专利名称：一种单片机控制64位步进扫描机械选频调谐电路的制作方法
技术领域：
本实用新型属于通信接收领域，具体涉及一种单片机控制64位步进扫描机械选频调谐电路。
背景技术：
在通信接收设备及广播接收设备中，特别在外差接收设备中，为了抑制邻频干 扰和镜频干扰，输入频率预选电路或输入调谐回路几乎是必不可少的。在中波广播频段 (535 1605KHZ)以上，这是很简单的事情民用接收设备如收音机等通常使用可变调谐电 容(空气绝缘的或薄膜绝缘的)，通信接收设备或者用空气绝缘可变调谐电容器手动调谐 或者用马达与齿轮电动调谐或者用变容二极管电子调谐。但是到了长波尤其是IOOKHz以 下的超长波段，由于变容管及空气绝缘可变调谐电容器容量或Q值的限制，输入频率预选 或输入调谐就很困难了。特别对于工作频带下限达到IOKHz甚至更低的低频外差扫频频 谱仪来说，一个具有较高Q值、能够跟随扫频本振的频率变化相应调谐、调谐频率范围宽达 2 3个十倍频程的调谐电路是很难的事，除非采用多个超突变结变容二极管并联，但其Q 值不能做得很高。采用马达带动多挡开关切換电容的办法则挡位有限、反应速度慢跟不上 扫描速度且有磨损。
发明内容本实用新型针对上述现有技术的不足，提供一种单片机控制64位步进扫描机械 选频调谐电路，其特征是设有包括以紧套在干簧管上的圆柱型分段电磁线圈和圆管形磁屏蔽外罩构成同轴线型电 磁开关为基本切换单元，其中，干簧管内芯视为同轴传输线之内芯，外套的圆柱型分段电磁 线圈及圆管形磁屏蔽外罩视为同轴传输线的外导体；电磁线圈引出线的一端接+5V电源， 另一端接到电磁线圈基本导通控制单元的输出端；以含偏置电阻及反峰抑制二极管的继电器电感负载驱动集成电路为电磁线圈基 本导通控制单元，其控制输入端接单片机步进扫描控制电压产生单元的高速CMOS移位寄 存器的移位输出端；采用由中心计算机控制的CMOS单片机和高速CMOS移位寄存器作为步进扫描控制 电压产生单元，由单片机接受来自中心计算机输出的外同步信号控制实现同步扫描以及在 没有外同步信号时通过机内直流偏置而自动扫描；采用纵横制切换原理实现纵16横4的共64位步进切换电路，通过对16个电感4 个电容的切换实现64个不同调谐频率的调谐回路的同步步进扫描切换。16个电感由分段绕制在两根紧密胶合的锰锌铁氧体磁棒上的16个线圈构成；4个 电容均采用高频独石陶瓷电容，4个电容与16个电感依次通过纵16横4共20个同轴型切 換单元联通而构成64个不同调谐频率的调谐回路，同时，分段绕制在两根紧密胶合的锰锌 铁氧体磁棒上的16个线圈又构成铁氧体天线的接收回路，从而实现对64个不同频率的外来空间信号的选择性接收及定方向性接收。本实用新型的优点及有益效果1、将5 ΙΟΟΟΚΗζ工作频段分为64段相互衔接的调谐频段，每段的中心频率以1.086的倍率依次递增，如此每段的相对带宽均为约士4.2%，要求调谐回路的等效Q值为 12 13。由于采用了 tgo彡IX 10_3的高频独石陶瓷电容作为回路电容，而切換开关的插 损< 0. ldb，故回路等效Q值基本上取决于回路电感以及第一级电路的等效输入电阻。2、为减少切換开关数量，采用纵横制切换原理实现纵16横4的共64位步进切换 电路，纵向16个开关切換16个电感，横向4个开关切換4个电容，若全频段扫描时间为 2. 048S,则每个电感切換开关的切換时间自0到15依次为128ms，每个电容切換开关的切換 时间自0到3依次为32ms。3、为了简化电路、提高性能，我们采用了 ON半导体器器件公司的微型封装单路继 电器电感负载驱动集成电路MDC3105作为切換开关驱动。