（电路与系统专业论文）基于光电转换技术的场强测量系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

郑州人学硕士学位论文 摘要 在电磁测量与电磁兼容领域，信号强度是进行电磁环境预测的一个关键指 标，因此精确测量场强十分重要。测量误差与测量设备、方法和条件等有关。 目前多数场强测试系统采用电缆进行数据传输，当周围电磁环境恶劣对，会严 重影响测量结果的准确性。本文基于光电转换技术，以光纤作为数据传输通道， 以单片机为主控制器，设计了一种数字式自动选频场强测量系统。 论文首先描述了基于光电转换技术的场强测量系统的总体设计方案，阐明 了各组成部分的工作原理。 然后，在仔细研究各种芯片资料的基础上，给出了系统硬件设计。包括用 于完成信号接收的选频接收电路、用于信号检测的检波电路和用于数据传输的 光纤传输系统的硬件设计。在智能测量的指导思想下，给出了系统的整体软件 设计流程图，并详细介绍了与上位机的接口电路和通信程序设计。 最后，本文给出了系统的各部分电路的调试结果，并对软件设计和硬件调 试中存在的问题进行了分析。 关键词：场强测量：电光转换；光电转换；自动选频；峰值检测；m s c o m 塑塑奎堂堡主堂垡堡茎 a b s t r a c t i nt h e矗e l do fe l e c t r o m a g n e t i cm e a s u r e m e n ta n de m c ( c l c c t m m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ) ，t h ei n t e n s i t yo fs i g n a l i st h ek e y i n d e xt of b r e c a s t t h ee l e c l r o m a g n e t i c e v i r o n m e n t c o n s e q u e n t l y t h ep r e c i s i o no ft h ef i e l di n t e n s i t ym e a s u r c i se s p e c i a l l y i m p o n a n t n ee o ri s r e l a t et o e q u i p m e n t ，t e c h i q u ea n d c o n d j t 主o no ft h e m e a s u r e m e n t a tp r e s e n t ，m o s tf i e l di n t e n s i t ym e a s u r i n gs y s t e mu s ec a b l ea sd a t a t r a n s m i s s i o nc h a n n e l i t m a yi n n u e n c e t h e a c c u r a c y o fm e a s u r e m e n tw h e n e l e c t r o m a g n e t i ce i i f o n m e n ti sb a d ad i g 王t a lf i e l di n t e n s i t ym e a s u r e m e ts y s t e m u s i n gf j b e ra sd a t et r a n s m i s s i o nc h a 叽e li s i n t r o d u c e di nt h i s p a p e lt h i st e s t i n g m e t h o da c c o m p l i s h e sa u t o m a t i ct i l n ea n ds i g n a ld e t e c t i o nb yt h em i c m c o n t r o l l e l a tf i r s t ，t h ep 印e rd e s c r i b e st h ew h o l ed e s i 鲫s c h e m eo ft h ef i e l di n t e n s i t y m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do n o p t i c a l - e l e c t r i c a i c o n v e r s i o na n dc l a r i f i e st h e o p e r a t i n gp r i n c j p l eo fe a c hp a r t t h e n ，a f t e rr e a d i n gt h ed a t eo fm a n yc l l i p s ，t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s i e mi s p 即s e d i ti n d u d e st h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o nd 咖i tf o rr e c