基于ARM的微波頻率自動測量系統(tǒng)設(shè)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，一種說法是：

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

微波技術(shù)的興起和蓬勃發(fā)展，使得國內(nèi)大多數(shù)高校都開設(shè)微波技術(shù)課程。但還存在以下問題：測量時，由手工逐點移動探頭并記錄各點讀數(shù)，然后手工計算實驗結(jié)果并繪圖。測量項目單一、精度低、測量周期長，操作也較為繁瑣。本文主要研究一種實用的基于Labview的速調(diào)管微波頻率自動測量系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。由下位機跟上位機構(gòu)成。微處理器通過驅(qū)動電路來控制步進電機，帶動諧振式頻率計的套筒轉(zhuǎn)動，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(shù)據(jù)處理功能，分析出電流最小值，計算出所測頻率。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 微處理器系統(tǒng)電路的設(shè)計

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

3.2 復(fù)位電路

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

3.3 諧振式頻率計自動測量電路的設(shè)計

3.3.1 定標(biāo)法測頻率原理

為了實現(xiàn)頻率的自動化測量，本系統(tǒng)采用步進電機帶動頻率計的轉(zhuǎn)動，當(dāng)腔體轉(zhuǎn)到了諧振位置時候，到達(dá)檢波器的微波功率明顯下降，檢波電流出現(xiàn)明顯的下降，而這個位置對應(yīng)的頻率就是所測頻率。步進電機帶動下的是非只讀式頻率計，所以先要用定標(biāo)的方法，擬合出頻率與刻度的對應(yīng)關(guān)系式。定標(biāo)法：同時配合兩種頻率計，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。首先手動轉(zhuǎn)動非只讀式頻率計到一個諧振的位置，記錄這時的刻度，然后再轉(zhuǎn)動只讀式頻率計，到另外一個諧振位置，記錄對應(yīng)的頻率。重復(fù)這種操作，測出盡量多的頻率和刻度對應(yīng)點，根據(jù)測得數(shù)據(jù)再用最小二乘法擬合出兩者的對應(yīng)關(guān)系式。最后改換用步進電機帶動非只讀式頻率計轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動到檢波電流出現(xiàn)明顯的“吸收谷”時，讀得這時的刻度，根據(jù)擬合出來的刻度與頻率關(guān)系式，就可得所測頻率。

3.3.2 步進電機及自動控制電路

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時可通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度，達(dá)到調(diào)速的目的。

本系統(tǒng)采用二相步進電機，具有如下一些特點：只需將電機與驅(qū)動器接線的A+和A-(或者B+和B-)對調(diào)即可實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)動方向;步進角為1.8°的兩相四線混合式步進電機，并把細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為8,電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.225°。為了有效驅(qū)動電機，本文采用了基于TA8435H芯片的驅(qū)動電路。實際應(yīng)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(zhuǎn)控制和時鐘輸入。

通過光耦器件TLP521可將驅(qū)動芯片跟輸入級進行電隔離，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(xì)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電機時，應(yīng)根據(jù)其電流大小選擇合適的R212和R213.R21和C5組成復(fù)位電路，D1~D4快恢復(fù)二極管可用來泄放繞組電流。

電路中用到微處理器S3C44B0引腳PC0,PC1,PC2給驅(qū)動電路分別輸出使能，正反轉(zhuǎn)，時鐘信號，通過控制輸出脈沖的間隔可以控制電機轉(zhuǎn)動的速率，而輸出脈沖個數(shù)可控制步進電機走動的步數(shù)，達(dá)到控制頻率計腔體位置目的。電路輸出端口A, A, B, B接二相步進電機對應(yīng)輸入端子。

3.3.3 檢波電流I/V轉(zhuǎn)換及放大電路

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

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