基于ARM的微波频率自动测量系统设计

1.引言

通常微波所指的是分米波、厘米波和毫米波。关于其频率范围，一种说法是：

300MHz ~ 300GHz(1MHz =106Hz,1GHz =109 )相应的自由空间中的波长约为1m~1mm.

微波技术的兴起和蓬勃发展，使得国内大多数高校都开设微波技术课程。但还存在以下问题：测量时，由手工逐点移动探头并记录各点读数，然后手工计算实验结果并绘图。测量项目单一、精度低、测量周期长，操作也较为繁琐。本文主要研究一种实用的基于Labview的速调管微波频率自动测量系统。

2.系统整体结构

系统的整体结构如图2-1所示。由下位机跟上位机构成。微处理器通过驱动电路来控制步进电机，带动谐振式频率计的套筒转动，处理器采样检波电流，传送到上位机LabVIEW界面显示，并利用PC机强大的数据处理功能，分析出电流最小值，计算出所测频率。

3.系统硬件设计

3.1 微处理器系统电路的设计

本系统选用的微处理器是S3C44B0.2.5VARM7TDMI内核，3.0~3.6V的I/O操作电压范围。可通过PLL锁相环倍频高至66MHz;71个通用I/O口;内嵌有8通道10位ADC,本系统选取了通道1作为晶体检波器电流输入通道。

3.2 复位电路

系统没有采用RC电路作为复位电路，而使用了电压监控芯片SP708SE,提高了系统的可靠性。复位电路的RST 端连接到S3C44B0的复位引脚nRESET,因为S3C44B0的复位信号是低电平有效，所以当系统掉电或复位按键SW_RST被按下时，电源监控芯片RST 引脚立即输出复位信号，使S3C44B0芯片复位。

3.3 谐振式频率计自动测量电路的设计

3.3.1 定标法测频率原理

为了实现频率的自动化测量，本系统采用步进电机带动频率计的转动，当腔体转到了谐振位置时候，到达检波器的微波功率明显下降，检波电流出现明显的下降，而这个位置对应的频率就是所测频率。步进电机带动下的是非只读式频率计，所以先要用定标的方法，拟合出频率与刻度的对应关系式。定标法：同时配合两种频率计，一种是只读式的，可直接读出频率;另一种是非只读式的，只有刻度，不能直接读出频率。首先手动转动非只读式频率计到一个谐振的位置，记录这时的刻度，然后再转动只读式频率计，到另外一个谐振位置，记录对应的频率。重复这种操作，测出尽量多的频率和刻度对应点，根据测得数据再用最小二乘法拟合出两者的对应关系式。最后改换用步进电机带动非只读式频率计转动，当转动到检波电流出现明显的"吸收谷"时，读得这时的刻度，根据拟合出来的刻度与频率关系式，就可得所测频率。

3.3.2 步进电机及自动控制电路

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，达到调速的目的。

本系统采用二相步进电机，具有如下一些特点：只需将电机与驱动器接线的A+和A-(或者B+和B-)对调即可实现电机的转动方向;步进角为1.8°的两相四线混合式步进电机，并把细分驱动器的细分数设置为8,电机的运转分辨率为每个脉冲0.225°。为了有效驱动电机，本文采用了基于TA8435H芯片的驱动电路。实际应用电路如下图3-2所示，芯片的输入信号有使能控制、正反转控制和时钟输入。

通过光耦器件TLP521可将驱动芯片跟输入级进行电隔离，起到逻辑电平隔离和保护作用。

M1,M2分别接高电平，所以为1/8细分方式。

由于REF IN引脚接高电平，因此VNF为0.8V.

输出级斩波电流为VNF/RNF=0.8/0.8=1A,因此R212、R213要选用功率大一些的电阻。选用不同的二相步进电机时，应根据其电流大小选择合适的R212和R213.R21和C5组成复位电路，D1~D4快恢复二极管可用来泄放绕组电流。

电路中用到微处理器S3C44B0引脚PC0,PC1,PC2给驱动电路分别输出使能，正反转，时钟信号，通过控制输出脉冲的间隔可以控制电机转动的速率，而输出脉冲个数可控制步进电机走动的步数，达到控制频率计腔体位置目的。电路输出端口A, A, B, B接二相步进电机对应输入端子。

3.3.3 检波电流I/V转换及放大电路

检波晶体的作用是将微波微弱信号转换成直流信号。故可观察检波电流是否出现"吸收波谷"来判断腔体是否到达谐振位置。本系统将检波电流经过处理之后传送到上位机的LabVIEW界面显示，观察是否到谐振位置。

由于微波信号在传输过程中受到外部干扰的噪声，线路的噪声，元器件的噪声等等，因此需要滤波电路来滤除这些干扰信号。由于处理器对信号的采集速率比较低，所以本系统采用了时间常数比较大的由R418和C409构成的低通滤波器。其截止频率