e i v i n gs i g n a l s ，t h e d e m o d u l a t i o nc i r c u i tf o rd e t e c t i n gs i g n a l s ，a n dt h ef o t s ( f i b r e - o p t i ct r a n s m i s s i o n s y s t e m ) f o rt r a n s m i t i n gd a t e t h en o w c h a no fs o f t w a r ed e s i g nb a s e do nt h e i n t c l l i g e n tm e a s u r e m e ti ss h o w e d a n dm ei n t e r f a c ec i r c u i ta n dt t l e m m u n i c a t i o n p r o c e d u r et ot h eu p p e rc o m p u “i ri sa l s op i e s e n t e di nt h ep 印e l a tl a s t ，h a r d w a r ed e b u g 舀n gr e s u l t so ft h ew h o l es y s t e ma r cd i s p l a y e d s o m e q u e s t i o n se x i s t e di nt h es o f t w a r cd e s i g na n dh a r d w a r ed e b u g 舀n ga r ea n a l y z e d k e yw o r d s ： f i e l di n t e n s i t ym e a s u r e m e m ；o p t i c a l e l e c m c a lc o n v e r s i o n ia u t o m a t i c t u n e ；p e a kd e t e c t i o n ；m s c o m m i i 郑州大学硕士学位论文 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文 没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本 人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：崔建牛 妒年f 月菇日 郑州大学硕士学位论文 1 1 场强仪简介 第一章绪论 场强仪即实现场强测量的仪器。场强仪最基本的功能是电平测量，其它功能 部是以电平测量为基础的，例如频谱测量功能就是通过测量各个频率点的电平 来实现；载噪比( c n ) 功能是先测量载波和噪声的电平，然后通过c p u 计算来实 现；图像伴音载波比f 气) 也可通过c p u 计算图像载波电平和伴音载波电、i 王的比 值来实现。因此，只要能测量出各频率点的电平值，就可以通过c p u 的控制和计算 来实现各个功能n 1 1 1 场强仪的原理和组成 场强仪在进行测量时，首先将待测射频信号进行选频、变频，固定到中频上， 然后经过滤波、榆波后，测量出其电平大小2 ，3 1 。 常见的场强测试系统包括高频衰减器、选频器、中频放大器、检波器以及电 平显示等几部分1 4 5 6 1 。测试系统组成框图如图1 】所示。 础。嘲协 j 俩八 图1 ，1 场强测量系统组成 高频衰减器也称输入衰减器，主要用于扩展仪器的电平量程范围。许多场 强仪输入测试口与同频衰减器做成一体，在屏蔽盒内装入由电阻组成的衰减网 络。早期的场强仪采用多路开关直接切换衰减网络来改变衰减量，开关接触电 阻直接影响精度。目前的场强仪一般采用继电器或电子开关来切换不同的衰减 网络。采用继电器方式由r 没有非线性器件，因此不存在互调等非线眭失真， 但采用电子开关由于没有机械触点所以可靠性较高。 郑州大学硕士学位论文 被测信号通过高频衰减器进入高频调谐器，高频调谐器用于将被测高频信 号转换成中频信号。手动选频时，选频电压由一个多圈电位器对一个固定电压 ( 3 0 v 左右) 分压获得。有些电子接收器内含有锁相电路，成为频率合成接收 器，控制电路通过1 2 c 总线控制接收器切换频段，改变选频频率。 中频放大、检波电路用于将中频信号转换成直流信号。常用的中频频率有 3 9 m h z 和3 8 m h z 两种。中频放大器的带宽通常为3 0 0 七，带宽过大选择性差， 带宽过小会使信号失真，幅度减小，从而影响测量的准确度。 场强仪常见的电平显示方式有指针和数字显示两种凡有些模拟式仪器采 用显示器上的亮条长度来显示电平；指针显示比较直观，而数字显示方式读数 精度高。一些微机化的仪器除数字显示电平外，还用指针式电表或通过显示屏 显示指针或条状图形来显示电平，以兼顾不同的要求。对于指针式电平显示方 式，检波输出电压经变换放大后驱动电表指示电平值；对于数字显示方式，检 波输出电压经a d 转换器变换后送入微处理器，然后由微处理器控制显示电路 显示电平值，即数字式场强仪。数字式场强仪阳】的组成如图1 2 所示，其中加 入了单片机控制和a d 转换功能。 