论文总字数：22085字

目 录

一、绪论 1

1.1引言 1

1.2行波管的历史 1

1.3虚拟仪器 2

1.4行波管老练的研究背景与我国现状 3

1.4.1行波管的概念 3

1.4.2行波管原理 4

1.4.3行波管在我国现状 4

二、系统方案设计 5

2.1行波管结构介绍 5

2.2系统总体设计 6

2.3上位机系统设计 7

2.4主程序系统功能简介 8

2.4.1监控状态设计 8

2.4.2设定参数状态设计 9

2.4.3数据查询设计 10

2.4.3串口设定状态设计 11

2.5系统方案设计小结 12

三、系统软件设计 13

3.1软件前面板展示 13

3.2监控状态系统设计 15

3.2.1监控状态程序设计 15

3.2.2监控状态设计的优点 23

3.3设定参数状态系统设计 23

3.3.1设定参数状态程序设计 23

3.3.2设定参数状态的优点 26

3.4数据查询系统设计 26

3.4.1数据查询程序设计 26

3.4.2数据查询的优点 28

3.5串口设定状态系统设计 28

3.5.1串口设定状态程序设定 28

3.5.2串口设定状态的优点 30

3.6用户登录界面程序设计 30

3.6.1用户登录界面程序 30

3.6.2登录程序跳转主程序 32

3.6.3登录程序优点 33

3.7串口调试 33

3.7.1串口与辅助软件 33

3.7.2串口调试过程 34

3.7.3调试过程遇到的困难 35

四、总结和展望 35

参考文献: 36

致谢 38

基于labview的通用行波管监控系统设计

张晓露

，China

Abstract: In this paper, the detection system of the traveling wave tube is set up. This system is based on LabVIEW to achieve the host computer system. The system can not only collect the data, but also can improve the efficiency of the user, and the data can be displayed by the waveform chart and table. The dynamic characteristics of the data is more intuitive, the user can draw conclusions based on these data; not only the addition of the fault alarm function of the traveling wave tube. When the data exceeds the predetermined range will be the number of alarm and statistical alarm. Users can easily find the traveling wave tube abnormal and solve the problem. Through the host computer system, the current, voltage and temperature data can be observed directly, which is convenient for the user to detect the running state of the system in real time.

Key words: Traveling wave tube; voltage; current; temperature; labview.

一、绪论

1.1引言

行波管是实现放大功能的真空电子管。其原理是利用电子束与微波场进行能量的转换来实现对微波信号进行放大。因此它的特点有功率大，噪声低，效率高，增益高，频带宽。一个好的真空电子管需要要求电子管保持自身的真空度和物理性能，其目的是为了延长其使用寿命和提高其各方面性能的优良度。在市场中真空电子管的种类繁多，比如在卫星领域和电子对抗领域使用较多的行波管，而且在很多领域的行波管的大功率比较大，所以对于行波管的监控处理和参数设定处理尤其重要。为了保障行波管其性能的优良度需要进行通电来实现，最重要的是控制好行波管的管体温度和阴极活性。如果不定期的进行监控与检测，行波管的阴极活性就会降低，也就是阴极发射能力将会减弱，大大的降低了行波管的使用寿命，最终导致行波管易出故障或整个管行波管损坏。对于一些大功率的行波管来说价格都比较昂贵，有的价格达到几百万元。而且一旦受损，就会给用户造成大量的经济损失。对行波管的监控处理和参数设定处理可提高行波管35%～55%的寿命时长，节省大量资金。此外，它可以有效地改善行波管的性能参数，并可以保持行波管的性能指标。行波管的性能参数可以通过监控处理和参数设定处理进行优化，使电子对抗设备的性能得到改善，使电子对抗设备的使用效率更提高。因此对行波管监控检测系统设计可以帮助用户管理设备，节省资金。

