基于MCS-51單片機(jī)的微波脈沖功率測(cè)試系統(tǒng)

1工作原理

　　本系統(tǒng)充分利用89C51單片機(jī)的控制和計(jì)算能力，采用MCS-51匯編語言，設(shè)計(jì)了一種基于平均功率法的微波脈沖測(cè)試系統(tǒng)。
　　平均功率法測(cè)量的是射頻脈沖復(fù)重周期的平均功率，并采用輔助方法測(cè)出脈沖的占空系數(shù)。設(shè)脈沖為矩形，寬度為τ，重復(fù)周期為T。則脈沖峰值功率為：

上式中，Q=τ/T是射頻脈沖的占空系數(shù)。
　　測(cè)量時(shí)，用示波器顯示其脈沖波形，并測(cè)量脈沖重復(fù)周期T和寬度τ。用測(cè)量連續(xù)波功率的方法測(cè)出脈沖的平均功率Pav。
　　當(dāng)使用衰減器和定向耦合器時(shí)，若衰減器兩端匹配時(shí)的衰減量為A(dB)，定向耦合器的過渡衰減量為C(dB)，方向性為無窮大，則脈沖峰值功率為
　　

當(dāng)脈沖為非理想矩形時(shí)，須乘以修正系數(shù)K進(jìn)行修正，即P_pp= (KP_avT/τ) × 10^(A+C)/10。K等于實(shí)際脈沖的峰值功率電平與具有同樣寬度和面積的等效矩形脈沖電平之比。K經(jīng)常是估計(jì)的，理想矩形脈沖K=1。?

 
2硬件組成

　　本系統(tǒng)硬件主要由測(cè)量模塊和控制模塊組成。

2.1測(cè)量模塊　　

在測(cè)量模塊中，微波信號(hào)被轉(zhuǎn)換成易于進(jìn)一步變換并用低頻裝置加以測(cè)量的電信號(hào)。測(cè)量模塊主要由可調(diào)衰減器、定向耦合器、匹配負(fù)載、峰值檢波器、示波器、熱電偶等組成，如圖1所示。

微波功率經(jīng)可調(diào)衰減器先進(jìn)行一定量的衰減，再由定向耦合器耦合部分能量分別送到熱電偶和峰值檢波器，其余大部分能量由匹配負(fù)載吸收。送往峰值檢波器的信號(hào)由示波器顯示其脈沖波形，并測(cè)量脈沖重復(fù)周期T和寬度τ。送往熱電偶的信號(hào)由熱電偶轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送往控制模塊進(jìn)行處理。

2.2控制模塊

　　控制模塊將測(cè)量模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行處理和顯示并控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，由89C51單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能，分為4個(gè)部分：人機(jī)接口、信號(hào)采集通道、串行通信及微處理器，其組成如圖2所示。

微波信號(hào)經(jīng)測(cè)量模塊轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送到輸入電路，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后由89C51進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、保存、處理，最后在顯示器上顯示。利用89C51的串行通信資源，經(jīng)RS232電平轉(zhuǎn)換，可與PC機(jī)進(jìn)行通信。利用鍵盤可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和操作控制。

2.2.1人機(jī)接口部分

　　系統(tǒng)采用通用型可編程鍵盤和LED顯示器專用智能控制芯片HD7279A，同時(shí)管理8位共陰極LED顯示器和多達(dá)64鍵鍵盤，它具有自動(dòng)掃描顯示、自動(dòng)識(shí)別按鍵代碼、自動(dòng)消除抖動(dòng)等功能。HD7279A和微處理器之間采用串行通信，僅占用4根口線，與微處理器之間的接口電路簡(jiǎn)單，芯片內(nèi)部具有驅(qū)動(dòng)電路，可直接驅(qū)動(dòng)1英寸及以下的LED數(shù)碼管，還具有2種譯碼方式的譯碼電路，外圍電路也簡(jiǎn)單可靠。鍵盤主要由功能鍵和數(shù)字鍵構(gòu)成。顯示器由6個(gè)數(shù)碼管組成，前4個(gè)顯示數(shù)值，后2個(gè)顯示單位。

2.2.2信號(hào)采集通道

　　信號(hào)采集通道主要器件是A/D轉(zhuǎn)換器MC1433。它是具有零漂補(bǔ)償?shù)?位半(BCD碼)單片雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，該芯片只需外加2個(gè)電容和2個(gè)電阻就能實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能。信號(hào)采集通道還包括量程切換電路、調(diào)零電路等。

2.2.3串行通信

　　本系統(tǒng)利用89C51中的串口資源和時(shí)鐘資源實(shí)現(xiàn)和PC的串口通信，利用RS232實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

2.2.4微處理器

　　本系統(tǒng)所用的MCS-51單片機(jī)，采用單總線結(jié)構(gòu)，片內(nèi)帶振蕩器，可輸出時(shí)鐘信號(hào)；1個(gè)全雙工串行I/O接口，可多機(jī)通信；它具有16位地址總線，尋址范圍廣，有強(qiáng)的位尋址、位處理能力；有豐富、簡(jiǎn)明的指令系統(tǒng)。
3軟件表達(dá)
　　本系統(tǒng)軟件采用MCS-51匯編語言編寫，利用Cygnal集成開發(fā)環(huán)境(IDE)進(jìn)行下載調(diào)試。系統(tǒng)軟件主要由以下兩部分構(gòu)成：監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊。

3.1監(jiān)控模塊　

　這一部分實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能、系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)調(diào)零以及實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制，包括鍵盤分析程序、調(diào)零程序等。鍵盤分析程序采用狀態(tài)分析法編寫，對(duì)鍵盤的操作作出識(shí)別并調(diào)用相應(yīng)的功能程序模塊完成預(yù)定的任務(wù)?；究驁D如圖3(a)。

3.2數(shù)據(jù)采集處理模塊

　　本模塊根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的功能和工作方式，控制I/O接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)；按照系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理；管理通信接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。包括自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、超限報(bào)警程序、顯示程序等。基本框圖如圖3(b)。
4誤差分析　　本系統(tǒng)的誤差主要包括以下幾個(gè)分量：(1)測(cè)量功率平均值的誤差；(2)測(cè)量脈沖寬度的誤差；(3)測(cè)量脈沖重復(fù)頻率的誤差；(4)確定可調(diào)衰減器衰減量的誤差；(5)確定定向耦合器傳輸系數(shù)的誤差。
　　誤差處理方法：前3項(xiàng)誤差主要是測(cè)量部分的誤差(即儀表誤差)，可利用數(shù)學(xué)方法處理，采用更精確的外部指示器進(jìn)行校正，引入修正量，便可減少測(cè)量部分的誤差。后2項(xiàng)誤差可通過選用更精密的元件來減少誤差。
　　本文提出的測(cè)試系統(tǒng)已在某武器裝備微波脈沖功率測(cè)量中使用，取得了良好的效果。