基于MCS-51单片机的微波脉冲功率测试系统

1工作原理

　　本系统充分利用89C51单片机的控制和计算能力，采用MCS-51汇编语言，设计了一种基于平均功率法的微波脉冲测试系统。
　　平均功率法测量的是射频脉冲复重周期的平均功率，并采用辅助方法测出脉冲的占空系数。设脉冲为矩形，宽度为τ，重复周期为T。则脉冲峰值功率为：

上式中，Q=τ/T是射频脉冲的占空系数。
　　测量时，用示波器显示其脉冲波形，并测量脉冲重复周期T和宽度τ。用测量连续波功率的方法测出脉冲的平均功率Pav。
　　当使用衰减器和定向耦合器时，若衰减器两端匹配时的衰减量为A(dB)，定向耦合器的过渡衰减量为C(dB)，方向性为无穷大，则脉冲峰值功率为
　　

当脉冲为非理想矩形时，须乘以修正系数K进行修正，即P_pp= (KP_avT/τ) × 10^(A+C)/10。K等于实际脉冲的峰值功率电平与具有同样宽度和面积的等效矩形脉冲电平之比。K经常是估计的，理想矩形脉冲K=1。?

 
2硬件组成

　　本系统硬件主要由测量模块和控制模块组成。

2.1测量模块　　

在测量模块中，微波信号被转换成易于进一步变换并用低频装置加以测量的电信号。测量模块主要由可调衰减器、定向耦合器、匹配负载、峰值检波器、示波器、热电偶等组成，如图1所示。

微波功率经可调衰减器先进行一定量的衰减，再由定向耦合器耦合部分能量分别送到热电偶和峰值检波器，其余大部分能量由匹配负载吸收。送往峰值检波器的信号由示波器显示其脉冲波形，并测量脉冲重复周期T和宽度τ。送往热电偶的信号由热电偶转换成电压信号，送往控制模块进行处理。

2.2控制模块

　　控制模块将测量模块的输出信号进行处理和显示并控制整个系统的运行，由89C51单片机系统实现其功能，分为4个部分：人机接口、信号采集通道、串行通信及微处理器，其组成如图2所示。

微波信号经测量模块转换成电压信号，送到输入电路，进行模数转换，然后由89C51进行数据采集、保存、处理，最后在显示器上显示。利用89C51的串行通信资源，经RS232电平转换，可与PC机进行通信。利用键盘可进行参数设置和操作控制。

2.2.1人机接口部分

　　系统采用通用型可编程键盘和LED显示器专用智能控制芯片HD7279A，同时管理8位共阴极LED显示器和多达64键键盘，它具有自动扫描显示、自动识别按键代码、自动消除抖动等功能。HD7279A和微处理器之间采用串行通信，仅占用4根口线，与微处理器之间的接口电路简单，芯片内部具有驱动电路，可直接驱动1英寸及以下的LED数码管，还具有2种译码方式的译码电路，外围电路也简单可靠。键盘主要由功能键和数字键构成。显示器由6个数码管组成，前4个显示数值，后2个显示单位。

2.2.2信号采集通道

　　信号采集通道主要器件是A/D转换器MC1433。它是具有零漂补偿的3位半(BCD码)单片双积分式A/D转换器，该芯片只需外加2个电容和2个电阻就能实现A/D转换功能。信号采集通道还包括量程切换电路、调零电路等。

2.2.3串行通信

　　本系统利用89C51中的串口资源和时钟资源实现和PC的串口通信，利用RS232实现电平转换。

2.2.4微处理器

　　本系统所用的MCS-51单片机，采用单总线结构，片内带振荡器，可输出时钟信号；1个全双工串行I/O接口，可多机通信；它具有16位地址总线，寻址范围广，有强的位寻址、位处理能力；有丰富、简明的指令系统。
3软件表达
　　本系统软件采用MCS-51汇编语言编写，利用Cygnal集成开发环境(IDE)进行下载调试。系统软件主要由以下两部分构成：监控模块和数据采集处理模块。

3.1监控模块　

　这一部分实现人机交互功能、系统初始化、系统自检、系统调零以及实现整个系统的控制，包括键盘分析程序、调零程序等。键盘分析程序采用状态分析法编写，对键盘的操作作出识别并调用相应的功能程序模块完成预定的任务。基本框图如图3(a)。

3.2数据采集处理模块

　　本模块根据系统设置的功能和工作方式，控制I/O接口电路进行数据采集、存储；按照系统设置的参数，对采集的数据进行相关处理；管理通信接口，实现远程管理。包括自动量程转换程序、A/D转换程序、超限报警程序、显示程序等。基本框图如图3(b)。
4误差分析　　本系统的误差主要包括以下几个分量：(1)测量功率平均值的误差；(2)测量脉冲宽度的误差；(3)测量脉冲重复频率的误差；(4)确定可调衰减器衰减量的误差；(5)确定定向耦合器传输系数的误差。
　　误差处理方法：前3项误差主要是测量部分的误差(即仪表误差)，可利用数学方法处理，采用更精确的外部指示器进行校正，引入修正量，便可减少测量部分的误差。后2项误差可通过选用更精密的元件来减少误差。
　　本文提出的测试系统已在某武器装备微波脉冲功率测量中使用，取得了良好的效果。