/O口;內嵌有8通道10位ADC,本系統選取了通道1作為晶體檢波器電流輸入通道。

　　3.2 復位電路

　　系統沒(méi)有采用RC電路作為復位電路，而使用了電壓監控芯片SP708SE,提高了系統的可靠性。復位電路的RST 端連接到S3C44B0的復位引腳nRESET,因為S3C44B0的復位信號是低電平有效，所以當系統掉電或復位按鍵SW_RST被按下時(shí)，電源監控芯片RST 引腳立即輸出復位信號，使S3C44B0芯片復位。

　　3.3 諧振式頻率計自動(dòng)測量電路的設計

　　3.3.1 定標法測頻率原理

　　為了實(shí)現頻率的自動(dòng)化測量，本系統采用步進(jìn)電機帶動(dòng)頻率計的轉動(dòng)，當腔體轉到了諧振位置時(shí)候，到達檢波器的微波功率明顯下降，檢波電流出現明顯的下降，而這個(gè)位置對應的頻率就是所測頻率。步進(jìn)電機帶動(dòng)下的是非只讀式頻率計，所以先要用定標的方法，擬合出頻率與刻度的對應關(guān)系式。定標法：同時(shí)配合兩種頻率計，一種是只讀式的，可直接讀出頻率;另一種是非只讀式的，只有刻度，不能直接讀出頻率。首先手動(dòng)轉動(dòng)非只讀式頻率計到一個(gè)諧振的位置，記錄這時(shí)的刻度，然后再轉動(dòng)只讀式頻率計，到另外一個(gè)諧振位置，記錄對應的頻率。重復這種操作，測出盡量多的頻率和刻度對應點(diǎn)，根據測得數據再用最小二乘法擬合出兩者的對應關(guān)系式。最后改換用步進(jìn)電機帶動(dòng)非只讀式頻率計轉動(dòng)，當轉動(dòng)到檢波電流出現明顯的“吸收谷”時(shí)，讀得這時(shí)的刻度，根據擬合出來(lái)的刻度與頻率關(guān)系式，就可得所測頻率。

　　3.3.2 步進(jìn)電機及自動(dòng)控制電路

　　步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點(diǎn)講：當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時(shí)可通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度，達到調速的目的。

　　本系統采用二相步進(jìn)電機，具有如下一些特點(diǎn)：只需將電機與驅動(dòng)器接線(xiàn)的A+和A-(或者B+和B-)對調即可實(shí)現電機的轉動(dòng)方向;步進(jìn)角為1.8°的兩相四線(xiàn)混合式步進(jìn)電機，并把細分驅動(dòng)器的細分數設置為8,電機的運轉分辨率為每個(gè)脈沖0.225°。為了有效驅動(dòng)電機，本文采用了基于TA8435H芯片的驅動(dòng)電路。實(shí)際應用電路如下圖3-2所示，芯片的輸入信號有使能控制、正反轉控制和時(shí)鐘輸入。

　　通過(guò)光耦器件TLP521可將驅動(dòng)芯片跟輸入級進(jìn)行電隔離，起到邏輯電平隔離和保護作用。

　　M1,M2分別接高電平，所以為1/8細分方式。

　　由于REF IN引腳接高電平，因此VNF為0.8V.

　　輸出級斬波電流為VNF/RNF=0.8/0.8=1A,因此R212、R213要選用功率大一些的電阻。選用不同的二相步進(jìn)電機時(shí)，應根據其電流大小選擇合適的R212和R213.R21和C5組成復位電路，D1~D4快恢復二極管可用來(lái)泄放繞組電流。  

　　電路中用到微處理器S3C44B0引腳PC0,PC1,PC2給驅動(dòng)電路分別輸出使能，正反轉，時(shí)鐘信號，通過(guò)控制輸出脈沖的間隔可以控制電機轉動(dòng)的速率，而輸出脈沖個(gè)數可控制步進(jìn)電機走動(dòng)的步數，達到控制頻率計腔體位置目的。電路輸出端口A(yíng), A, B, B接二相步進(jìn)電機對應輸入端子。

　　3.3.3 檢波電流I/V轉換及放大電路

　　檢波晶體的作用是將微波微弱信號轉換成直流信號。故可觀(guān)察檢波電流是否出現“吸收波谷”來(lái)判斷腔體是否到達諧振位置。本系統將檢波電流經(jīng)過(guò)處理之后傳送到上位機的LabVIEW界面顯示，觀(guān)察是否到諧振位置。  

　　由于微波信號在傳輸過(guò)程中受到外部干擾的噪聲，線(xiàn)路的噪聲，元器件的噪聲等等，因此需要濾波電路來(lái)濾除這些干擾信號。由于處理器對信號的采集速率比較低，所以本系統采用了時(shí)間常數比較大的由R418和C409構成的低通濾波器。其截止頻率為f p =30Hz有利于濾除電路中的尖峰噪聲。電路采用兩級運放，第一級為I/V轉換，第二級為電壓反相放大。調節可變衰減器，電機走完全程，觀(guān)察到檢波電流最大值為50.9μ A,因此電路中RF4=1K,R416=1K,RF5=45K,由Vout1=-RF4*I知，經(jīng)過(guò)第一級I/V轉換之后最大電壓為50.9mV,再經(jīng)過(guò)放大，最終輸出電壓最大為2.291V,滿(mǎn)足S3C44B0的A/D轉換輸入要求。