固f 2 数字式场强仪测量原理盈 1 1 2 场强仪的数据传输通道 根据应用场合和测试精度要求不同，场强仪分为两大类，一种是实验室用 的高档场强仪，另一种为常用的便携式或手持式场强仪。 便携式场强仪体积小、重量轻，便于携带和测量，十分实用。但在有些情 况下，测量探头( 即信号接收单元) 和信号处理、显示单元需要分丌，这时无 法使用手持式或便携式场强仪。如测量g t e m ( 横电磁波室) 内的电磁环境时 需将测量探头放置在g t e m 内，而数据显示只能在室外进行，这时需要有专门 郑州大学硕士学位论文 的数据传输通道。目前大多数场强测试系统采用电缆进行数据传输，在传输过 程中容易受外界电磁干扰的影响而产生信道噪声，当外界电磁环境恶劣时，其 测量误差很大。另外，电缆传输还存在丢包和误码现象以及阻抗匹配等问题i i 。 光纤受电磁场和电磁辐射的影响较小，抗干扰能力非常强，同时光纤还具 有传输距离远、保密性安全性高、使用范围广、抗腐蚀能力强等诸多优点，因 此在信号传输等场合得到了越来越广泛的应用【1 l 蛇l 。光纤可以传输模拟信号也 可以传输数字信号，与模拟光纤通信系统相比，数字光纤通信系统对光源的线 性和接受信噪比的要求都不高，更能发挥光纤的优势，适合于长距离、大容量 和高质量的信息传输1 1 3 ，1 4 ，1 5 1 矾。 目前，法国研制出一种基于光电转换技术的手持式场强仪c a - 4 3 ，该场强 仪可以测量空问的电磁信号强度并进行显示，也可用于室内测量，例如可以测 量横电磁波室内的信号强度。测量数据经过电光转换后，通过光纤将数据传送 到计算机进行显示，与传统的场强测量设备相比，其抗电磁干扰的性能甚为优 越。但是该场强仪是将各个频率点的信号强度进行叠加，输出信号强度的总和， 因此其测量结果无法体现各个频率点上信号强度。 1 1 3 场强仪的技术指标 就目前市面上的场强仪来看，大多将电平表的技术指标与天线分开。如日 本安立公司m l 5 2 4 场强仪主机就是按一个电平表给出技术指标，如频率范围、 灵敏度、电平测量范围、电平测试精度等，而天线m p 5 3 4 a 、m p 6 6 6 a 作为选 件，按频段给出技术指标和天线系数。目前国内无线领域常用的南韩生产的 p t k 3 2 0 1 场强仪，也是按电平表给出指标，频率范围o 1 2 0 0 0 m h z ，灵敏度 0 1 3 m v 等都是以仪器输入端口给定。 现阶段场强仪在实用中需要的测量指标一般如下f 17 】： 频率范围：4 8 m h z 一8 7 0 m h z 频率分辨率：5 0 k h z 连续可调 电平测量范围：3 0 d 丑：肛v 一1 2 0 d 丑：p v 测量精度：= 2 d b 显示精度：o 1 d b “v 3 郑州大学硕士学位论文 1 1 4 场强仪的种类 场强仪的种类很多，根据使用场合不同，分为干扰场强仪和电视场强仪等。 干扰场强仪主要用于测量干扰信号的强度。如e s p l 3 测量接收机 ( 9 z 3 g h z ) ，国产r f 系列干扰场强测量仪( r r l ：1 0 k h p l 5 0 k h z ；r r 2 ： 1 5 0 k h z 3 0 m h z ；r r 3 ：2 8 k h z 5 0 0 m h z ；r r 8 ：4 7 0 m h z 一1 0 0 0 m h z ) 等。 电视场强仪主要用于广播电视领域。在广播电视领域，不论开路广播信号 还是闭路有线信号，或卫星广播信号，到达用户接收端的信号场强是衡量能否 正常接收的关键指标。因此，场强测试成为广播电视行业的一项重要测试内容。 电视场强仪种类很多，如国产手持式电视场强仪d s 1 2 8 6 b ( 5 m h z 8 7 0 m h z ) ； 德国r o h d e & s c h w a r z 公司的监听接收机e b 2 0 0 ( 1 0 k h z 3 g h z ) ；德国宝马p r k 一3 c p 多制式高级电视卫星频谱场强仪( 5 m h z 8 6 2 m h z 9 0 0 m h z 2 1 5 0 m h z ) 等【1 8 ，1 ”。 另外，还有近区场强仪( 2 0 0 z 一2 0 0 m h z ) 、微波漏能测量仪 ( o ，1 9 5 g h z 1 2 4 g h z ) 、工频场强仪、磁场测量仪、静电场强仪等等。 1 2 国内外研究水平 上世纪七十年代，电磁辐射对人员，武各、电子设备、燃油的危害及干扰问 题在国内已开始引起重视，并相继研制了系列短波、超短波宽带近场场强计。 最初国内研制的场强计均为单维场强计，次只能测量空间某一极化方向的场强 【2 。测量空间点的场强时，需旋转探头，以寻找最大极化方向，或改变探头方向 多次测量取平均值。这种场强计不但效率低，而且在环境复杂或测量位置较高时， 往往存在很大困难，测量精度低，空间场强对测量人员也会造成危害。 1 9 8 6 年，中船总七零一所在国内首次研制成功三维( 全向) 宽带电磁场强计 b ”，并通过鉴定，获得较高评价，填补了国内空白。三维( 全向) 场强计可以同 时测量空问正交三个极化方向的场强。