專利名稱：一種單片機(jī)控制64位步進(jìn)掃描機(jī)械選頻調(diào)諧電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于通信接收領(lǐng)域，具體涉及一種單片機(jī)控制64位步進(jìn)掃描機(jī)械選頻調(diào)諧電路。
背景技術(shù)：
在通信接收設(shè)備及廣播接收設(shè)備中，特別在外差接收設(shè)備中，為了抑制鄰頻干 擾和鏡頻干擾，輸入頻率預(yù)選電路或輸入調(diào)諧回路幾乎是必不可少的。在中波廣播頻段 (535 1605KHZ)以上，這是很簡(jiǎn)單的事情民用接收設(shè)備如收音機(jī)等通常使用可變調(diào)諧電 容(空氣絕緣的或薄膜絕緣的)，通信接收設(shè)備或者用空氣絕緣可變調(diào)諧電容器手動(dòng)調(diào)諧 或者用馬達(dá)與齒輪電動(dòng)調(diào)諧或者用變?nèi)荻O管電子調(diào)諧。但是到了長(zhǎng)波尤其是IOOKHz以 下的超長(zhǎng)波段，由于變?nèi)莨芗翱諝饨^緣可變調(diào)諧電容器容量或Q值的限制，輸入頻率預(yù)選 或輸入調(diào)諧就很困難了。特別對(duì)于工作頻帶下限達(dá)到IOKHz甚至更低的低頻外差掃頻頻 譜儀來(lái)說(shuō)，一個(gè)具有較高Q值、能夠跟隨掃頻本振的頻率變化相應(yīng)調(diào)諧、調(diào)諧頻率范圍寬達(dá) 2 3個(gè)十倍頻程的調(diào)諧電路是很難的事，除非采用多個(gè)超突變結(jié)變?nèi)荻O管并聯(lián)，但其Q 值不能做得很高。采用馬達(dá)帶動(dòng)多擋開(kāi)關(guān)切換電容的辦法則擋位有限、反應(yīng)速度慢跟不上 掃描速度且有磨損。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種單片機(jī)控制64位步進(jìn)掃描機(jī)械 選頻調(diào)諧電路，其特征是設(shè)有包括以緊套在干簧管上的圓柱型分段電磁線圈和圓管形磁屏蔽外罩構(gòu)成同軸線型電 磁開(kāi)關(guān)為基本切換單元，其中，干簧管內(nèi)芯視為同軸傳輸線之內(nèi)芯，外套的圓柱型分段電磁 線圈及圓管形磁屏蔽外罩視為同軸傳輸線的外導(dǎo)體；電磁線圈引出線的一端接+5V電源， 另一端接到電磁線圈基本導(dǎo)通控制單元的輸出端；以含偏置電阻及反峰抑制二極管的繼電器電感負(fù)載驅(qū)動(dòng)集成電路為電磁線圈基 本導(dǎo)通控制單元，其控制輸入端接單片機(jī)步進(jìn)掃描控制電壓產(chǎn)生單元的高速CMOS移位寄 存器的移位輸出端；采用由中心計(jì)算機(jī)控制的CMOS單片機(jī)和高速CMOS移位寄存器作為步進(jìn)掃描控制 電壓產(chǎn)生單元，由單片機(jī)接受來(lái)自中心計(jì)算機(jī)輸出的外同步信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)同步掃描以及在 沒(méi)有外同步信號(hào)時(shí)通過(guò)機(jī)內(nèi)直流偏置而自動(dòng)掃描；采用縱橫制切換原理實(shí)現(xiàn)縱16橫4的共64位步進(jìn)切換電路，通過(guò)對(duì)16個(gè)電感4 個(gè)電容的切換實(shí)現(xiàn)64個(gè)不同調(diào)諧頻率的調(diào)諧回路的同步步進(jìn)掃描切換。16個(gè)電感由分段繞制在兩根緊密膠合的錳鋅鐵氧體磁棒上的16個(gè)線圈構(gòu)成；4個(gè) 電容均采用高頻獨(dú)石陶瓷電容，4個(gè)電容與16個(gè)電感依次通過(guò)縱16橫4共20個(gè)同軸型切 換單元聯(lián)通而構(gòu)成64個(gè)不同調(diào)諧頻率的調(diào)諧回路，同時(shí)，分段繞制在兩根緊密膠合的錳鋅 鐵氧體磁棒上的16個(gè)線圈又構(gòu)成鐵氧體天線的接收回路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)64個(gè)不同頻率的外來(lái)空間信號(hào)的選擇性接收及定方向性接收。