1.2行波管的历史

早在上世纪40年代就开始出现了行波管，那时Linden Brad提出了电子束与高频波同步的概念，他们之间的相互作用可以使得信号放大。从那时起，科学家们就开始了对行波管的深入研究。直到1943，在物理学家R.康夫纳的努力下，它制造出了人类的第一支行波管，就像人类的第一台计算机，象征着一个时代的飞跃。此后，研发学者相继推出了行波管的改进和性能之旅。1947后，科学家们开始了对行波管在各个领域，低噪声的行波管就是在美国物理学家J.皮尔斯的小信号的基础上制造出来的，它的出现为行波管领域的进步奠定了基础。它的特点是具有宽频带、拥有很高的增益、和很小的噪声系数，这些特性也就是这种航波管的优点。从此以后人们越来越热衷于对行波管的探索，增加了它的使用领域，入雷达、电子对抗、卫星等领域的发展呈上升趋势。在未来的几十年里，行波管的发展速度突飞猛进，发展迅速，世界各地的科学家都开始对行波管在各个领域的深入研究，成为这个领域的世界龙头。

之后，科学家们在具有周期特性的永磁聚焦系统的理论的基础上进行了深入研究，并将其应用到行波管的制造和研究中，从此以后，行波管告别了巨大笨重的外观，体积也开始变小，重量也开始变得轻巧，为所制造的设备减小了使用空间。通过的这一次的研究行波管发展得更快速。行波管的应用范围越来越广，特别是在武器制造领域上，对体积和重量的要求很高，这不仅降低了成本，同时也美化了行波管的外观。这时，人们对行波管技术的研究也慢慢的走向了成熟，行波管在各方面的性能也逐渐提高，寿命也逐渐延长。这本该是提高行波管的开发水平一个好时机，但后来因为半导体技术的出现，人们在电路的信号处理这一块使用小功率行波管的频率越来越小，但在采用固态元器件来完全取代集成电路技术中行波管的位置。固态元器件在这器件迅速的发展了起来，因此很多人都认为行波管将进入尾声，会逐步被低电压、体积小的固态元器件所替代，同时很多国家也逐渐的减少了对行波管的研究，它开始生长它的发展也开始缓慢了下来。但3年后，科学家在高频率和高功率环境中，如电子对抗技术、武器设备的研发或无线电发射器、卫星领域等，行波管具有独特的优势。这时，固态元器件原有的外观上的优势远远抵不过行波管性能上的优势，人们对行波管的研究热情又上升了一个新的高度。此后人们对行波管的使用范围有了更深入的了解，行波管的发展和研究也逐步的进入了一个稳定的阶段。现在的行波管的使用范围已经包罗万象，很多领域的研究也越来越离不开它。其应用方向从原来的狭隘的武器设备领域已经开始扩展到了电子对抗、卫星导航领域、各种设备和智能远程控制等。让全球的科技发展突飞猛进。

1.3虚拟仪器

在1986年一个新的技术开始问世，它是虚拟仪器技术。虚拟仪器是一种基于计算机的仪器。它的问世使得世界各地科学家用NI LabVIEW编写程序。通过利用高性能的模块化硬件，再巧妙的运用软件来编写程序，数据分析和一些图形化开发应用。利用虚拟仪器的特点设计出更好的产品，并对产品进行了一系列的应用测试，提高产品质量。使得产品很快的投入市场，降低了生产成本，提高了生产效率，减少投入的时间和金钱。

在世界，越来越多的国家在产品的研发方面用到了虚拟仪器，比如美国这样的大国，在虚拟仪器的研究方面是世界龙头。虚拟仪器它的使用很方便和简洁，运用灵活。它把计算机技术与仪器进行了融合，显示出强大了的生命力，迅速有了一个新型产业结构的崛起。通过用户设计的虚拟面板来实现对系统的检测。上世纪80年代起，经过美国几年的积累，虚拟仪器的设计开发的厂商从一家开到了几百家，生产出来各种领域的设备，产品的种类高达几千种。1994年底其交易金额可达到2亿9300万美元，它就占了仪器制造产业的4%。这次毕设我设计的系统用的是NI虚拟仪器labview，利用软件的强大功能与物理设备进行通信来对数据的实时采集与分析，从而实现对系统的检测与控制。