从而可瞬时测量空间点的实际( 合成) 场 强，大大简化了测量过程、提高了效率，减小了测量误差。 1 9 9 1 年，7 9 1 型宽带场强计的性能又有了全面改进，其频率扩展到了微波及 低频、工频，灵敏度和量程均得到改善。采用了数字显示及微机技术，在结构及 4 郑州大学硕士学位论文 外观上也有大的突破。同年在“舰船危害电磁场强测量方法”国家军标审查会上 定为该国家标准唯一推荐的仪表。目前场强计已具备同微机接口的功能，从而可 实现自动控制。 国外自六十年代开始研制三维近场场强计，七十年代及八十年代研制了一系 列各种性能的三维近场场强计( 功率密度计) 。 美国目前广泛采用的同类近场场强计为e f m 5 型和h l 一3 0 0 4 型，与国产场强 仪的指标对比如表1 1 。 表1 1 国产及美国近场场强计主要性能对比 煽伐“蛩j 噶l “1 制i 聪r 。f 【即e f m 5 掣h 1 3 0 0 4 恁。 0 ，s 一10 0 v ，m 0 ，1 u w 把m 。 01 3 0 v ，m 删声、邑 1 1 o v 加 ( 叫 r ：r f o 。1 w m l2 0 0 m w 圮m 枷阜是l l n 0 。1 3 0 0 0 m h z 瓠# 娜 储t f o ，- 3 8 m o 2 0 0 0 m h z o 5 3 0 0 0 m h z ( 剀一晦) j 。0 4 m h z j 哑| l j f j ，n s d b土1 jc l f j 经h 1 踺掣 十i d b十0 j d b 柱椒域数? 5 m 啦搬二故。? 1 i 仅挖陵戡 ( i ，蹦： j 印喊般帆接l j ， c 州睁| j 翻! 鬣徽群【：受| j j j 托 0 。5 w 成o 1 w 2 2 5 w 由表1 1 可以看出，国产三维宽带场强计比美国e f m 5 型与h i 3 0 0 4 型场强计 的测量范围宽：国产t 型场强计比e f m 一5 型场强计灵敏度高；国产l 型和l 型场强计 的频率范围同美国场强计的频率范围相近：国产工型和i 型场强计的用电、重量、 体积均比美国场强计小得多。国产和美国场强仪的各向同性误差相近。 美国的几种场强计的探头连接的馈线采用含碳聚四氟乙烯高阻馈线。这种馈 线消除馈线对场的扰动，但是当馈线弯曲时存在弯曲噪声，这种噪声在输人端接 1 0 m o 电阻时可达2 0 m v ，在丌路时达2 v 。而国产场强计采用固定高阻线及固定 挠曲线可以减少弯曲噪声。此外，国产场强计的成本较美国场强计低得多。 郑州大学硕寸= 学位论文 1 3 本文内容安排 本课题来源于河南省电磁检测技术研究中心，项目名称为“光电转换技术 在场强测量中的应用研究”。本文基于光电转换技术，设计了一种数字式自动 选频场强测量系统，该测量系统利用光纤作为数据传输通道，可用于测量各个 频率点的信号强度。 论文分六个章节介绍这一场强测量系统： 第一章，绪论。简要介绍场强仪的原理和组成、数据传输通道、技术指标 和分类，国内外研究现状，以及课题的来源和主要工作。 第二章，测量原理概述。简要介绍基于光电转换技术的场强测量系统的测 量原理，主要包括高频信号接收原理、检波原理、电光和光电转换原理、测量 信号的显示原理等。 第三章，硬件系统设计。详细介绍系统各个部分的硬件实现方案，包括电 路设计、器件选择等。 第四章，软件系统设计。主要介绍各个下位机和上位机的软件设计，包括 单片机控制系统、数据传送和与p c 机之间的串行通信设计。 第五章，数据分析和处理。给出选频接收电路、检波电路、串行通信电路 的调试过程和实验数据，并分析各个部分的性能优劣。 第六章，总结和展望。总结基于光电转换技术的场强测量系统的特点，并 指出了有待进一步改进的地方。 郑州大学硕士学位论文 第二章测量原理概述 本文的场强测量系统基于光电转换技术，以光纤作为数据传输通道，以测 量各个频率点信号强度为目的进行设计。本章重点介绍了系统设计方案中各部分 的原理知识，分析了设计方案的可行性。 2 1 系统整体方案 本课题设计的测试系统为单片机控制的自动选频场强测试系统。系统主要分 为四个部分：选频接收、信号检测、数据传输和数据显示。系统整体方案如图 2 ，1 所示。 i i i 王瓦一连螽馘： 图2 1 系统整体方案 郑州大学硕士学位论文 系统的工作过程为： ( 1 ) 系统采用高频头做接收头，接收来自天线的信号，经过混频、滤波电路 后，得到中频信号，送入检波电路； ( 2 ) 检波器的输出信号送入模数转换器，单片机1 读取转换后的数字信号； ( 3 ) 将模，数转换后的峰值信息和对应信号的频率信息送至电光转换设备，利 用光纤将信息传送到接收端；接收端的光电转换器再将光信号转换成电信号， 经判决整形后，送入单片机2 ； ( 4 ) 单片机2 通过串行口发送数据，经电平变换后通过r s 一2 3 2 口送入计算机， 进行数据的处理和显示。 下面详细介绍各部分电路的组成和工作原理。 2 2 选频接收 高频信号接收使用一只全增补高频头f 2 2 2 引。频段选择端b l 、b h 、b u 和选 频电压端b t 相结合，选择接收信号的频率。当b l 、b h 、b u 确定时，即选择 接收某个频段的信号时，通过改变高频头的选频电压b t ，选择接收相应频段中 某一频率的信号。