微波技術(shù)實驗中數(shù)字檢流計設(shè)計與應(yīng)用

張 蘭, 岳顯昌, 夏 彤, 陳小橋, 朱燕霙

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院, 湖北 武漢 430072)

微波技術(shù)實驗中數(shù)字檢流計設(shè)計與應(yīng)用

張 蘭, 岳顯昌, 夏 彤, 陳小橋, 朱燕霙

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院, 湖北 武漢 430072)

傳統(tǒng)微波技術(shù)實驗中,主要利用光點式檢流計,在測量結(jié)果的精度性和穩(wěn)定性方面顯得不足,不能滿足實驗教學(xué)和實驗室維護方面的需求。因此,設(shè)計了一款基于集成運放和MSP430單片機控制的數(shù)字檢流計,并從該數(shù)字檢流計的設(shè)計原理出發(fā),對其硬件設(shè)計、電路實現(xiàn)、外觀設(shè)計、軟件編寫和結(jié)果測量等方面進行了詳細論述。實測結(jié)果表明,該數(shù)字檢流計精度高,穩(wěn)定性較好,且成本低廉,能夠更好地滿足微波技術(shù)實驗教學(xué)的要求。

數(shù)字檢流計; 微波技術(shù)實驗; 單片機

“微波技術(shù)”是高等院校的電子信息類專業(yè)的一門重要課程,其前導(dǎo)課程是“電磁場理論”,其內(nèi)容涵蓋了傳輸線理論、導(dǎo)波理論、微波網(wǎng)絡(luò)理論等重要內(nèi)容,該課程為后續(xù)課程如射頻電路設(shè)計、天線原理及設(shè)計等課程的順利開設(shè)提供了保障[1]。作為微波技術(shù)課程的實踐部分,微波技術(shù)實驗將抽象的微波概念轉(zhuǎn)化為具體的實驗內(nèi)容,讓學(xué)生通過微波測量、系統(tǒng)設(shè)計等加深對理論知識的理解、認識與掌握[2]。微波測量主要完成對微波信號和微波電路的功率、波長、駐波比等相關(guān)參數(shù)的測量。雖然近年來各高校在微波技術(shù)實驗中逐漸增加了系統(tǒng)仿真和天線設(shè)計等內(nèi)容[3-5],但考慮到微波測量實驗的直觀性和重要性,該部分的內(nèi)容仍然是微波技術(shù)相關(guān)實驗的重要組成部分[6-7]。

考慮到微波設(shè)備的復(fù)雜度和實驗的建設(shè)成本,目前高校開設(shè)的微波技術(shù)實驗中的微波測量部分仍然是基于波導(dǎo)測量線[8-10],其內(nèi)容涵蓋了波導(dǎo)波長測量、駐波比測量、阻抗測量、匹配電路設(shè)計、二端口網(wǎng)絡(luò)參量測量等[11],而這些實驗都需要利用測量終端來實現(xiàn)對波導(dǎo)測量線輸出的信號進行檢測,從而基于測量結(jié)果進行相關(guān)參數(shù)的計算。考慮到元件的輸入功率限制以及微波輻射等因素,實驗中微波信號源的輸出功率一般設(shè)置得比較小,因此經(jīng)開縫的波導(dǎo)測量線進入晶體檢波器的信號也很微弱,最終輸出的信號電流一般低于1 μA。實驗中,一般是依靠檢流計來完成對該微弱電流信號的測量,因此檢流計作為指示器,對實驗結(jié)果的準確性和可靠性有著較大影響。傳統(tǒng)微波測量系統(tǒng)中的檢流計多采用光點檢流計,其數(shù)據(jù)直觀、靈敏度很高,但是也存在諸多問題,如零點不易調(diào)節(jié)、易受環(huán)境干擾、穩(wěn)定性差、易出故障等[12-13]。外界的輕微振動就會造成指針的擺動,因此在實驗過程中要嚴格避免檢流計受震動。

針對這些問題,本文從實驗教學(xué)開展和實驗室維護的角度出發(fā),設(shè)計了一款數(shù)字式檢流計,該檢流計基于MSP430系列單片機,采用數(shù)字測量的方法來完成對微弱電流的連續(xù)監(jiān)測,該數(shù)字式檢流計結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,不易被外界環(huán)境干擾,測量結(jié)果的穩(wěn)定性優(yōu)于光點式檢流計,在微波技術(shù)實驗中,用它來替代光點檢流計,能夠更好地滿足實驗要求。