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及有益效果1、將5 ΙΟΟΟΚΗζ工作頻段分為64段相互銜接的調(diào)諧頻段，每段的中心頻率以1.086的倍率依次遞增，如此每段的相對(duì)帶寬均為約士4.2%，要求調(diào)諧回路的等效Q值為 12 13。由于采用了 tgo彡IX 10_3的高頻獨(dú)石陶瓷電容作為回路電容，而切換開(kāi)關(guān)的插 損< 0. ldb，故回路等效Q值基本上取決于回路電感以及第一級(jí)電路的等效輸入電阻。2、為減少切換開(kāi)關(guān)數(shù)量，采用縱橫制切換原理實(shí)現(xiàn)縱16橫4的共64位步進(jìn)切換 電路，縱向16個(gè)開(kāi)關(guān)切換16個(gè)電感，橫向4個(gè)開(kāi)關(guān)切換4個(gè)電容，若全頻段掃描時(shí)間為 2. 048S,則每個(gè)電感切換開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間自0到15依次為128ms，每個(gè)電容切換開(kāi)關(guān)的切換 時(shí)間自0到3依次為32ms。3、為了簡(jiǎn)化電路、提高性能，我們采用了 ON半導(dǎo)體器器件公司的微型封裝單路繼 電器電感負(fù)載驅(qū)動(dòng)集成電路MDC3105作為切換開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)。4、3105的步進(jìn)掃描驅(qū)動(dòng)由AT89C2051單片機(jī)Pl. 5-1. 7 口通過(guò)兩片8位高速CMOS 移位寄存器產(chǎn)生16縱向驅(qū)動(dòng)數(shù)字信號(hào)，由2051的Pl. 1-1.4 口經(jīng)上拉電阻產(chǎn)生4橫向驅(qū)動(dòng) 數(shù)字信號(hào)。由2051的P3. 7 口接受來(lái)自中心計(jì)算機(jī)輸出的外同步信號(hào)控制，以實(shí)現(xiàn)同步掃 描。5、16段線圈全部采用分段塑料骨架分段繞制在由2根20cm長(zhǎng)的MX-400錳鋅鐵氧 體磁棒上，兩根鐵氧體磁棒端面以薄層環(huán)氧樹(shù)脂膠合，整體磁導(dǎo)率下降不多仍接近400，卻 很大程度上提升了天線的方向性，特別是中波段的方向性。

圖1是三種現(xiàn)有調(diào)諧電路圖；圖2是同軸式超小型干簧管切換開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)及其等效電路示意圖；圖3是帶偏置電阻及反峰抑制二極管的繼電器電感負(fù)載驅(qū)動(dòng)集成電路MDC3105的 內(nèi)部電路圖；圖4是由AT89C2051單片機(jī)和兩片74HC595高速CMOS移位寄存器構(gòu)成的縱橫制 16X4位步進(jìn)掃描控制脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路圖；圖5是2051單片機(jī)程序方框示意圖；圖6是本實(shí)用新型完整電原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的工作原理及工作過(guò)程作進(jìn)一步說(shuō)明。本實(shí)用新型采用自制的由超小型干簧管、電磁線圈、園形磁屏蔽套管構(gòu)成的快速 響應(yīng)電磁開(kāi)關(guān)為基本切換單元，將超小型干簧管內(nèi)芯視為同軸傳輸線的內(nèi)芯、將外套的電 磁線圈及園管形磁屏蔽外罩作為同軸傳輸線的外導(dǎo)體來(lái)設(shè)計(jì)，以減少頻率較高時(shí)的傳輸損 耗。如此設(shè)計(jì)實(shí)測(cè)可得IOMHz下0. Idb插損，最短切換時(shí)間達(dá)2ms。;采用帶偏置電阻及反峰 抑制二極管的繼電器電感負(fù)載驅(qū)動(dòng)集成電路為基本導(dǎo)通控制單元；采用可接受中心計(jì)算機(jī) 輸出外同步信號(hào)控制的51系列單片機(jī)作為步進(jìn)掃描控制電壓產(chǎn)生單元；采用縱橫制切換 原理實(shí)現(xiàn)縱16橫4的共64位步進(jìn)切換電路，通過(guò)對(duì)16個(gè)電感4個(gè)電容的切換實(shí)現(xiàn)64個(gè)調(diào)諧頻率的同步步進(jìn)掃描切換；16個(gè)電感由分段繞制在2X20cm鐵氧體磁棒上的線圈抽頭 構(gòu)成；4個(gè)電容均采用高頻獨(dú)石陶瓷電容；以上部分即構(gòu)成了可用于5 lOOOKHz低頻外差 掃頻式頻譜儀的可外同步的單片機(jī)控制64位步進(jìn)掃描輸入預(yù)選調(diào)諧電路。