4、3105的步进扫描驱动由AT89C2051单片机Pl. 5-1. 7 口通过两片8位高速CMOS 移位寄存器产生16纵向驱动数字信号，由2051的Pl. 1-1.4 口经上拉电阻产生4横向驱动 数字信号。由2051的P3. 7 口接受来自中心计算机输出的外同步信号控制，以实现同步扫 描。5、16段线圈全部采用分段塑料骨架分段绕制在由2根20cm长的MX-400锰锌铁氧 体磁棒上，两根铁氧体磁棒端面以薄层环氧树脂胶合，整体磁导率下降不多仍接近400，却 很大程度上提升了天线的方向性，特别是中波段的方向性。
图1是三种现有调谐电路图；图2是同轴式超小型干簧管切換开关的结构及其等效电路示意图；图3是带偏置电阻及反峰抑制二极管的继电器电感负载驱动集成电路MDC3105的 内部电路图；图4是由AT89C2051单片机和两片74HC595高速CMOS移位寄存器构成的纵横制 16X4位步进扫描控制脉冲信号产生电路图；图5是2051单片机程序方框示意图；图6是本实用新型完整电原理图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的工作原理及工作过程作进一步说明。本实用新型采用自制的由超小型干簧管、电磁线圈、园形磁屏蔽套管构成的快速 响应电磁开关为基本切换单元，将超小型干簧管内芯视为同轴传输线的内芯、将外套的电 磁线圈及园管形磁屏蔽外罩作为同轴传输线的外导体来设计，以减少频率较高时的传输损 耗。如此设计实测可得IOMHz下0. Idb插损，最短切換时间达2ms。;采用带偏置电阻及反峰 抑制二极管的继电器电感负载驱动集成电路为基本导通控制单元；采用可接受中心计算机 输出外同步信号控制的51系列单片机作为步进扫描控制电压产生单元；采用纵横制切换 原理实现纵16横4的共64位步进切换电路，通过对16个电感4个电容的切换实现64个调谐频率的同步步进扫描切换；16个电感由分段绕制在2X20cm铁氧体磁棒上的线圈抽头 构成；4个电容均采用高频独石陶瓷电容；以上部分即构成了可用于5 lOOOKHz低频外差 扫频式频谱仪的可外同步的单片机控制64位步进扫描输入预选调谐电路。图1是三种经典调谐电路的示意图。图1A为可变电容器调谐电路的示意图、图1B 为变容二极管调谐电路的示意图、图1C为切换电感调谐电路的示意图，它们都不太适合于 超长波段的调谐。图2A是我们自行设计制造的同轴式超小型干簧管切換开关的结构及其等效电路 示意图。1为干簧管，采用日本OKI公司0RD-219型微型干簧管，其管径为02X12 ；2为 以电工纯铁棒车制的全封闭磁屏蔽外罩杯，其外径为①13 X 15，其内径为①12 X 14 ;3为 用0 0.05的高強度漆包线分4段绕制的电磁线圈，分段绕制可减小其分布电容及寄生电 感，以改善其高频响应，同时与其外面的磁屏蔽电工纯铁管一起构成类同轴电缆的外导体； 4为用低介质损耗材料车制的分为4段的线圈管座架，其外径为011X13，其内径为中空 0 2. 3 X 13，恰好可容下管径为0 2的微型干簧管；5为电工纯铁管罩杯两端0 2. 3开孔中 填充的中空聚乙烯环(0 2. 3X2)，中心开有0. 6的通孔以使0RD-219型微型干簧管两端外 引线通过该孔穿出；6为干簧管双端外引线，直径约为0 0. 5X16，它构成了类同轴电缆的 内导体。这样整个超小型干簧管切換开关就成了一段阻抗近似50 Q的同轴电缆(图2B)， 图2A的6等效于图2B的8，图2A的4、5及1的玻璃外壁共同等效于图2B的7，图2A的2、 3共同等效于图2B的9，从而减小了这种同轴式超小型干簧管切換开关的高频损耗及驻波 反射而可用于从直流到较高的频率(彡10MHz)。