Измеритель мощности СВЧ излучения

В результате выполнения данной работы должно быть спроектировано устройство «Измеритель мощности СВЧ излучения» удовлетворяющее следующим требованиям:

Условия эксплуатации:

1. диапазон рабочих температур от +15 до +30 ºС;
2. относительная влажность воздуха  до 70%.

Требования к конструкции:

1. размер корпуса не должен превышать размеры  15х15х10 см³;
2. масса устройства не должна превышать  500г.

Технические характеристики:

1. диапазон частот 8,5...12 ГГц;
2. входное волновое сопротивление  50 Ом;
3. верхний предел измеряемой мощности 8 мВт;
4. потребляемый ток I_п<0,2 А;
5. погрешность не более 10 % [10].

2. Функциональная схема

Измеритель мощности СВЧ  излучения можно разделить на две части: аналоговую и цифровую.

Аналоговая часть:

1. первичный преобразователь СВЧ излучения;
2. два дифференциальных усилителя;
3. модуль управления (подстроечные резисторы, кнопки).

 

 

 

 

Цифровая часть:

1. микроконтроллер со встроенным АЦП;
2. жидкокристаллический индикатор.

 

Рис. 4.1 Функциональная схема  прибора.

Первичный преобразователь  содержит два терморезистора которые  способны нагреваться под действием  СВЧ излучения. Нагреваясь, резисторы  меняют свое сопротивление. Один резистор является измерительным, на него подается СВЧ излучение. Второй резистор изолирован от СВЧ излучения, но находится рядом  с измерительным, чтобы снизить  влияние изменения окружающей температуры [10].

Оба резистора включены каждый в свой мост Уитстона. Перед измерением мощности СВЧ излучения мосты  балансируются с помощью подстроечных резисторов. После подачи СВЧ излучения  на измерительный резистор, мост в  который он включен выходит из состояния баланса и возникает  разность потенциалов, которая подается на дифференциальный усилитель 1. Разность потенциалов с термокомпенсационного  моста также подается на усилитель 2.

На выходе дифференциального  усилителя появляется напряжение необходимой  величины, которое попадает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП), встроенный в  микроконтроллер. По нажатию кнопки АЦП начинает свою работу. Таким  образом, в АЦП преобразуются  в цифровую форму два аналоговых сигнала: с измерительного и с  термокомпенсационного моста.

Как только АЦП закончит свою работу микроконтроллер по заданной в программе формуле вычислит значение измеренной мощности СВЧ излучения.  

Далее готовый результат  будет отображен на жидкокристаллическом индикаторе, который управляется  микроконтроллером.

3. Электрическая принципиальная схема

В разрабатываемом измерителе мощности в качестве первичного преобразователя  используется термисторная головка.  Данный преобразователь содержит два термистора (измерительный и термокомпенсационный). Измерительный термистор R11 расположен непосредственно в волноводе и подвергается СВЧ излучению. Термокомпенсационный термистор R20 изолирован от СВЧ излучения экраном, но находится в одном корпусе с измерительным термистором.

 

Рис. 4.2 Электрическая принципиальная схема измерителя мощности СВЧ.

 

Измерительный термистор  монтируется в волноводном или  коаксиальном корпусе, совместимом  с измерительными линиями, используемыми  для СВЧ. Корпус должен обеспечивать согласование с импедансом измерительной  линии во всем диапазоне рабочих  частот.

В подобных измерительных  приборах широко применяются мостовые схемы, так как обладают довольно хорошими характеристиками. Поэтому  в данном приборе оба термистора также включены в мостовые схемы.

Одинарный мост Уитстона имеет  четыре плеча, источник питания и  нуль-индикатор (Рис. 4.3). Если Z1Z4=Z2Z3, то точки A и B имеют равные потенциалы и ток через нуль-индикатор отсутствует. В этом случае достигается равновесие моста.

Рис. 4.3 Схема моста полного сопротивления.

Подстроечными резисторами  R13, R21 регулируется величина напряжения подаваемого на мосты. При подаче на измерительный термистор СВЧ излучения он нагревается, его сопротивление меняется, мост выходит из равновесия и образуется разность потенциалов, которая поступает на дифференциальный усилитель, собранный на микросхемах LM2904 (DA1, DA2, DA3). Резисторами R15, R27 регулируется коэффициент усиления. Остальные резисторы применены, согласно стандартной схемы включения LM2904 (Рис. 4.4).

 

Рис. 4.4 Схема дифференциального усилителя на LM2904.

 

Величину выходного напряжения можно рассчитать по формуле

 .    (4.1)

С выхода усилителя напряжение подается на аналого-цифровой преобразователь, который встроен в микроконтроллер  PIC16F74 (DD1), через порт «А». Модуль АЦП преобразует напряжение, удерживаемое на конденсаторе C_HOLD в соответствующий 10-разрядный цифровой код. Затем полученное число используется для расчетов, и результат выводится на ЖКИ MT-10T7-7T (A1), который подключен к порту «B» микроконтроллера.

Критерии размещения элементов  на печатной плате:

1. элементы управления должны располагаться в определенном порядке;
2. доступ к разъемам не должен быть затруднен;
3. длина печатных проводников должна быть минимальной.

4. Выбор элементов конструкции

Для реализации устройства измерителя мощности необходимо выбрать  три основных элемента:

 

1. первичный преобразователь СВЧ излучения;
2. устройство вывода результата измерений;
3. микроконтроллер.

Для преобразования мощности СВЧ используется готовый термисторный преобразователь М5-42. Данный элемент  обладает следующими характеристиками:

1. диапазон частот - 8,24 – 12,05 ГГц;
2. сечение волновода - 23х10 мм;
3. сопротивление термистора - 240 Ом;
4. коэффициент стоячей волны по напряжению не более 1,3;
5. коэффициент эффективности - 1 ± 5%;
6. максимальная измеряемая мощность - 10 мВт;
7. чувствительность не менее – 5 Ом/мВт;
8. габаритные размеры - 110х43х54 мм [4].

