基于微波諧振腔的葡萄糖溶液濃度測(cè)量系統(tǒng)

　　2.2 頻率跟蹤硬件設(shè)計(jì)

　　頻率跟蹤系統(tǒng)的硬件連接框圖如圖5所示。幅度的鑒別是通過(guò)檢波器、整流濾波、放大器和比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，相位的檢測(cè)是通過(guò)乘法器、低通濾波和比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。兩個(gè)比較器輸出的數(shù)字信號(hào)讀入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)讀入的數(shù)據(jù)控制D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，調(diào)節(jié)VCO的輸出頻率，使VCO的輸出頻率與諧振腔的諧振頻率始終保持一致。

　　當(dāng)諧振腔諧振時(shí)，其反射微波信號(hào)功率約為 -9 dB，通過(guò)環(huán)形器進(jìn)入檢波器的信號(hào)功率約為 -9.5 dB，檢波器輸出電壓信號(hào)約為150 mV，該信號(hào)太小需要進(jìn)行放大，放大器選用低噪聲高精度運(yùn)算放大器OP27。設(shè)置放大器的放大倍數(shù)為10倍，信號(hào)經(jīng)放大后輸入比較器LM 339的一端，另一端接比較電壓2 V，只要兩輸入端電壓信號(hào)差別10 mV輸出狀態(tài)就可以改變，比較器的輸出信號(hào)輸入與門(mén)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。當(dāng)諧振腔諧振時(shí)，與門(mén)輸出電壓約為70 mV，讀入單片機(jī)為0;當(dāng)諧振腔失諧時(shí)，與門(mén)輸出電壓為5 V，讀入單片機(jī)為1。單片機(jī)根據(jù)讀入數(shù)據(jù)控制12位D/A轉(zhuǎn)換器AD5530的輸出電壓，其轉(zhuǎn)換精度為10/(212-1)=0.0024 V，換算為VCO的輸出頻率變化為2.4 kHz，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精度要求。

　　相位的鑒別是由乘法器實(shí)現(xiàn)的，諧振腔失諧時(shí)，檢波器的輸出信號(hào)與調(diào)制信號(hào)的關(guān)系有正相和反相兩種情況，即乘法器的輸出有兩種形式：

　　由式(3)(4)可知，當(dāng)檢波器輸出信號(hào)與調(diào)制信號(hào)同相時(shí)，乘法器輸出為正直流電壓和二次諧波;當(dāng)檢波器輸出信號(hào)與調(diào)制信號(hào)反相時(shí)，乘法器輸出為負(fù)直流電壓和二次諧波。經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除二次諧波后就只有直流信號(hào)，直流信號(hào)通過(guò)比較器LM 339，設(shè)置比較器的比較電壓為0，比較器的輸出經(jīng)與門(mén)后讀入單片機(jī)，這樣就可以判斷出相位的關(guān)系。然后，單片機(jī)通過(guò)控制D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓調(diào)節(jié)VCO的輸出頻率，使輸出頻率逐漸接近諧振頻率，諧振腔最終達(dá)到諧振狀態(tài)。

3 頻率測(cè)量系統(tǒng)

　　頻率測(cè)量系統(tǒng)由1s時(shí)序模塊、D觸發(fā)器、2個(gè)24位計(jì)數(shù)器和運(yùn)算處理部分組成，由單片機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)讀入控制信號(hào)頻率值讀入單片機(jī)處理。由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)f₀分頻后產(chǎn)生1s時(shí)序時(shí)間作為計(jì)數(shù)閘門(mén)時(shí)間，D觸發(fā)器控制2個(gè)計(jì)數(shù)器的開(kāi)啟和關(guān)閉，2個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)^[10]。假設(shè)在一次實(shí)際閘門(mén)時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為N_s ，被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為N_x ，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率為f_s ，則被測(cè)信號(hào)的頻率為：

　　若忽略標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率的誤差，則等精度頻率測(cè)量的相對(duì)誤差為：