步進(jìn)電機(jī)控制的微波頻率自動(dòng)測量電路設(shè)計(jì)

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(shí)，由手工逐點(diǎn)移動(dòng)探頭并記錄各點(diǎn)讀數(shù)，然后手工計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果并繪圖。測量項(xiàng)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(shí)用的基于Labview的速調(diào)管微波頻率$自動(dòng)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(jī)跟上位機(jī)構(gòu)成。微處理器通過驅(qū)動(dòng)電路來控制$步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)諧振式頻率計(jì)的套筒轉(zhuǎn)動(dòng)，處理器采樣檢波電流，傳送到上位機(jī)LabVIEW界面顯示，并利用PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，分析出電流最小值，計(jì)算出所測頻率。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 微處理器系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

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(gè)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?yàn)镾3C44B0的復(fù)位信號(hào)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(shí)，電源監(jiān)控芯片RST 引腳立即輸出復(fù)位信號(hào)，使S3C44B0芯片復(fù)位。

3.3 諧振式頻率計(jì)自動(dòng)測量電路的設(shè)計(jì)

3.3.1 定標(biāo)法測頻率原理

為了實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)化測量，本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)頻率計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)腔體轉(zhuǎn)到了諧振位置時(shí)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(gè)位置對(duì)應(yīng)的頻率就是所測頻率。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下的是非只讀式頻率計(jì)，所以先要用定標(biāo)的方法，擬合出頻率與刻度的對(duì)應(yīng)關(guān)系式。定標(biāo)法：同時(shí)配合兩種頻率計(jì)，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(zhuǎn)動(dòng)非只讀式頻率計(jì)到一個(gè)諧振的位置，記錄這時(shí)的刻度，然后再轉(zhuǎn)動(dòng)只讀式頻率計(jì)，到另外一個(gè)諧振位置，記錄對(duì)應(yīng)的頻率。重復(fù)這種操作，測出盡量多的頻率和刻度對(duì)應(yīng)點(diǎn)，根據(jù)測得數(shù)據(jù)再用最小二乘法擬合出兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系式。最后改換用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)非只讀式頻率計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到檢波電流出現(xiàn)明顯的“吸收谷”時(shí)，讀得這時(shí)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。
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3.3.2 步進(jìn)電機(jī)及自動(dòng)控制電路

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)$步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，達(dá)到調(diào)速的目的。

本系統(tǒng)采用$二相步進(jìn)電機(jī)，具有如下一些特點(diǎn)：只需將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線的A+和A-(或者B+和B-)對(duì)調(diào)即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向;步進(jìn)角為1.8°的兩相四線混合式步進(jìn)電機(jī)，并把細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為8,電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個(gè)脈沖0.225°。為了有效驅(qū)動(dòng)電機(jī)，本文采用了基于TA8435H芯片的驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)際應(yīng)用電路如下圖3-2所示，芯片的輸入信號(hào)有使能控制、正反轉(zhuǎn)控制和時(shí)鐘輸入。

通過光耦器件TLP521可將驅(qū)動(dòng)芯片跟輸入級(jí)進(jìn)行電隔離，起到邏輯電平隔離和保護(hù)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(jí)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(jī)時(shí)，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(dòng)電路分別輸出使能，正反轉(zhuǎn)，時(shí)鐘信號(hào)，通過控制輸出脈沖的間隔可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速率，而輸出脈沖個(gè)數(shù)可控制步進(jìn)電機(jī)走動(dòng)的步數(shù)，達(dá)到控制頻率計(jì)腔體位置目的。電路輸出端口A, A, B, B接二相步進(jìn)電機(jī)對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。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(jī)的LabVIEW界面顯示，觀察是否到諧振位置。

由于微波信號(hào)在傳輸過程中受到外部干擾的噪聲，線路的噪聲，元器件的噪聲等等，因此需要濾波電路來濾除這些干擾信號(hào)。由于處理器對(duì)信號(hào)的采集速率比較低，所以本系統(tǒng)采用了時(shí)間常數(shù)比較大的由R418和C409構(gòu)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(jí)運(yùn)放，第一級(jí)為I/V轉(zhuǎn)換，第二級(jí)為電壓反相放大。調(diào)節(jié)$可變衰減器，電機(jī)走完全程，觀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)過第一級(jí)I/V轉(zhuǎn)換之后最大電壓為50.9mV,再經(jīng)過放大，最終輸出電壓最大為2.291V,滿足S3C44B0的A/D轉(zhuǎn)換輸入要求。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)軟件