图3A是带偏置电阻及反峰抑制二极管的继电器电感负载驱动集成电路MDC3105 的内部电路，其额定工作电压为5V，最大可控电流达500ma，饱和VCB彡0. IV。自带6. 6V反 向稳压二极管，既可以作为稳压管限制正向电压VBE氺6. 6V，又可以在出现负载电感反电动 势时瞬间作为二极管导通以抑制反冲，是一个十分好用的微封装电路。图3B是其外型封装 图。图4是由1片AT89C2051CM0S单片机和2片74HC595高速CMOS移位寄存器 IC2IC3构成的纵横制16X4位步进扫描控制脉信号产生电路图。两片移位寄存器中的IC2 输出脚9与IC3输入脚14相连接，两片移位寄存器在单片机PL 7、P1. 6、P1. 5的控制下各产 生8位总共产生16位循环的移位脉冲作为纵向16位电感切换开关控制脉冲；单片机P1. 4、 PL 3、PL 2、PL 1则产生横向的4位电容切換开关控制脉冲。这两种纵向和横向切換开关 控制脉冲分別经16针插座J2和8针插座J3输出到纵横制16X4位步进扫描切换开关矩 阵，以控制相应的切换开关顺序导通。单片机P3. 7则可通过3针插座1接受外同步控制 电压Vin的控制实现同步扫描，也可以通过J3接通V。。而自动工作。在步进扫描循环周期为 2048ms时，则每个纵向电感切換开关的切換时间自0到15依次为128ms，每个横向电容切 換开关的切換时间自0到3依次为32ms。即每个电感依次接通4个不同容量的电容器，总 共有16X4 = 64个调谐频率，适当配置回路Q值可复盖10 lOOOKHz频段。如需增加调 谐频率点，则可将横向控制增加到16点，如此可用总共32个微型开关实现16X16 = 256 点回路复盖，此时每个横向开关为2ms工作周期，仍在微型干簧管最大工作频率之内。图5是AT89C2051CM0S单片机程序方框示意图；图6是可工作于10 lOOOKHz频段单片机纵横制控制64位步进扫描机械选频调谐电路电原理图。L为调谐回路的电感，在直径为10mm长度为400mm导磁率为400的锰锌铁氧体磁 棒上分16段绕制在多糟高频塑料线圈管上，为保证低频端有足够的电感量以及高频端有 合适的Q值，低频到高频采用了三种不同线径的高 强度漆包线绕制，低频端用0 0. 05mm、中 频端用0 0. 2mm、高频端用0 0. 4mm高强度漆包线绕制，其绕制的圈数约自高频端的数圈到 低频端的一、二千圈，具体圈数视锰锌铁氧体磁棒的导磁率、高频塑料线圈管的外径和开糟 的深宽、绕线的松紧及是否间绕有关。具体计算遵循f = 1/2 II V LC公式及Q oc v L/C。Cp C2、C3、(；为调谐回路的电容，为减少回路损耗、提高回路Q值、保证回路温 度系数及满足10 1000KHZ频段调谐范围，必须采用容量足够大、高频损耗足够小、电 容温度系数为负且体积不太大的电容，我们使用是高频独石电容，容量依次为6. 8n、10n、 13. 3n (10+3. 3)、16. 8n (10+6. 8)。由于本实用新型可用于煤层瓦斯射电频谱仪，需在井下工作，除平板天线及铁 氧体天线外，均放置于厚钢板隔爆外壳内，故铁氧体天线与置于厚钢板隔爆外壳内的开 关电路之间用防爆阻燃多芯屏蔽电缆相连，进入系统后均以聚四氟乙烯同轴电缆连接 (SFF-50-1. 5)。这些电缆的损耗及分布参数也加入调谐回路，因此必须重视这些电缆的质 量和适当的长度，必须适当地选择和确定型号。