1 數(shù)字檢流計的工作原理

微波測量系統(tǒng)通常主要由微波信號源、隔離器、衰減器、波長計、定向耦合器、波導(dǎo)測量線、檢流計和負載構(gòu)成。測量線上耦合到晶體檢波器的微弱信號經(jīng)晶體檢波器轉(zhuǎn)換成電流輸出,該電流值可通過檢流計讀取。由于測量線輸出的反映開槽線內(nèi)場分布的檢波電流值很小,通常低于1 μA,很難直接檢測,因此要完成對電流的測量,不能直接進行采樣,首先需要將弱電流轉(zhuǎn)變?yōu)槿蹼妷盒盘?然后通過對小信號完成放大后再進行數(shù)字化處理[13]。

本文設(shè)計的數(shù)字檢流計原理框圖見圖1,外觀見圖2。為了達到單片機內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換所需要的電壓范圍,首先需要將晶體檢波二極管的檢波電流通過I/V轉(zhuǎn)化成電壓,再由放大電路放大,同時加入低通濾波器濾掉高頻干擾成分,然后由A/D采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,由數(shù)碼管來顯示測量結(jié)果。

圖1 數(shù)字檢流計的原理框圖

圖2 數(shù)字檢流計的外觀圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)字檢流計的硬件電路由信號調(diào)理電路、A/D采樣及顯示電路和電源電路構(gòu)成,如圖3所示,PCB板實物圖見圖4。

圖3 電路結(jié)構(gòu)框圖

圖4 PCB實物圖

2.1 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要完成對輸入的弱電流信號進行I/V轉(zhuǎn)換、兩級放大及濾波處理,電路原理圖見圖5。

I/V轉(zhuǎn)換,通過在調(diào)理電路前端并接2 MΩ電阻實現(xiàn)電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換。由于晶體檢波器的電勢比模擬地的電勢低,電流經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換后變?yōu)樨撾妷盒盘枴Ｔ谖⒉y量中,主要關(guān)注的是測量結(jié)果的相對值,如波腹點與波節(jié)點的電壓之比等,而很少關(guān)注絕對值,因此采用這種方式進行I/V變換是能滿足測量需求的。

轉(zhuǎn)換輸出的弱電壓信號送入信號放大部分,該部分采用由前端放大電路和可調(diào)主放大電路組成的二級放大電路,兩級均采用同相比例放大,前級的放大倍數(shù)為10,后級的放大倍數(shù)在10倍以上。直流放大部分采用由OPA277組成的放大電路,OPA277為TI公司生產(chǎn)的高精度、低噪聲運算放大器。通過精密電位器,在兩級均設(shè)置了調(diào)零電路,實現(xiàn)零點調(diào)節(jié)。在主放大級,基于電位器設(shè)置了增益調(diào)節(jié)電路,方便實驗中根據(jù)實際情況進行增益調(diào)節(jié)。

經(jīng)兩級放大后的信號再通過二階反相型低通有源濾波器[14]。二階反相型低通有源濾波器的作用:經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換后輸入電壓為負值,經(jīng)過兩次同相放大后依然為負電壓,需要通過一次反相放大變換為正電壓以送入A/D采樣；放大過程中不可避免地產(chǎn)生高頻噪聲,需要用低通濾波器對噪聲進行抑制；由于放大倍數(shù)可調(diào),主放大級的輸出電壓可能達到滿偏而超過A/D采樣的耐壓值,為保護A/D采樣電路,需要用比例電路對主放大級的輸出電壓進行限幅。二階反相型低通有源濾波器仍采用OPA277運放,輸出信號送入A/D采樣及數(shù)碼管顯示。

圖5 信號調(diào)理電路原理圖

2.2 A/D采樣及顯示電路

A/D采樣及顯示電路由單片機控制,主要完成信號采樣、數(shù)碼管的顯示控制及電路復(fù)位等功能。

MCU選用TI公司生產(chǎn)的MSP430G255單片機,該單片機內(nèi)置10位A/D,可以降低電路設(shè)計的復(fù)雜度,且該單片機具有超低功耗等特點[15]。實驗中原來采用的光點檢流計的量程一般為0～65,分辨率為1 μA,而本文所選用的A/D位寬為10,轉(zhuǎn)換結(jié)果在0～1023的范圍內(nèi),這樣結(jié)合所選用的A/D的位寬和信號變化范圍,用4位7段數(shù)碼管來顯示就完全可以滿足測量要求,因此選用4位復(fù)用共陰極數(shù)碼管,其驅(qū)動選用7段數(shù)碼管專用的74HC573芯片。用MSP430G255的P2.0—P2.7口完成對4個數(shù)碼管各段的控制,利用MSP430G255的P1.4—P1.7口來輪流刷新四位數(shù)碼管,并把P1.3口作為A/D輸入通道,這樣既充分利用了MSP430G255單片機的GPIO口,又便于電路的布線。設(shè)計完成的A/D采樣及顯示電路原理圖見圖6。

