基于ARM的微波頻率自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yīng)的自由空間中的波長(zhǎng)約為1m~1mm.

微波技術(shù)的興起和蓬勃發(fā)展，使得國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校都開(kāi)設(shè)微波技術(shù)課程。但還存在以下問(wèn)題：測(cè)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(cè)量項(xiàng)目單一、精度低、測(cè)量周期長(zhǎng)，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(cè)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(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)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(cè)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。可通過(guò)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(méi)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(cè)量電路的設(shè)計(jì)

3.3.1 定標(biāo)法測(cè)頻率原理

為了實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)化測(cè)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(cè)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(cè)出盡量多的頻率和刻度對(duì)應(yīng)點(diǎn)，根據(jù)測(cè)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(lái)的刻度與頻率關(guān)系式，就可得所測(cè)頻率。

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^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)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(guò)控制脈沖頻率來(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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。

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