　　4.軟件設計

　　4.1 下位機軟件

　　系統開(kāi)機復位后，進(jìn)入while(1)死循環(huán)，時(shí)刻檢測上位機是否發(fā)來(lái)測量頻率的命令，當接受到測量頻率命令后，調用測頻率模塊子程序。頻率測量子程序中，電機走完全程需要1854步，每一步帶動(dòng)諧振腔走0.005mm,每一步耗時(shí)44.44ms,電機每走動(dòng)一步，把100次檢波電流的A/D轉換數據求平均值后再通過(guò)串口發(fā)送到上位機顯示。

　　4.2 上位機軟件設計

　　在虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW中，可以利用基于VISA的儀器驅動(dòng)模板中的I/O接口函數來(lái)方便快速地開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序。本系統中通過(guò)PC機和主控芯片S3C44BO的RS232串行通信實(shí)現數據采集的驅動(dòng)程序正是使用這種方法。

　　如圖3-5頻率測量的labview程序圖。首先用最大值與最小值函數求出采集到的電流數據的最小值，并求出其對應的索引值，即步進(jìn)電機在哪一步采集到的電流值，從而把這個(gè)索引值反饋回頻率數組，求出其對應的元素，則為所測頻率。

　　5.信號源輸出頻率測量實(shí)驗結果及分析

　　為了在上位機的LabVIEW界面得到所測量的微波信號頻率，需在界面中顯示出檢波電流--頻率曲線(xiàn)，從而可明顯讀出檢波電流的“吸收波谷點(diǎn)”.需通過(guò)定標法先手工測量頻率--距離(當前測量點(diǎn)與起始點(diǎn)的距離，可由套筒刻度算出)的一組盡可能多的數據點(diǎn)，然后利用步進(jìn)電機每走一步的距離，就可以把距離轉化為步數，再用matlab擬合出頻率--步數的關(guān)系函數。從而可知道步進(jìn)電機走到哪一步對應哪一個(gè)頻率。電機走完全程需要1854步，那么把步數對應的1854個(gè)頻率值組成一個(gè)數組作為曲線(xiàn)的橫坐標，并把采集到的1854個(gè)電流值作為縱坐標。

　　限于本信號源頻率及諧振式頻率計測量范圍的影響，本系統只能在8.48GHz和9.9GHz范圍內測量。因此從套筒的起始位置9.9mm(對應于頻率8 . 4 8 G H z )，截止位置0 . 6 3 m m (對應于頻率9.9GHz)，其全長(cháng)為9.9mm-0.63mm=9.27mm.由于電機帶動(dòng)套筒每步的距離非常小，因此不能直接測量步進(jìn)電機一步的距離，利用步進(jìn)電機沒(méi)有累計誤差的特點(diǎn)，采用步進(jìn)電機走動(dòng)180步，測出套筒刻度前后位置差，得出步進(jìn)電機帶動(dòng)套筒每一步移動(dòng)平均距離為0.005mm.手工測出頻率與刻度的42組數據點(diǎn)，利用MATLAB擬合出圖5-1所示曲線(xiàn)。用MATLAB擬合出頻率f 與刻度L 線(xiàn)性關(guān)系函數為f = ?0.1456* L + 9.9917(0.63mm ≤ L ≤ 9.9mm)。由于電機每步帶動(dòng)套筒移動(dòng)0.005mm,起始位置在0.63mm,即步進(jìn)電機走一步后，套筒的位置在0.63mm+0.005mm=0.635mm,而步進(jìn)電機走完全程需要1854步，套筒的截止位置在0.63+0.005*1854=9.9mm.則刻度L 與步數n 的關(guān)系函數為L(cháng) = 0.005n + 0.63(0 ≤ n ≤1854)。

　　可推導出頻率f 與步數n的函數關(guān)系式為f = ?0.000728n + 9.9(0 ≤ n ≤1854)。把步數對應的1854個(gè)頻率值組成一個(gè)數組作為曲線(xiàn)的橫坐標，并把采集到的1854個(gè)電流值作為縱坐標，利用PC機在LabVIEW描繪的波形圖如圖5-2所示。

　　再由LabVIEW自動(dòng)計算檢波電流最小值對應的頻率值，如圖5-4所示?？芍@時(shí)信號源輸出頻率為9.337GHz.

　　與手工測量做對比。換上可直接測出頻率的諧振式頻率計，測得這時(shí)的頻率為9.357GHz,所以自動(dòng)測量與手動(dòng)測量的相對誤差為：

　　本系統設定步進(jìn)電機走完全程需要82.4秒，不能設得走太快的原因是防止步進(jìn)電機“丟步”(漏掉了脈沖沒(méi)有運動(dòng)到指定的位置)。另外太快很可能檢測不到檢波電流的“波谷點(diǎn)”.而手工測量一次信號源的輸出頻率，通常要兩分多鐘，可見(jiàn)本系統自動(dòng)測量的實(shí)用性。