系統(tǒng)開機(jī)復(fù)位后，進(jìn)入while(1)死循環(huán)，時(shí)刻檢測上位機(jī)是否發(fā)來測量頻率的命令，當(dāng)接受到測量頻率命令后，調(diào)用測頻率模塊子程序。頻率測量子程序中，電機(jī)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(jī)每走動(dòng)一步，把100次檢波電流的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)求平均值后再通過串口發(fā)送到上位機(jī)顯示。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW中，可以利用基于VISA的儀器驅(qū)動(dòng)模板中的I/O接口函數(shù)來方便快速地開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。本系統(tǒng)中通過PC機(jī)和主控芯片S3C44BO的RS232串行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的驅(qū)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(shù)求出采集到的電流數(shù)據(jù)的最小值，并求出其對(duì)應(yīng)的索引值，即步進(jìn)電機(jī)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(shù)組，求出其對(duì)應(yīng)的元素，則為所測頻率。
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5.信號(hào)源輸出頻率測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了在上位機(jī)的LabVIEW界面得到所測量的微波信號(hào)頻率，需在界面中顯示出檢波電流--頻率曲線，從而可明顯讀出檢波電流的“吸收波谷點(diǎn)”.需通過定標(biāo)法先手工測量頻率--距離(當(dāng)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(shù)據(jù)點(diǎn)，然后利用步進(jìn)電機(jī)每走一步的距離，就可以把距離轉(zhuǎn)化為步數(shù)，再用matlab擬合出頻率--步數(shù)的關(guān)系函數(shù)。從而可知道步進(jìn)電機(jī)走到哪一步對(duì)應(yīng)哪一個(gè)頻率。電機(jī)走完全程需要1854步，那么把步數(shù)對(duì)應(yīng)的1854個(gè)頻率值組成一個(gè)數(shù)組作為曲線的橫坐標(biāo)，并把采集到的1854個(gè)電流值作為縱坐標(biāo)。

限于本信號(hào)源頻率及諧振式頻率計(jì)測量范圍的影響，本系統(tǒng)只能在8.48GHz和9.9GHz范圍內(nèi)測量。因此從套筒的起始位置9.9mm(對(duì)應(yīng)于頻率8 . 4 8 G H z )，截止位置0 . 6 3 m m (對(duì)應(yīng)于頻率9.9GHz)，其全長為9.9mm-0.63mm=9.27mm.由于電機(jī)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(jī)一步的距離，利用步進(jìn)電機(jī)沒有累計(jì)誤差的特點(diǎn)，采用步進(jìn)電機(jī)走動(dòng)180步，測出套筒刻度前后位置差，得出步進(jìn)電機(jī)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(shù)據(jù)點(diǎn)，利用MATLAB擬合出圖5-1所示曲線。用MATLAB擬合出頻率f 與刻度L 線性關(guān)系函數(shù)為f = ?0.1456* L + 9.9917(0.63mm ≤ L ≤ 9.9mm)。由于電機(jī)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(jī)走一步后，套筒的位置在0.63mm+0.005mm=0.635mm,而步進(jìn)電機(jī)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(shù)n 的關(guān)系函數(shù)為L = 0.005n + 0.63(0 ≤ n ≤1854)。

可推導(dǎo)出頻率f 與步數(shù)n的函數(shù)關(guān)系式為f = ?0.000728n + 9.9(0 ≤ n ≤1854)。把步數(shù)對(duì)應(yīng)的1854個(gè)頻率值組成一個(gè)數(shù)組作為曲線的橫坐標(biāo)，并把采集到的1854個(gè)電流值作為縱坐標(biāo)，利用PC機(jī)在LabVIEW描繪的波形圖如圖5-2所示。

再由LabVIEW自動(dòng)計(jì)算檢波電流最小值對(duì)應(yīng)的頻率值，如圖5-4所示。可知這時(shí)信號(hào)源輸出頻率為9.337GHz.

與手工測量做對(duì)比。換上可直接測出頻率的諧振式頻率計(jì)，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(duì)誤差為：

本系統(tǒng)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)走完全程需要82.4秒，不能設(shè)得走太快的原因是防止步進(jìn)電機(jī)“丟步”(漏掉了脈沖沒有運(yùn)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(hào)源的輸出頻率，通常要兩分多鐘，可見本系統(tǒng)自動(dòng)測量的實(shí)用性。