2.3 電源電路設(shè)計

電源電路主要完成AC-DC轉(zhuǎn)換、DC-DC轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)為各模塊供電的功能。

AC-DC轉(zhuǎn)換主要完成室電向直流低電壓的轉(zhuǎn)換,電路原理圖見圖7。

DC-DC轉(zhuǎn)換為各個模塊供電,電路原理圖見圖8。選用的芯片為低電壓供電的低功耗芯片,運放OPA277采用雙電源供電,MSP430G255的供電電壓為DC 3.3 V,A/D轉(zhuǎn)換的輸入范圍為DC 0～3.3 V,數(shù)碼管驅(qū)動74HC573芯片采用DC 5 V供電。電源和地之間均選用電容去耦。

3 程序設(shè)計

數(shù)字檢流計上電后,電源電路和信號調(diào)理電路即開始工作,單片機初始化后,開始啟動單通道單次A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換多次后取均值刷新數(shù)碼管的顯示,如此反復(fù),程序流程圖見圖9。

圖6 AD采樣及顯示電路原理圖

圖7 AC-DC轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖8 DC-DC轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖9 程序流程圖

GPIO初始化中,P1.4—P1.7及P2.0—P2.7設(shè)置為輸出模式,注意P2.6和P2.7默認為MSP430的晶振輸入口,要先更改為GPIO模式,否則數(shù)碼管不能正常顯示。為了節(jié)省GPI口,四位數(shù)碼管的寫入引腳是復(fù)用的,所以必須依次刷新。為了使數(shù)碼管的顯示連續(xù),必須控制好A/D轉(zhuǎn)換和每位數(shù)碼管刷新的時間間隔。每位數(shù)碼管控制位為低時,該數(shù)碼管使能,其余為滅,且同一時刻只能有一位數(shù)碼管亮,調(diào)整好每位數(shù)碼管發(fā)光時間和刷新間隔,可利用人眼視覺殘留效應(yīng)使人看到的顯示連續(xù)。

4 測試結(jié)果

為了檢驗該數(shù)字檢流計的性能,將其連接到微波測量系統(tǒng)中,將微波測量線終端接短路負載,移動活塞,直接讀取數(shù)碼管的顯示結(jié)果,獲取測量線探針所在位置的電場分布,測量結(jié)果如圖10所示。圖10中,橫軸表示探針在測量線上的位置,縱軸表示數(shù)字檢流計的讀數(shù)(相對值),該測量結(jié)果與理想曲線相吻合,且由此測量值計算得到的波導(dǎo)波長約為42 mm,也與理論值一致。此外,該測量結(jié)果穩(wěn)定,簡潔直觀,不存在因外部振動而影響測量穩(wěn)定性的問題。實測表明,本文設(shè)計的數(shù)字檢流計能滿足微波實驗的需求。

圖10 駐波測量結(jié)果

5 結(jié)語

本文從實驗教學(xué)和實驗室維護的角度出發(fā),設(shè)計的這款數(shù)字式檢流計,結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、不易被外界環(huán)境干擾、測量結(jié)果穩(wěn)定,在微波技術(shù)實驗中,用它來替代光點檢流計,能夠更好地滿足實驗要求。

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Design and application of digital galvanometer in microwave technology experiment

Zhang Lan, Yue Xianchang, Xia Tong, Chen Xiaoqiao, Zhu Yanying

(College of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China )

In the traditional microwave technology experiment, the optical point galvanometer which has the inadequate accuracy and stability, can’t meet the needs of experimental teaching and laboratory maintenance. A digital galvanometer based on integrated operational amplifier and MSP430 microcontroller unit is designed, and the hardware design, circuit implementation, appearance design, software programming and measurement results are discussed in detail from the design principle of the digital galvanometer. The experimental results show that the digital galvanometer has high precision, good stability and low cost, and can better meet the requirements for experimental teaching of microwave technology.

digital galvanometer; microwave technology experiment; microcontroller unit (MCU)

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.023

2016-05-05

2014年武漢大學(xué)校級教學(xué)改革研究項目“電子信息學(xué)科微波技術(shù)課程實踐教學(xué)改革”(JG201452)

張?zhí)m(1982—)，女，湖北棗陽，博士，實驗師，主要從事微波技術(shù)與射頻實驗教學(xué)工作

E-mail：zhanglan@whu.edu.cn

岳顯昌(1975—)，男，遼寧建平，博士，副教授，主要從事空間物理的教學(xué)及科研工作.

E-mail：yuexc@whu.edu.cn

TM931

: A

: 1002-4956(2016)12-0090-05