基于ARM的微波頻率自動測量系統設計

1.引言

通常微波所指的是分米波、厘米波和毫米波。關于其頻率范圍，一種說法是：

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

微波技術的興起和蓬勃發展，使得國內大多數高校都開設微波技術課程。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，然后手工計算實驗結果并繪圖。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的速調管微波頻率自動測量系統。

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。微處理器通過驅動電路來控制步進電機，帶動諧振式頻率計的套筒轉動，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。可通過PLL鎖相環倍頻高至66MHz;71個通用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，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 諧振式頻率計自動測量電路的設計

3.3.1 定標法測頻率原理

為了實現頻率的自動化測量，本系統采用步進電機帶動頻率計的轉動，當腔體轉到了諧振位置時候，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，而這個位置對應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，所以先要用定標的方法，擬合出頻率與刻度的對應關系式。定標法：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，然后再轉動只讀式頻率計，到另外一個諧振位置，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，根據測得數據再用最小二乘法擬合出兩者的對應關系式。最后改換用步進電機帶動非只讀式頻率計轉動，當轉動到檢波電流出現明顯的“吸收谷”時，讀得這時的刻度，根據擬合出來的刻度與頻率關系式，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化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度，達到調速的目的。

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

通過光耦器件TLP521可將驅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泄放繞組電流。

電路中用到微處理器S3C44B0引腳PC0,PC1,PC2給驅動電路分別輸出使能，正反轉，時鐘信號，通過控制輸出脈沖的間隔可以控制電機轉動的速率，而輸出脈沖個數可控制步進電機走動的步數，達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。故可觀察檢波電流是否出現“吸收波谷”來判斷腔體是否到達諧振位置。本系統將檢波電流經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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