增益控制端a g c 控制高频头对接收信号的衰减或放大，由于 空间电磁波的信号强度一般在几十 毫伏至十几伏，后续的检波电路可以满足要 求，因此这罩无须改变a g c 电压值。 高频头的选频电压b t 可由一个d a 转换器产生。b t 电压一般在0 3 0 v 之 i 日j ，但一般d a c 的输出电压为o 一5 v 或者0 1 0 v ，因此需通过一个升压电路得 到所需的b t 电压。这里我们采用图2 2 所示的升压电路【2 4 】。 图2 2 选频电压升压电路 此电路是一个典型的共射极三极管放大电路，输入电压蜥为d a c 的输出电 郑州大学硕士学位论文 压，变化范围为o 1 0 v ，此电压通过基极电阻凰接到三极管v t 的基极，基极 电流为而。二极管v d 起限流作用：三极管集电极电压使二极管v d 导通，这使 电阻r 1 上的电压保持在o 7 v 左右，因此流经r 1 、r 2 、r 3 的电流很小，它们的 分压也很小，可忽略不计，则有“。一“。其中c 1 、c 2 和c 3 为滤波电容。 为了实现放大作用，首先必须保证发射结正向偏置，集电结反向偏置，这两 点要求分别由基极电压蜥和集电极电压“c c 来实现i 吲。晶体管的工作状态可分为 三个区域：截止区、放大区和饱和区，现分别讨论，以确定输入电压毗的范围。 ( 1 ) 截止区一般习惯上把。s0 的状态称为截止区，此时可认为晶体管是 截止的。从输入特性来看，在“；so ( 导通电压) 时，晶体管处于截止状态，即 k o ，c o ，“d 一“c c 。因此要使电路征常工作，输入电压要满足h ；0 。 ( 2 ) 饱和区当u c ec u b e 时，集电结处于j 下向偏置，内电场减弱，这样使得 在相同而时，坛的数值比放大状态下要小。 此电路实际可能提供的如最大值为： i c m _ u c c r c = h 徂 共射电路的电流放大作用可由下式给出： i c = 8 。ib 又_ 小惫 由此可以得出，当，。，。；1 蒯时： 半。 要使该共射电路实现放大作用，输入电流嘶应当满足“。“。 ( 3 ) 放大区 当o 血c “ic “。时，共射电路工作在r f 常放大状态，此时，若 电路的输入信号有一较小的变化量，在输入端就可以获得一个较大的变化量，实 现放大功能。其输出电压计算公式如下： 驴一警幔c 这里r b 的取值要适当，不能过大或过小，因为： ( 1 ) r b 过小，则电路很容易进入饱和状态，啦的取值范围比较小； 塑型盔兰堡主堂垡堡苎 ( 2 ) r 。过大或者过小，则r c 的分压会过小或者过大，都会导致输出电压的范 围减小。 因此，应当根据所选晶体管的放大系数口和所要求的电压输出范围，选择合 适的基极电阻。经过计算，各个器件参数选择为：如= 2 m ， r c - r l r 2a 心= 3 3 k ，c l c 2 c 3 1 0 0 n 。 2 3 信号检测 高频头接收到的信号经过内部混频电路后，送入中心频率为3 8 m h z 的窄带滤 波器，然后将得到3 8 m h z 的中频信号送入信号检测电路。信号检测将中频信号的 强度转换成便于测量的直流电平，由检波器来实现。 2 3 1 几种常用的检波器 检波电路是该系统中很重要的部分。检波电路种类很多，应用于场强测量的 检波方式主要有：峰值检波，准峰值检波，平均值捡波和有效值检波等l2 6 1 。 ( i ) 峰值检波器 峰值检波器的特点是充电时间足够快，放电时间足够慢，检波器的输出只取 决于干扰信号的幅值。峰值检波器主要适用于测量连续正弦波、单个脉冲、重复 频率很低的脉冲。军标中一般采用峰值检波器。 ( 2 ) 准峰值检波器 准峰值检波器的充电时间较峰值检波器稍慢，放电时时间较峰值检波器稍 快。其输出反映了干扰效应随脉冲重复频率的提高而增大的现象。准峰值检波器 主要适用于周期性脉冲干扰的测量。 ( 3 ) 平均值检波器 平均值检波器的充电时间常数等于放电时间常数其输出是输入信号在一个 周期内的平均值。平均值检波器主要适用于连续正弦波信号的测量。 ( 4 ) 有效值检波器 有效值检波器也称均方根检波器，其输出是干扰信号的均方根值主要适用 于随机信号的测量。 鉴于本系统主要用于检测正弦信号，设计中选用峰值检波。 1 0 郑州大学硕士学位论文 2 3 2 峰值检波器 峰值包络检波器在广播通信和电声测量等领域有广泛的应用，其基本原理是 控制二极管的通断对电容进行充放电。传统的二极管峰值包络检波器如图2 3 所 示，它由输入回路、二极管v d 和r c 低通滤波器组成【2 t 2 刚。其检波过程就是信 号源通过二极管给电容充电与电容对电阻放电的交替重复过程。但是这种电路的 工作性能比较差，在小信号情况下检波输出误差大。实际应用中一般采用运算放 大器和精密二极管实现检波。 1 ，精密二极管 图2 ，3 二极管包络检波器 图2 4 ( a ) 的一般二极管整流电路中，因为二极管v d 存在阈值电压研，输入 信号“r 的正幅值必须大于阈值电压听，r l 上才会有整流电流通过。由于二极管 的正向压降和非线性特性的影响，一般二极管整流电路整流输出误差较大。 若把集成运算放大器接成闭环状态，把二极管接在负反馈网络中，如图2 4 m 1 所示，就构成了精密二极管电路1 2 9 l ，这种电路能大大减小二极管v d 的闽值电压。 