圖1是三種經(jīng)典調(diào)諧電路的示意圖。圖1A為可變電容器調(diào)諧電路的示意圖、圖1B 為變?nèi)荻O管調(diào)諧電路的示意圖、圖1C為切換電感調(diào)諧電路的示意圖，它們都不太適合于 超長(zhǎng)波段的調(diào)諧。圖2A是我們自行設(shè)計(jì)制造的同軸式超小型干簧管切換開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)及其等效電路 示意圖。1為干簧管，采用日本OKI公司0RD-219型微型干簧管，其管徑為02X12 ；2為 以電工純鐵棒車制的全封閉磁屏蔽外罩杯，其外徑為①13 X 15，其內(nèi)徑為①12 X 14 ;3為 用0 0.05的高強(qiáng)度漆包線分4段繞制的電磁線圈，分段繞制可減小其分布電容及寄生電 感，以改善其高頻響應(yīng)，同時(shí)與其外面的磁屏蔽電工純鐵管一起構(gòu)成類同軸電纜的外導(dǎo)體； 4為用低介質(zhì)損耗材料車制的分為4段的線圈管座架，其外徑為011X13，其內(nèi)徑為中空 0 2. 3 X 13，恰好可容下管徑為0 2的微型干簧管；5為電工純鐵管罩杯兩端0 2. 3開(kāi)孔中 填充的中空聚乙烯環(huán)(0 2. 3X2)，中心開(kāi)有0. 6的通孔以使0RD-219型微型干簧管兩端外 引線通過(guò)該孔穿出；6為干簧管雙端外引線，直徑約為0 0. 5X16，它構(gòu)成了類同軸電纜的 內(nèi)導(dǎo)體。這樣整個(gè)超小型干簧管切換開(kāi)關(guān)就成了一段阻抗近似50 Q的同軸電纜(圖2B)， 圖2A的6等效于圖2B的8，圖2A的4、5及1的玻璃外壁共同等效于圖2B的7，圖2A的2、 3共同等效于圖2B的9，從而減小了這種同軸式超小型干簧管切換開(kāi)關(guān)的高頻損耗及駐波 反射而可用于從直流到較高的頻率(彡10MHz)。圖3A是帶偏置電阻及反峰抑制二極管的繼電器電感負(fù)載驅(qū)動(dòng)集成電路MDC3105 的內(nèi)部電路，其額定工作電壓為5V，最大可控電流達(dá)500ma，飽和VCB彡0. IV。自帶6. 6V反 向穩(wěn)壓二極管，既可以作為穩(wěn)壓管限制正向電壓VBE氺6. 6V，又可以在出現(xiàn)負(fù)載電感反電動(dòng) 勢(shì)時(shí)瞬間作為二極管導(dǎo)通以抑制反沖，是一個(gè)十分好用的微封裝電路。圖3B是其外型封裝 圖。圖4是由1片AT89C2051CM0S單片機(jī)和2片74HC595高速CMOS移位寄存器 IC2IC3構(gòu)成的縱橫制16X4位步進(jìn)掃描控制脈信號(hào)產(chǎn)生電路圖。兩片移位寄存器中的IC2 輸出腳9與IC3輸入腳14相連接，兩片移位寄存器在單片機(jī)PL 7、P1. 6、P1. 5的控制下各產(chǎn) 生8位總共產(chǎn)生16位循環(huán)的移位脈沖作為縱向16位電感切換開(kāi)關(guān)控制脈沖；單片機(jī)P1. 4、 PL 3、PL 2、PL 1則產(chǎn)生橫向的4位電容切換開(kāi)關(guān)控制脈沖。這兩種縱向和橫向切換開(kāi)關(guān) 控制脈沖分別經(jīng)16針插座J2和8針插座J3輸出到縱橫制16X4位步進(jìn)掃描切換開(kāi)關(guān)矩 陣，以控制相應(yīng)的切換開(kāi)關(guān)順序?qū)ā纹瑱C(jī)P3. 7則可通過(guò)3針插座1接受外同步控制 電壓Vin的控制實(shí)現(xiàn)同步掃描，也可以通過(guò)J3接通V。。而自動(dòng)工作。在步進(jìn)掃描循環(huán)周期為 2048ms時(shí)，則每個(gè)縱向電感切換開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間自0到15依次為128ms，每個(gè)橫向電容切 換開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間自0到3依次為32ms。即每個(gè)電感依次接通4個(gè)不同容量的電容器，總 共有16X4 = 64個(gè)調(diào)諧頻率，適當(dāng)配置回路Q值可復(fù)蓋10 lOOOKHz頻段。