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基于微波谐振腔的葡萄糖溶液浓度测量系统

作者:李建潼 王洪军时间:2015-02-11来源:电子产品世界收藏
编者按:  摘要:根据微波谐振腔的谐振频率随腔内溶液的介电常数的变化而发生偏移的特性,本文设计了基于微波谐振腔的葡萄糖溶液浓度测量系统,包括谐振腔测量模块、谐振频率跟踪模块和等精度频率测量模块,可实现对溶液浓度的实时测量。谐振频率跟踪模块利用单片机控制压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)的输出频率,使VCO的输出频率与谐振频率实时保持一致,实现了谐振频率的自动跟踪。等精度频率测量模块在标准频率为50 MHz时,误差达到2×10-8,浓度测量分辨率达到0.0

  2.2 频率跟踪硬件设计

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/269824.htm

  频率跟踪系统的硬件连接框图如图5所示。幅度的鉴别是通过、整流滤波、放大器和比较器来实现的,相位的检测是通过乘法器、低通滤波和比较器来实现的。两个比较器输出的数字信号读入根据读入的数据控制D/A转换器的输出电压,调节的输出频率,使的输出频率与谐振腔的始终保持一致。

  当谐振腔谐振时,其反射信号功率约为 -9 dB,通过环形器进入的信号功率约为 -9.5 dB,输出电压信号约为150 mV,该信号太小需要进行放大,放大器选用低噪声高精度运算放大器OP27。设置放大器的放大倍数为10倍,信号经放大后输入比较器LM 339的一端,另一端接比较电压2 V,只要两输入端电压信号差别10 mV输出状态就可以改变,比较器的输出信号输入与门转换为数字信号。当谐振腔谐振时,与门输出电压约为70 mV,读入为0;当谐振腔失谐时,与门输出电压为5 V,读入单片机为1。单片机根据读入数据控制12位D/A转换器AD5530的输出电压,其转换精度为10/(212-1)=0.0024 V,换算为的输出频率变化为2.4 kHz,完全满足系统设计的精度要求。

  相位的鉴别是由乘法器实现的,谐振腔失谐时,检波器的输出信号与调制信号的关系有正相和反相两种情况,即乘法器的输出有两种形式:

  由式(3)(4)可知,当检波器输出信号与调制信号同相时,乘法器输出为正直流电压和二次谐波;当检波器输出信号与调制信号反相时,乘法器输出为负直流电压和二次谐波。经过低通滤波器滤除二次谐波后就只有直流信号,直流信号通过比较器LM 339,设置比较器的比较电压为0,比较器的输出经与门后读入单片机,这样就可以判断出相位的关系。然后,单片机通过控制D/A转换器的输出电压调节VCO的输出频率,使输出频率逐渐接近,谐振腔最终达到谐振状态。

3 频率测量系统

  频率测量系统由1s时序模块、D触发器、2个24位计数器和运算处理部分组成,由单片机发出数据读入控制信号频率值读入单片机处理。由标准信号f0分频后产生1s时序时间作为计数闸门时间,D触发器控制2个计数器的开启和关闭,2个计数器分别对标准信号和被测信号进行计数[10]。假设在一次实际闸门时间内标准信号计数器的计数值为Ns ,被测信号计数器的计数值为Nx ,标准信号频率为fs ,则被测信号的频率为:

  若忽略标准信号频率的误差,则等精度频率测量的相对误差为:

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