我们国家在1997年才开始推出的虚拟仪器。因为虚拟仪器与传统的仪器相比较功能较强大，能够将很多复杂的系统用图形显示出来，方便对数据的快速分析。因此吸引了国内很多开发商和科学家对虚拟仪器的探索和深入研究，也通过虚拟仪器生产出了很多造福于人类的高科技。直到今天虚拟仪器的厂商在我们国家越来越多，比如上海聚星仪器、成都纵横仪器等。因为虚拟仪器拥有性能高、扩展性强、开发时间少、无缝集成的优点，虚拟仪器在现代机械科学领域占了重要的地位，是该领域最前沿的学科之一。虽然中国对虚拟仪器的开发研究比较晚，但是中国越来越多的科学家和科技公司开始了对这项技术重视。国家自然科学基金委员把虚拟仪器的研发提为“十五”阶段优先提高经济补助的范围，这样的环境下使得虚拟仪器发展得越来越快。这次毕设的系统我是通过串口通信来进行数据的接收与发送。在2014年我参加了江苏省虚拟仪器大赛，并在老师的帮助下获得了省二等奖。从此以后开始对虚拟仪器产生了浓厚的兴趣。因为虚拟仪器为仪器领域的发展提供了很好的舞台，是对我这次研究行波管性能很好的工具。

1.4行波管老练的研究背景与我国现状

1.4.1行波管的概念

行波管是一种电子微波管，通过调节电子柱的速度来使得信号放大。行波管主要由以下组成：电子枪、慢波电路、集中衰减器、能量耦合器、聚焦系统和集热器。电子枪主要是产生电子柱，其电子柱可以是用户想要的尺寸和电流大小，行波管电子枪的种类繁多，我们常用的电子枪有皮尔斯平行流枪﹑皮尔斯会聚枪﹑高导流系数电子枪﹑阳控电子枪﹑栅控电子枪﹑无截获栅控电子枪﹑低噪声电子枪等。；聚焦系统主要是来约束电子束使得微波信号放大，使电子保持着所需的尺寸，保证电子能够在微波场进行相互作用；慢波电路是控制电磁波的速度。行波管工作电压为2.5千伏时﹐电子注直流速度约为自由空间电磁波速度(即光速)的10%﹔工作电压为50千伏时﹐电子注直流速度约为自由空间电磁波速度的40%。为了使电子注同微波场产生有效的相互作用，微波场的相速应略低于上述电子注的直流速度。；集中衰减器的目的是可达到消除反馈抑制振汤；收集极的目的就是收集已经能量转换的电子。

常见行波管的图片有以下两种：

图1 脉冲耦合腔行波管

图2 螺旋线行波管

1.4.2行波管原理  

在行波管中，利用慢波电路中的微波场对电子束的影响下电子能量放大从而对信号进行放大。电子与电磁场的相互用有以下几种阶段：1、当开始进入慢波结构时，电子与电磁场的相互作用也就是通过电磁场来改变电子的速度。这时电磁波会减弱，因为电子会吸取电磁场的部分能量。因此电子在这个过程不会损失能量。2、之后，因为电子之间的速度的不同而产生群聚，当它们进入减速场中速度会减慢下来，它们就会把它们的能量传给电磁场。这样不光加强了电磁场的能量，而且又加快了电子的群聚同时减慢了电子的速度使得电磁场得到放大；3、然后电子开始进入衰减器，电磁波会被吸收。但是电子柱的群聚并不受衰减器的影响，进入衰减器后仍然群聚，又重新建立起电磁场并进行放大；4、因为它们之间的相互作用使得电子密度开始变得复杂，电磁波的幅度也会先增加后减少，当进入最高点时就达到饱和状态；5、电子的速度开始越来越慢，它提供的能量也越来越少，当它完全进入加速场就不再能够提供能量了；6、进一步退到加速区，电子不光是不能提供能量，反而会从电磁波中吸收能量，这时电磁波再一次减弱。

1.4.3行波管在我国现状

行波管的特点有功率大，噪声低，效率高，增益高，频带宽。因此我们国家的雷达设备、电子对抗技术和国防等领域研究比较多，具有较高的利用。行波管是武器设备的“心脏”。近年来，尽管我们国家对行波管的研究和生产取得了巨大的成就，但是和国外的一些军事大国相比较还是需要极大的改善。由于我国相对于那些军事大国基础较薄弱，另一方面对于开发真空器件资金投入不足也比较少，因此我国的行波管制造技术和世界一流水平的国家仍有不小的差距，所以缺点如下：

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