Данный преобразователь  удовлетворяет требованиям ГОСТ 22261-76 в части метрологических  характеристик, ГОСТ 13606-80 и 13317-80. Указанный  преобразователь  является законченным  внешним модулем и соединяется  с основным устройством с помощью четырех проводов.

Для согласования термисторного  преобразователя с микроконтроллером  требуется усилить исходный сигнал. Для этих целей выбран инструментальный усилитель LM2904. 

В качестве устройства вывода результата измерений служит жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) МТ-10Т7-7T. На данный индикатор можно вывести до 10 цифр [8].

Микроконтроллер для реализации данного устройства должен обладать:

1. блоком аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
2. достаточной вычислительной мощностью;
3. возможностью вывода на ЖКИ индикатор.

Микроконтроллер фирмы Microchip Technology Inc. – PIC16F74 обладает следующими характеристиками:

1. RISK архитектура;
2. напряжение питания 4 – 5,5 В;
3. тактовая частота до 20 МГц;
4. блок АЦП (8 - разрядный);
5. память программ 7 Кбайт;
6. память данных 192 байт;
7. EEPROM 256 байт;
8. пять портов ввода-вывода [9].

5. Программирование микроконтроллера PIC16F874

Микроконтроллер должен с  помощью программных средств  получать обработанные в блоке АЦП  сигналы от датчика, управлять работой  жидкокристаллического индикатора, принимать управляющие сигналы  от четырех кнопок.

После включения питания  программа выполняет инициализацию  и начинает выполнять измерения  в бесконечном цикле.  Прервать цикл может нажатие на кнопку «MEMORY». При этом на экране ЖКИ высветится последнее измеренное значение мощности, и процесс измерения остановится, до следующего нажатия на кнопку «MEMORY». По нажатию на кнопку «RESET» происходит аппаратный сброс микроконтроллера, и работа программы начинается заново.

Работу программы можно  представить в виде следующего алгоритма:

1. инициализация устройства (АЦП, ЖКИ);
2. включение нулевого канала АЦП;
3. если преобразование АЦП закончено, то пункт 4, иначе пункт 3;
4. сохранение результата АЦП;
5. переключение АЦП на первый канал;
6. если преобразование АЦП закончено, то пункт 7, иначе пункт 6;
7. сохранение результата АЦП;
8. вычисление разницы между значением 1-го и 0-го канала;
9. расчет величины мощности СВЧ излучения;
10. если кнопка MЕMORY нажата вывод результата на ЖКИ; 
11. иначе переход к пункту 2.

Программу можно разделить  на 4 блока:

1) блок инициализации.

В блок инициализации входит инициализация переменных, констант, инициализация портов ввода/вывода, инициализация АЦП, ЖКИ.

2) Блок работы АЦП.

Работа блока АЦП заключается  в последовательном включении yeлевого, а затем первого каналов АЦП, для снятия показаний с измерительного и термоконмпенсационного термисторных мостов. Результат работы АЦП сохраняется во внутренней памяти микроконтроллера.

3) Блок обработки. 

В памяти будут сохранены  два числа, соответствующих величине напряжения для каждого из мостов.  Далее вычисляется разница между  показаниями измерительного и термокомпенсационного  мостов. По вычисленной разнице определяется соответствующее значение  
мощности СВЧ.

4) Блок вывода результата  на ЖКИ.

Подаются управляющие  сигналы на жидкокристаллический индикатор  ЖКИ, и  полученный результат выводится  через порт B.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной  работы было спроектировано цифровое  
устройство для измерения мощности СВЧ излучения на основе термисторной головки и микроконтроллера PIC16F74, с помощью которого можно производить измерения мощности СВЧ в лабораторных условиях. Предполагаемые технические характеристики прибора:

1. входное волновое сопротивление 50 Ом;
2. верхний предел измеряемой мощности 8 мВт;
3. частотный диапазон 8,24 – 12,05 ГГц;
4. напряжение питания 12 В;
5. потребляемый ток (при измерении) 20 мА.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Измерение мощности СВЧ-колебаний [Электронный ресурс]: Режим доступа: http://www.support17.com/, свободный. Загл с экрана. Яз. Рус.
2. Микроволновое излучение [Электронный ресурс]: – Режим доступа: http:// http://ru.wikipedia.org/wiki/свч/, свободный. Загл с экрана. Яз. Рус.
3. Билько, М. И. Измерение мощности на СВЧ / М. И. Билько, А.К. Томашевский. - М.: Сов. Радио. 1976.
4. Преобразователи измерительные первичные М5-40 – М5-45 /Техническое описание и инструкции по эксплуатации: ГВ4.681.016 ТО.- 1985.
5. Аш Ж. и соавторы. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах Кн. 1. Пер. с франц. – М.: Мир, 1992. – 480 с.
6. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. – М.: Радио и связь, 1988. – 385 с.
7. Микроконтроллеры. Область применения [Электронный ресурс]: http://digteh.ru/proc/McroCntr.php, свободный. Загл. с экрана. Яз. Рус.
8. Жидкокристаллический – модуль MT-10T7 [Электронный ресурс]: http://www.melt.aha.ru/, свободный. Загл. с экрана. Яз. Рус.
9. PIC-микроконтроллеры фирмы Microchip [Электронный ресурс]: Режим доступа: http://microchip.ru/ ,свободный. Загл с экрана. Яз. Рус.
10. Вольман В.И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ устройств; М. : РГГУ, 1982. - 800 c.