同轴型超小型干簧管切換开关乃本发明之关键，其直流及超低频损耗主要取决于 超小型干簧管的接触电阻1Q)是无法外部改变的，但其高频下的损耗主要取决于切 換开关准同轴传输的完整性，因此，低损耗低介电常数电介质材料的选取、设计及加工就成 为关键的关键，必须保证在其整个长度内的电气阻抗的连续性。另为减小线圈的寄生参数， 除确保其安匝数满足> 25AT的条件外，分段绕制不可缺少。64个调谐频段的全频段均比例复盖，频段取决于电感的设计与调试，频点精度与 4个电容的选取、设计及调试密切相关。为了防止杂散信号干扰，我们将单片机电路和开关电路分别装于两个密闭镀银屏 蔽合内；两部分电路的电源虽均为+5V，但单片机电路和开关电路分别供电，前者以数字电 路+5V电源供电，后者以模拟电路+5V电源供电，且分别内置电源滤波去耦电路，并均经过 穿心电容供电。本实用新型电路可达到下述指标f_3db10KHz lOOOKHz，同轴型超小型干簧管切 換开关插入损耗彡0. 15db，步进扫描循环周期可为1024、2048、4096ms，每个调谐频点的回 路Q值约在10 100 (可以用并联电阻调节)。
权利要求一种单片机控制的64位步进扫描机械选频调谐电路，其特征是设有包括以紧套在干簧管上的圆柱型分段电磁线圈和圆管形磁屏蔽外罩构成同轴线型电磁开关为基本切换单元，其中，干簧管内芯视为同轴传输线之内芯，外套的圆柱型分段电磁线圈及圆管形磁屏蔽外罩视为同轴传输线的外导体；电磁线圈引出线的一端接+5V电源，另一端接到电磁线圈基本导通控制单元的输出端；以含偏置电阻及反峰抑制二极管的继电器电感负载驱动集成电路为电磁线圈基本导通控制单元，其控制输入端接单片机步进扫描控制电压产生单元的高速CMOS移位寄存器的移位输出端；采用由中心计算机控制的CMOS单片机和高速CMOS移位寄存器作为步进扫描控制电压产生单元，由单片机接受来自中心计算机输出的外同步信号控制实现同步扫描以及在没有外同步信号时通过机内直流偏置而自动扫描；采用纵横制切换原理实现纵16横4的共64位步进切换电路，通过对16个电感4个电容的切换实现64个不同调谐频率的调谐回路的同步步进扫描切换。
2.根据权利要求1所述之单片机控制的64位步进扫描机械选频调谐电路，其特征是 16个电感由分段绕制在两根紧密胶合的锰锌铁氧体磁棒上的16个线圈构成；4个电容均采用高频独石陶瓷电容，4个电容与16个电感依次通过纵16横4共20个同轴型切换单 元联通而构成64个不同调谐频率的调谐回路，同时，分段绕制在两根紧密胶合的锰锌铁氧 体磁棒上的16个线圈又构成铁氧体天线的接收回路，从而实现对64个不同频率的外来空 间信号的选择性接收及定方向性接收。
专利摘要一种单片机控制的64位步进扫描机械选频调谐电路，以紧套在干簧管上的分段电磁线圈和磁屏蔽外罩构成同轴线型电磁开关为基本切换单元；以含偏置电阻及反峰抑制二极管的继电器电感负载驱动电路为电磁线圈基本导通控制单元，控制输入端接单片机步进扫描控制电压产生单元的高速移位寄存器的移位输出端；单片机和高速移位寄存器作为步进扫描控制电压产生单元，单片机可以接受来自中心计算机输出的外同步信号控制，以实现同步扫描；也可以在没有外同步信号时通过机内直流偏置而自动扫描。采用纵横制切换原理，通过对16个电感4个电容的切换实现64个不同调谐频率的调谐回路的同步步进扫描切换。
文档编号H03J7/18GK201577073SQ20102010535
公开日2010年9月8日 申请日期2010年2月1日 优先权日2010年2月1日
发明者倪玉安, 柏发松, 沈劲松, 牛锋, 袁亮, 黄福泉 申请人:淮南矿业(集团)有限责任公司;南京紫淮矿用电子高科技有限公司;煤矿瓦斯治理国家工程研究中心