微波測量線中信號采集與處理系統(tǒng)

王朋博　晁衛(wèi)東　王波

摘要：微波測量信號的自動采集和處理由硬、軟件組成。該硬件用作微波信號自動采集和處理，可實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)和微波信號的自動采集和處理。一種基于LabVIEW的軟件開發(fā)平臺，一種虛擬波長測試系統(tǒng)，表示微波測量線的自動提取處理。在傳感器、數(shù)據(jù)采集、微波測量線和設(shè)備硬件平臺上，開發(fā)了使用VC++進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和微波信號處理的數(shù)據(jù)采集設(shè)備驅(qū)動程序捕獲工具。對微波長度等參數(shù)在虛擬儀器平臺上進(jìn)行了測試和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;虛擬儀器;數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)處理;微波測量線

微波測量線是微波測量的重要組成部分，但測量是重復(fù)的、復(fù)雜的和不準(zhǔn)確的。以前主要是手工完成的，用探針測量。1980年代以來，幾所高校和研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了自動測量線路，利用微機(jī)制作為控制中心、信號識別和獨(dú)立驅(qū)動器。該系統(tǒng)相對寬松，體積大，使用難度大。為此，許多研究者進(jìn)行了綜合研究，以簡化和提高實(shí)驗(yàn)效率，并取得了一些成果。但是，實(shí)施自動控制的部分使用了技術(shù)上先進(jìn)的馬達(dá)絲杠驅(qū)動，成本高昂且成本高昂。

一、原理介紹

在微波傳輸線中，負(fù)荷與終端上安裝的連接不完全相同，傳輸線形成波的終端反射，負(fù)荷因脈沖而異。駐波狀態(tài)是載荷反射系數(shù)的大小、振幅和載荷反射系數(shù)的角度決定。因此，如果可以測量駐波的電場分布，就可以知道負(fù)載的反射系數(shù)。測量線可測量傳輸線上的駐波，主要用于測量探針在不同位置檢測到的場強(qiáng)。根據(jù)檢測信號的最大值和最小值以及讀出強(qiáng)度的位置，可以計(jì)算波導(dǎo)的波長和駐波比。通過設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)了一套能夠測量任意點(diǎn)位移和場強(qiáng)的系統(tǒng)。

二、測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

測量系統(tǒng)是一種基于USB的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)行時，微波探測器檢測微波側(cè)面的微波強(qiáng)度信號。微波側(cè)波濾波器的位置由刻度光柵和用于轉(zhuǎn)換電信信號的光門組成。然后將數(shù)字處理信號發(fā)送到數(shù)據(jù)采集單元。最后，使用LabVIEW軟件完成虛擬機(jī)設(shè)計(jì)。儀表板度量和流程結(jié)果、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.信號采集傳感器。如圖1，兩個輸入信號組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，第一個電路是微波測量線上的微波強(qiáng)度信號。它由微波測量線上的微波探測器檢測。微波探測器由微波晶體二極管檢測。它可以將微波波段的微波強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為低頻電信號強(qiáng)度，用于一般電子設(shè)備的測量。第二個是傳感器位置信號的檢測。首先將傳感器在微波測量線上的位置轉(zhuǎn)換為刻度盤光柵，然后光電門被刻度盤光柵屏蔽，最后將位置轉(zhuǎn)換為電信號，完成信息采集。

2.數(shù)據(jù)收集工具。系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)采集儀器是一個帶有USB接口的多通道信號采集器和內(nèi)部微電流放大系統(tǒng)。A/D信號與光電檢測信號一起通過整流電路輸入。A/D通用的8通道12位。A/D在檢測到直流信號后接收直流信號，帶有集成采樣的多選擇電路輸出在轉(zhuǎn)換過程中保持不變信號。光電傳感器提供的地址計(jì)數(shù)器脈沖也通過軟件發(fā)送到A/D進(jìn)行計(jì)數(shù)，12位模塊的轉(zhuǎn)換符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)收集工具處理的數(shù)字信息通過USB接口發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

三、測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

1.驅(qū)動程序采集程序和LSB文件的創(chuàng)建。由于數(shù)據(jù)采集儀器USB接口使用easyd12動態(tài)鏈接庫進(jìn)行完全數(shù)據(jù)傳輸，LabVIEW無法與其直接通信。因此，數(shù)據(jù)收集驅(qū)動程序是在使用LabVIEW軟件開發(fā)虛擬測試環(huán)境之前用VC++編寫的。編寫驅(qū)動程序收集實(shí)用程序時，從LabVIEW程序中創(chuàng)建CIN節(jié)點(diǎn)開始，然后使用創(chuàng)建源文件C并將程序?qū)懭隒環(huán)境。編輯程序后，它將編譯到VC+環(huán)境中LabVIEW程序標(biāo)識的LSB項(xiàng)目文件中。

2.設(shè)計(jì)測量平臺。設(shè)計(jì)前面板。測量前面板由三個虛擬操作系統(tǒng)、一組處理結(jié)果顯示窗口和其他輸入命令組成。虛擬機(jī)測量平臺的前面板由這一部分組成。左上角的示波器實(shí)時顯示微波強(qiáng)度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)隨傳感器位置的變化而變化。示波器左下角顯示微波強(qiáng)度信號的完整切換曲線。示波器右下角顯示濾波器后面的所有微波信號變化曲線。顯示窗口主要過濾最初收集的數(shù)據(jù)，過濾一些干擾，并比較過濾前后的波形。數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)收集模塊的主程序它由循環(huán)語句While和節(jié)點(diǎn)CIN組成。捕獲進(jìn)程while循環(huán)用于控制。CIN節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集模塊的核心，是測量平臺與數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換和命令傳輸?shù)慕鉀Q方案。

四、微波測量線中波長測量

設(shè)計(jì)的微波測量線波長測量系統(tǒng)。將兩路數(shù)據(jù)采集傳感器和光電門連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備，刻度盤光柵旋轉(zhuǎn)，將檢波器到指定設(shè)計(jì)運(yùn)動范圍內(nèi)的微波測量線，微波變化的值，用于自動測量測量長度范圍內(nèi)測量線的位置，并通過自動化系統(tǒng)進(jìn)行處理。最終結(jié)果通過虛擬機(jī)測量平臺界面顯示，用于測試前面板的狀態(tài)。在此接口上可以直接讀取微波長度。為了使自動測量具有代表性和普遍性，該測試以五種不同的頻率進(jìn)行，如表1所示。為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，在每個頻帶上平均進(jìn)行重復(fù)測量，如表1所示。

表1f表示了標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器的微波導(dǎo)體頻率輸出，其中λ0是頻率測量儀測量的理論自由空間波長，λ是自由空間波長的平均值，以及測試系統(tǒng)測量的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。η表示自由空間波長度與自由空間波理論長度之間的實(shí)測誤差。表中的數(shù)據(jù)表明測量誤差小，測量精度高，測試結(jié)果良好。測量員可以利用微波信號采集和處理微波參數(shù)。

本文采用數(shù)據(jù)采集裝置、位移傳感器和微波傳感器采集和處理微波數(shù)據(jù)，與現(xiàn)代虛擬機(jī)技術(shù)配合使用。測試實(shí)例表明，測量系統(tǒng)不僅縮短了測量時間，而且提高了測量精度。

參考文獻(xiàn)

[1]李平.LabVIEW高級程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2020.