如需增加調(diào) 諧頻率點(diǎn)，則可將橫向控制增加到16點(diǎn)，如此可用總共32個(gè)微型開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)16X16 = 256 點(diǎn)回路復(fù)蓋，此時(shí)每個(gè)橫向開(kāi)關(guān)為2ms工作周期，仍在微型干簧管最大工作頻率之內(nèi)。圖5是AT89C2051CM0S單片機(jī)程序方框示意圖；圖6是可工作于10 lOOOKHz頻段單片機(jī)縱橫制控制64位步進(jìn)掃描機(jī)械選頻調(diào)諧電路電原理圖。L為調(diào)諧回路的電感，在直徑為10mm長(zhǎng)度為400mm導(dǎo)磁率為400的錳鋅鐵氧體磁 棒上分16段繞制在多糟高頻塑料線圈管上，為保證低頻端有足夠的電感量以及高頻端有 合適的Q值，低頻到高頻采用了三種不同線徑的高 強(qiáng)度漆包線繞制，低頻端用0 0. 05mm、中 頻端用0 0. 2mm、高頻端用0 0. 4mm高強(qiáng)度漆包線繞制，其繞制的圈數(shù)約自高頻端的數(shù)圈到 低頻端的一、二千圈，具體圈數(shù)視錳鋅鐵氧體磁棒的導(dǎo)磁率、高頻塑料線圈管的外徑和開(kāi)糟 的深寬、繞線的松緊及是否間繞有關(guān)。具體計(jì)算遵循f = 1/2 II V LC公式及Q oc v L/C。Cp C2、C3、(；為調(diào)諧回路的電容，為減少回路損耗、提高回路Q值、保證回路溫 度系數(shù)及滿足10 1000KHZ頻段調(diào)諧范圍，必須采用容量足夠大、高頻損耗足夠小、電 容溫度系數(shù)為負(fù)且體積不太大的電容，我們使用是高頻獨(dú)石電容，容量依次為6. 8n、10n、 13. 3n (10+3. 3)、16. 8n (10+6. 8)。由于本實(shí)用新型可用于煤層瓦斯射電頻譜儀，需在井下工作，除平板天線及鐵 氧體天線外，均放置于厚鋼板隔爆外殼內(nèi)，故鐵氧體天線與置于厚鋼板隔爆外殼內(nèi)的開(kāi) 關(guān)電路之間用防爆阻燃多芯屏蔽電纜相連，進(jìn)入系統(tǒng)后均以聚四氟乙烯同軸電纜連接 (SFF-50-1. 5)。這些電纜的損耗及分布參數(shù)也加入調(diào)諧回路，因此必須重視這些電纜的質(zhì) 量和適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，必須適當(dāng)?shù)剡x擇和確定型號(hào)。同軸型超小型干簧管切換開(kāi)關(guān)乃本發(fā)明之關(guān)鍵，其直流及超低頻損耗主要取決于 超小型干簧管的接觸電阻1Q)是無(wú)法外部改變的，但其高頻下的損耗主要取決于切 換開(kāi)關(guān)準(zhǔn)同軸傳輸?shù)耐暾?，因此，低損耗低介電常數(shù)電介質(zhì)材料的選取、設(shè)計(jì)及加工就成 為關(guān)鍵的關(guān)鍵，必須保證在其整個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)的電氣阻抗的連續(xù)性。另為減小線圈的寄生參數(shù)， 除確保其安匝數(shù)滿足> 25AT的條件外，分段繞制不可缺少。64個(gè)調(diào)諧頻段的全頻段均比例復(fù)蓋，頻段取決于電感的設(shè)計(jì)與調(diào)試，頻點(diǎn)精度與 4個(gè)電容的選取、設(shè)計(jì)及調(diào)試密切相關(guān)。為了防止雜散信號(hào)干擾，我們將單片機(jī)電路和開(kāi)關(guān)電路分別裝于兩個(gè)密閉鍍銀屏 蔽合內(nèi)；兩部分電路的電源雖均為+5V，但單片機(jī)電路和開(kāi)關(guān)電路分別供電，前者以數(shù)字電 路+5V電源供電，后者以模擬電路+5V電源供電，且分別內(nèi)置電源濾波去耦電路，并均經(jīng)過(guò) 穿心電容供電。本實(shí)用新型電路可達(dá)到下述指標(biāo)f_3db10KHz lOOOKHz，同軸型超小型干簧管切 換開(kāi)關(guān)插入損耗彡0. 15db，步進(jìn)掃描循環(huán)周期可為1024、2048、4096ms，每個(gè)調(diào)諧頻點(diǎn)的回 路Q值約在10 100 (可以用并聯(lián)電阻調(diào)節(jié))。
