微波技術實驗中數字檢流計設計與應用

張 蘭, 岳顯昌, 夏 彤, 陳小橋, 朱燕霙

(武漢大學 電子信息學院, 湖北 武漢 430072)

微波技術實驗中數字檢流計設計與應用

張 蘭, 岳顯昌, 夏 彤, 陳小橋, 朱燕霙

(武漢大學 電子信息學院, 湖北 武漢 430072)

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

數字檢流計; 微波技術實驗; 單片機

“微波技術”是高等院校的電子信息類專業的一門重要課程,其前導課程是“電磁場理論”,其內容涵蓋了傳輸線理論、導波理論、微波網絡理論等重要內容,該課程為后續課程如射頻電路設計、天線原理及設計等課程的順利開設提供了保障[1]。作為微波技術課程的實踐部分,微波技術實驗將抽象的微波概念轉化為具體的實驗內容,讓學生通過微波測量、系統設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、駐波比等相關參數的測量。雖然近年來各高校在微波技術實驗中逐漸增加了系統仿真和天線設計等內容[3-5],但考慮到微波測量實驗的直觀性和重要性,該部分的內容仍然是微波技術相關實驗的重要組成部分[6-7]。

考慮到微波設備的復雜度和實驗的建設成本,目前高校開設的微波技術實驗中的微波測量部分仍然是基于波導測量線[8-10],其內容涵蓋了波導波長測量、駐波比測量、阻抗測量、匹配電路設計、二端口網絡參量測量等[11],而這些實驗都需要利用測量終端來實現對波導測量線輸出的信號進行檢測,從而基于測量結果進行相關參數的計算。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置得比較小,因此經開縫的波導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,對實驗結果的準確性和可靠性有著較大影響。傳統微波測量系統中的檢流計多采用光點檢流計,其數據直觀、靈敏度很高,但是也存在諸多問題,如零點不易調節、易受環境干擾、穩定性差、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,本文從實驗教學開展和實驗室維護的角度出發,設計了一款數字式檢流計,該檢流計基于MSP430系列單片機,采用數字測量的方法來完成對微弱電流的連續監測,該數字式檢流計結構簡單,成本較低,不易被外界環境干擾,測量結果的穩定性優于光點式檢流計,在微波技術實驗中,用它來替代光點檢流計,能夠更好地滿足實驗要求。

1 數字檢流計的工作原理

微波測量系統通常主要由微波信號源、隔離器、衰減器、波長計、定向耦合器、波導測量線、檢流計和負載構成。測量線上耦合到晶體檢波器的微弱信號經晶體檢波器轉換成電流輸出,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變為弱電壓信號,然后通過對小信號完成放大后再進行數字化處理[13]。

本文設計的數字檢流計原理框圖見圖1,外觀見圖2。為了達到單片機內置A/D轉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采樣轉換成數字信號,由數碼管來顯示測量結果。

圖1 數字檢流計的原理框圖

圖2 數字檢流計的外觀圖

2 硬件系統設計

數字檢流計的硬件電路由信號調理電路、A/D采樣及顯示電路和電源電路構成,如圖3所示,PCB板實物圖見圖4。

圖3 電路結構框圖

圖4 PCB實物圖

2.1 信號調理電路

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

I/V轉換,通過在調理電路前端并接2 MΩ電阻實現電流信號到電壓信號的轉換。由于晶體檢波器的電勢比模擬地的電勢低,電流經I/V轉換后變為負電壓信號。在微波測量中,主要關注的是測量結果的相對值,如波腹點與波節點的電壓之比等,而很少關注絕對值,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,前級的放大倍數為10,后級的放大倍數在10倍以上。直流放大部分采用由OPA277組成的放大電路,OPA277為TI公司生產的高精度、低噪聲運算放大器。通過精密電位器,在兩級均設置了調零電路,實現零點調節。在主放大級,基于電位器設置了增益調節電路,方便實驗中根據實際情況進行增益調節。

經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I/V轉換后輸入電壓為負值,經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；由于放大倍數可調,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采樣及數碼管顯示。

圖5 信號調理電路原理圖

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、數碼管的顯示控制及電路復位等功能。

MCU選用TI公司生產的MSP430G255單片機,該單片機內置10位A/D,可以降低電路設計的復雜度,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,轉換結果在0～1023的范圍內,這樣結合所選用的A/D的位寬和信號變化范圍,用4位7段數碼管來顯示就完全可以滿足測量要求,因此選用4位復用共陰極數碼管,其驅動選用7段數碼管專用的74HC573芯片。用MSP430G255的P2.0—P2.7口完成對4個數碼管各段的控制,利用MSP430G255的P1.4—P1.7口來輪流刷新四位數碼管,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 電源電路設計

電源電路主要完成AC-DC轉換、DC-DC轉換,實現為各模塊供電的功能。

AC-DC轉換主要完成室電向直流低電壓的轉換,電路原理圖見圖7。

DC-DC轉換為各個模塊供電,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轉換的輸入范圍為DC 0～3.3 V,數碼管驅動74HC573芯片采用DC 5 V供電。電源和地之間均選用電容去耦。

3 程序設計

數字檢流計上電后,電源電路和信號調理電路即開始工作,單片機初始化后,開始啟動單通道單次A/D轉換,轉換多次后取均值刷新數碼管的顯示,如此反復,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轉換電路原理圖

圖8 DC-DC轉換電路原理圖

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,否則數碼管不能正常顯示。為了節省GPI口,四位數碼管的寫入引腳是復用的,所以必須依次刷新。為了使數碼管的顯示連續,必須控制好A/D轉換和每位數碼管刷新的時間間隔。每位數碼管控制位為低時,該數碼管使能,其余為滅,且同一時刻只能有一位數碼管亮,調整好每位數碼管發光時間和刷新間隔,可利用人眼視覺殘留效應使人看到的顯示連續。

4 測試結果

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

圖10 駐波測量結果

5 結語

本文從實驗教學和實驗室維護的角度出發,設計的這款數字式檢流計,結構簡單、成本較低、不易被外界環境干擾、測量結果穩定,在微波技術實驗中,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年武漢大學校級教學改革研究項目“電子信息學科微波技術課程實踐教學改革”(JG201452)

張蘭(1982—)，女，湖北棗陽，博士，實驗師，主要從事微波技術與射頻實驗教學工作

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及科研工作.

E-mail：yuexc@whu.edu.cn

TM931

: A

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