图2 4 ( b ) 中的二极管与图2 4 ( a ) 中的二极管相比，其闽值电压u ，= u f 爿d ( 其中 4 d 为集成运放的开环电压放大倍数) 。例如，若“t 的频率为2 h z ，在该频率下 4 d = 5 j 矿，设一般二极管的阈值电压坼= n 6 矿，则： ，r = 【，r 爿d = o 6 ( 5 1 0 4 ) 摹1 2 矿 结果表明图2 4 ( b ) 中二极管的闽值电压已经变得很小，在许多场合可以忽略 不计。图2 4 ( b ) 中的集成运放和二极管v d 构成精密二极管电路，相当于一个理 想的整流元件。对于图2 4 ( b ) 的电路，当蜥为正信号，且地 坼时，相当于一个 电压跟随器，d = 啦：当啦为负信号时，二极管v d 截止。 郑州人学硕十学位论文 2 峰值检波的工作原理 当f d 时，如果在图2 “b ) 的r l 两端并联一个合适的电解电容c 作为保持 器，如图2 3 ( 曲所示，就可以锁存信号。同时也可以看出图2 4 ( c ) 只能锁存正信 号。此电路中的运算放大器实际上是一个比较器。 当口 地 “时，运放的输出电压为正，二极管导通，电容c 被充电。当电容 两端的电压刚刚大于“。时，运放输出端的电压为负，由于二极管的单向性，电容 无法放电，信号嘶的最大值信息被锁存在电容c 的两端。 当h ， “时，运放的输出电压为负，根据二极管的单向性，电容将不被充电。 v d 图24 精密二极管电路及峰值检波电路 3 高速小信号峰值检波电路 ( c 】 分析表明，上述峰值检波电路只能工作一次，为了满足多次测量的需要，可 以通过控制电容c 的放电过程，使电路重复工作。同对，在电路中加入一定的 保护措施以及阻抗匹配电路( 比如跟随器等1 ，以提高电路的性能。 典型电路如图2 5 所示。该峰值检波电路是由一级精密二极管电路和一级电 压跟随器组成。当复位信号为低电平时，峰值信号可以被锁存在保持器中。当复 位信号为高电平时，保持器电容放电，为下次信号采集做准备i 划。 郑州大学硕士学位论文 “ ( a ) 高速小信号峰值检测电路 沪厂以厂 疆5 竺! nn 广i 。n 厂 。厂 ( b ) 充放电波形 图25 高速小信号峰值检波器 4 电路的时域响应特性 图2 5 ( a ) 在充电的过程中的时间常数为f = r c ，设输入信号的宽度为岛。在 r c 电路的充放电过程中，输入电压的宽度岛与r c 电路时| 、u j 常数t 的比值，对 电路响应有很大的影响，分两种情况讨论： f 繇，如图2 “a ) 所示，r c 电路的响应非常迅速，若输入脉冲出现正阶跃 后的很短时问内，电路就进入稳态，电容电压l l c 的波形近似输入电压的波形。 f 0 ，如图2 6 ( b ) 所示，r c 电路的响应非常缓慢，在o - t = t p 时，电容电压 u 。( t ) 上升很慢，在输入信号的有效期内输出没有达到输入的最大值。 u e o k r 组| | 熔 图2 6t ，和t 比值不同对电路响应的影响 1 3 郑州大学硕七学位论文 可以看出，如果信号变化的频率；超过了r c 等效电路的频率。，该峰值 检波电路将不能准确记录信号的信息，即在保持器( 电容c ) 还未将信号的最大值 记录下来时，输入信号啦已经开始下降了，则“。记录的只是中间过程电压并 非“f 的峰值。因此，必须根据信号的变化频率来调整参数r 和c 的值，以达到 准确记录信号峰值的目的。 本系统中频信号为3 8 m h z ，因此f ，。磊三万，要满足r ( ，则有 f ；尺cc c2 6 1 0 - 8 。电阻r 的选择主要考虑输入电阻及失真问题，同时要考虑 对检波系数的影响。一般应使尺，r n ；r 太大将导致r 上的压降大，使检波系数 下降，r 的数值通常选在几千欧姆。电容c 太大，惰性失真大；c 太小，高频波 纹大。因此两者选取要适当。经计算，选择r = j k 0 ，c = 硒卯。 3 8 m h z 的中频信号经过峰值包络检波器后，送入a d 转换器，将其转换成 数字量，以便进行数据传送。 2 4 数据传输 光纤是光导纤维的简称，是一种能够传输光频电磁波的介质波导。光纤通信 是以光波为载频，以光导纤维为传输介质的一种通信方式。与传统的传输方式相 比，光纤传输具有十分独特的品质和特点，因此，光纤传输在短短的十多年中得 到了迅猛发展。 2 4 1 光纤传输的特点 光纤线缆具有以下特点【3 1 】： ( 1 ) 传输频带宽、信息容量大光载波频率达5 1 0 1 4 m h z ，光纤的带宽为 几万兆赫兹以上甚至更高，非常适合于高速率、大容量的数字信号传输。 ( 2 ) 传输损耗低、中继距离长 目前实用光纤均采用纯度很高的石英( s i 0 2 ) 材料，在1 5 5 0 i l m 附近，信号衰减至o 2 d b 瓜m ，已十分接近理论极限。它的中继 距离可达数百于米而且中继不需增加幅度均衡措施。 ( 3 ) 抗干扰能力强 由于光纤为非金属的介质材料，因此它不受电磁、静电 及人为的干扰；光沿光纤传输没有大地电回路、没有接地问题、不受大地电流的 郑州大学硕士学位论文 影响。由于纤芯的直径只有0 1 m m 左右，多根光纤组成的光缆，因相邻光纤之间 几乎没有扰邻和邻扰，故信号传输质量得到有效保证。 ( 4 ) 安全性、保密性高由于信号以光波的形式在光纤中传输，没有电火花 产生，特别适宜在易燃、易爆场合使用；又由于光纤的切断、连接技术和光通路 的分路、融合技术要求较高，信号传输不会向外辐射，因此保密性能优良。 ( 5 ) 易于采用多种复用技术，特别是光的波分复用( w d w ) 、频分复用( f d m ) 、 时分复用仃d m ) 等，可以充分利用光纤带宽。 此外，光纤系统尺寸小、重量轻、易于敷设和处理，维护简便，经济效益高。 因此，光纤技术的应用前景和应用市场非常广阔。 2 4 2 光纤的传输模式 光纤传播的模式是光纤中存在的电磁场场形，或者说是光场场形。各种场形 都是光波导中经过多次反射和于涉的结果。按照传输模式分类，光纤可分为单模 光纤和多模光纤两种。 ( 1 ) 单模( s i n g l em o d e ) 光纤光纤中只传输一种模式，纤芯约4 1 嘶m ，其频 带宽、传播特性好、传输容量大，适用于大容量长距离的光纤通信。由于单模光 纤具有显著的优越性，且成本与多模光纤相当，所以单模光纤得到了广泛的应用。 ( 2 ) 多模( m u l t im o d e ) 光纤光纤中传输的模式不止一个，纤芯在5 叽m 以上， 由于色散或帽差，这种光纤只适合短距离、小容量应用。 2 4 3 光信号的调制方式 目前常用的光纤传输系统传送的是强度变化的光信号，因此，当使用光纤传 输传感信号时，应使传感信号与光信号之间建立起确定的关系，即要用传感信号 调制光信号强度。目前常用的光收发器件温度稳定性比较差，一般不能使用传感 信号直接调制光信号强度，较好的调制方式有两种【3 2 】。 ( 1 ) 模拟方式用光的亮度直接表示信号的幅度，这时光纤作为传光介质， 直接传输模拟调制后的光信号。由于传输的是模拟信号，不需要取样、量化等复 杂的技术处理，设备简单、体积小、能耗低，对光纤的性能要求低，价格便宜。 其明显的缺点在于信号的质量受到传输系统的影响，信号的带宽不高。 塑刿查堂堡主堂垡堡苎 ( 2 ) 数字方式先将模拟的传感电压信号转换为数字信号，利用码流中的0 和1 控制激光管的开，关，形成脉冲光信号，收端再将光脉冲恢复为电信号，其 优点是：只要收端的光脉冲接收j 下确，就可无损地恢复原信号，另外，在传输中 还可对数字信号进行纠错，这与数字信号传输原理一样；激光管的开，关速度足 够快( 可在几十个g h z ) ，因此传输信号的码流也可足够快，信号带宽很宽。 2 4 4 光纤传输系统 基于光纤传输的诸多优点，本文系统采用光纤进行数据传输。另外，由于传 输距离近，信号容量要求不大，因此可选用多模光纤。经过模数转换后的数字量 表征了信号的强度，此信号需要通过光纤传送到数据显示设备。光纤传输系统由 光信号发送电路、传输光纤、光信号接收电路等几部分组成。 ( 1 ) 光发送电路光信号发送器尖质是一个电光调制器，电信号对光源进行 调制，经调制的光功率耦合到光纤中后把光信号传输到接收端。光源发出的光可 以看成是光频载波，通过调制使其载荷信息，主要由整形或码形变换电路、光源 驱动电路和发射光源组成。其余部分电路如光检测放火、比较放大、功控与保护 等电路是采用l d 作光源时为实现光发送端的各项技术指标、结合光源特性而采 取的响应补偿措施。 ( 2 ) 光接收电路包括光信号的接收、检测再生和传送。光接收电路将光纤 光缆传输后衰减变形的微弱脉冲信号通过光电检测器转换成为电脉冲信号，并 给予放大、均衡以及再生，还原为标准的数字脉冲信号。光接收电路由光检测器、 前置放大器、主放大器、均衡判决及时钟提取电路等组成。光检测器是数字光接 收机的核心器件，它将光脉冲信号转换成为电脉冲信号。光电平检测以及再生电 路将经光纤传输衰减的光脉冲信号通过光电转换器转换成电脉冲信号，并给予 足够的放大，还原成标准的数字脉冲信号。 ( 3 ) 同步设计收发数据的同步采用软件与硬件相结合的方式来实现。光发 送电路的输入信号来自单片机1 。如果单片机1 直接采用串口方式发送数据到光发 送器，由于串l 通信协议的数据位和停止位可以有多种选择，光检测电路可能无 法正确检测出光脉冲信号，从而导致无法正确还原电信号。为此，单片机1 采用 移位方式，逐位传送数据，光电检测、再生电路的输出信号接单片机2 的中断口 郑州大学硕士学位论文 两而和数据接收端p 3 7 ，并将西而通过上拉电阻接至高电平。当单片机l 首先 发送数据开始标志“o ”，单片机2 的雨i 丽接收到此低电平信号后，触发中断，准 备从p 3 7 接收有效数据，单片机1 开始发送数据，从而实现收发信号的同步。 具体的硬件实现详见第三章。 2 5 数据处理和显示 单片机与微机之间以r s 一2 3 2 串行通信最为常见【3 3 州，串口在系统自动控制领 域一直扮演着极为重要的角色，且应用也越来越广泛。目前串行通信端口r s 一2 3 2 是计算机上的标准配置，具有实现与其他设备进行数据传输的功能。 在串口通信的几种编程方式中，利用嵌入式语言编写计算机的串口通信程 序，需要程序员了解低级语言并掌握底层硬件。