權(quán)利要求一種單片機(jī)控制的64位步進(jìn)掃描機(jī)械選頻調(diào)諧電路，其特征是設(shè)有包括以緊套在干簧管上的圓柱型分段電磁線圈和圓管形磁屏蔽外罩構(gòu)成同軸線型電磁開(kāi)關(guān)為基本切換單元，其中，干簧管內(nèi)芯視為同軸傳輸線之內(nèi)芯，外套的圓柱型分段電磁線圈及圓管形磁屏蔽外罩視為同軸傳輸線的外導(dǎo)體；電磁線圈引出線的一端接+5V電源，另一端接到電磁線圈基本導(dǎo)通控制單元的輸出端；以含偏置電阻及反峰抑制二極管的繼電器電感負(fù)載驅(qū)動(dòng)集成電路為電磁線圈基本導(dǎo)通控制單元，其控制輸入端接單片機(jī)步進(jìn)掃描控制電壓產(chǎn)生單元的高速CMOS移位寄存器的移位輸出端；采用由中心計(jì)算機(jī)控制的CMOS單片機(jī)和高速CMOS移位寄存器作為步進(jìn)掃描控制電壓產(chǎn)生單元，由單片機(jī)接受來(lái)自中心計(jì)算機(jī)輸出的外同步信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)同步掃描以及在沒(méi)有外同步信號(hào)時(shí)通過(guò)機(jī)內(nèi)直流偏置而自動(dòng)掃描；采用縱橫制切換原理實(shí)現(xiàn)縱16橫4的共64位步進(jìn)切換電路，通過(guò)對(duì)16個(gè)電感4個(gè)電容的切換實(shí)現(xiàn)64個(gè)不同調(diào)諧頻率的調(diào)諧回路的同步步進(jìn)掃描切換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之單片機(jī)控制的64位步進(jìn)掃描機(jī)械選頻調(diào)諧電路，其特征是 16個(gè)電感由分段繞制在兩根緊密膠合的錳鋅鐵氧體磁棒上的16個(gè)線圈構(gòu)成；4個(gè)電容均采用高頻獨(dú)石陶瓷電容，4個(gè)電容與16個(gè)電感依次通過(guò)縱16橫4共20個(gè)同軸型切換單 元聯(lián)通而構(gòu)成64個(gè)不同調(diào)諧頻率的調(diào)諧回路，同時(shí)，分段繞制在兩根緊密膠合的錳鋅鐵氧 體磁棒上的16個(gè)線圈又構(gòu)成鐵氧體天線的接收回路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)64個(gè)不同頻率的外來(lái)空 間信號(hào)的選擇性接收及定方向性接收。
專利摘要一種單片機(jī)控制的64位步進(jìn)掃描機(jī)械選頻調(diào)諧電路，以緊套在干簧管上的分段電磁線圈和磁屏蔽外罩構(gòu)成同軸線型電磁開(kāi)關(guān)為基本切換單元；以含偏置電阻及反峰抑制二極管的繼電器電感負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路為電磁線圈基本導(dǎo)通控制單元，控制輸入端接單片機(jī)步進(jìn)掃描控制電壓產(chǎn)生單元的高速移位寄存器的移位輸出端；單片機(jī)和高速移位寄存器作為步進(jìn)掃描控制電壓產(chǎn)生單元，單片機(jī)可以接受來(lái)自中心計(jì)算機(jī)輸出的外同步信號(hào)控制，以實(shí)現(xiàn)同步掃描；也可以在沒(méi)有外同步信號(hào)時(shí)通過(guò)機(jī)內(nèi)直流偏置而自動(dòng)掃描。采用縱橫制切換原理，通過(guò)對(duì)16個(gè)電感4個(gè)電容的切換實(shí)現(xiàn)64個(gè)不同調(diào)諧頻率的調(diào)諧回路的同步步進(jìn)掃描切換。
文檔編號(hào)H03J7/18GK201577073SQ20102010535
公開(kāi)日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2010年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日
發(fā)明者倪玉安, 柏發(fā)松, 沈勁松, 牛鋒, 袁亮, 黃福泉 申請(qǐng)人:淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司;南京紫淮礦用電子高科技有限公司;煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心