v i s u a lb a s i c 软件开发程序( v b ) 是近年来发展最快的一种计算机语言，其简洁性和实用性已经受到众多计算机用 户和程序员的欢迎，尤其是v b 6 o 版本，功能强大且易于掌握，是一种理想的可 视化刀= 发环境3 “。 v b 6 0 是m i c r o s o f t 公司于1 9 9 1 年推出的w i i l d o w s 应用程序开发工具，它继承 了b a s i c 程序设计简单易用的特点，其编程系统又采用了面向对象、事件驱动的 编程机制，从而巧妙地把w i n d o w s 的编程复杂性封装起来，提供了一种可视界面 设计方法。6 o 以其友好的开发界面，简单易用、实用性强、功能强大等优点， 受到广大编程人员的青睐，近年来在各个领域都获得了广泛的应用。 v b 6 o 在开发工具中提供了大量的控件供编程人员使用。例如，用于数据通 信的通信控件m s c o m m ，用于数据库管理的d a o 控件，用于图表显示的m s c h a n 控件。正确掌握这些控件的属性设置及使用方法，可以方便地丌发出令人满意的 通信程序。 利用v b 丌发串行通信程序有两种方法1 3 7 孔3 9 l ：一种是利用w i n d o w sa p i 编程 接口，另一种是采用标准控件m s c o m m 来实现。a p f 是附带在w j n 9 5 内部的一 个极其重要的组成部分，w j n 9 5 的3 2 位a p l 是一系列复杂函数和消息的集合，它 可以看作是w i n 9 5 系统为在其下运行的各种开发系统提供的开放式通用功能增 强接口a 利用a p i 编写串口通信程序较为复杂，需要掌握大量的通信知识，其优 点是可实现的功能更丰富、应用更广泛，更适用于编写较为复杂的低层次通信程 郑州大学硕士学位论文 序。m s c o m m 控件是一种w i d o w s 下串行通信编程的a c t i v e x 控件，它为应用程 序提供了通过串行接口收发数据的方法，用于设计可以和串行端口进行沟通及传 送数据的系统。利用m s c o m m 控件实现串行通信的方法比调用a p i 函数更为方 便、快捷，而且用较少的代码可以实现相同的功能，这就是m s c o m m 控件实现 串行通信的优点。对于v b 程序开发者只需知道m s c o m m 控件的属性和实践的用 法即可实现串口的操作。v b 还具有数据处理和显示功能。利用m s c c m m 控件从 串口读取数据后，可以进行输出和显示。 2 6 本章小结 本章主要介绍了基于光电转换技术的场强测量系统总体设计思路和实现方 案，对各个功能模块做了简要说明。 由于本课题以探索光电转换在场强测量系统中的应用为主旨，因此重点论 述了利用光纤作为数据传输通道的优点和可行性。 本章还详细介绍了检波器的设计重点介绍了峰值检波电路的原理和改进电 路，提出了一种适合于高速小信号的峰值检波器。 塑型查堂堡主兰焦堡奎 第三章系统的硬件设计 本系统主要分为四个部分：选频接收、信号检测、数据传输和数据显示。 本章重点介绍了系统四个功能模块的硬件实现，从器件的选型到外部电路连接 做了详细的介绍。 3 1 选频接收电路设计 接收头用束选择接收某一频率的高频信号，主要由高频调谐器、中频滤波 器和选频组件等几部分组成。 3 1 1 高频调谐器 高频调谐器是接收头的最重要部件，通讯机专用的高频调谐器虽然性能好， 但价格相当高昂，也无法从市场购买到，因而，高频调谐器选用电视机用全增 补高频头。全增补高频头的电路结构与通讯机高频选频器并无太大差别，选择 电视机用高频头是可行的。全增补高频头的品种较多，电路各异，分立元件类 的灵敏度较低，不可选用，应选择以t d j a 5 3 0 0 t 系列为主电路的高频头。这里 选用“成都旭光”t d q 3 c 高频头，该高频头由三组独立的l c 输入回路、双栅 极场效应赢放、双选频回路以及t d a 5 3 3 0 t 组成。频率覆盖范围为4 5 9 3 0 m h z ， 其中l 段为4 5 1 6 0 m h z ，h 段为1 5 0 4 7 0 m h 睦，u 段为4 5 0 9 3 0 m i z 。三频段 电路各自独立，互不影响，特别方便改调。 3 1 2 中频滤波器 高频头的输出信号频率为3 1 5 3 8 m h z ，般选择3 8 m 王z 作为中频信号， 因此需要经过一个窄带中频滤波器。可采用声表面波滤波器柬实现。声表面波 滤波器【2 7 堤利用弹性固体表面传播机械振动波的器件，通过机电耦合，它可作 为滤波器和延迟线，还可做成各种信号处理器，如匹配滤波器、信号卷积器等。 声表面波滤波器的结构示意图如图3 1 所示。在某些具有压电效应材料( 常 用的有石英晶体、铌酸镡l i n b 0 3 、锚钛酸铅p z t 陶瓷) 的基片上，制作一些 1 9 郑州大学硕士学位论文 对指形电极作换能器。当对指形两端有高频信号时，通过压电效应在基片表面 激起同频率的声表面波，并沿轴线方向传播。除一端被吸收材料吸收外，另一 端的换能器将它转换为电信号输出。 图3 1 声表面波滤波器结构示意图 声表面波滤波器的原理如下： 声波在固体介质中传播的速度大约为光速的十万分之一。因此，同样频率 的信号以声波传播时，其波长为自由空间电波长的十万分之一。比如厂- 3 。_ m 胁、 儿= 0 m 的信号，其