基于微波諧振腔的葡萄糖溶液濃度測量系統(tǒng)

　　2.2 頻率跟蹤硬件設(shè)計

　　頻率跟蹤系統(tǒng)的硬件連接框圖如圖5所示。幅度的鑒別是通過檢波器、整流濾波、放大器和比較器來實現(xiàn)的，相位的檢測是通過乘法器、低通濾波和比較器來實現(xiàn)的。兩個比較器輸出的數(shù)字信號讀入單片機，單片機根據(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，其反射微波信號功率約為 -9 dB，通過環(huán)形器進(jìn)入檢波器的信號功率約為 -9.5 dB，檢波器輸出電壓信號約為150 mV，該信號太小需要進(jìn)行放大，放大器選用低噪聲高精度運算放大器OP27。設(shè)置放大器的放大倍數(shù)為10倍，信號經(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差別10 mV輸出狀態(tài)就可以改變，比較器的輸出信號輸入與門轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。當(dāng)諧振腔諧振時，與門輸出電壓約為70 mV，讀入單片機為0;當(dāng)諧振腔失諧時，與門輸出電壓為5 V，讀入單片機為1。單片機根據(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)計的精度要求。

　　相位的鑒別是由乘法器實現(xiàn)的，諧振腔失諧時，檢波器的輸出信號與調(diào)制信號的關(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)檢波器輸出信號與調(diào)制信號同相時，乘法器輸出為正直流電壓和二次諧波;當(dāng)檢波器輸出信號與調(diào)制信號反相時，乘法器輸出為負(fù)直流電壓和二次諧波。經(jīng)過低通濾波器濾除二次諧波后就只有直流信號，直流信號通過比較器LM 339，設(shè)置比較器的比較電壓為0，比較器的輸出經(jīng)與門后讀入單片機，這樣就可以判斷出相位的關(guān)系。然后，單片機通過控制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 頻率測量系統(tǒng)

　　頻率測量系統(tǒng)由1s時序模塊、D觸發(fā)器、2個24位計數(shù)器和運算處理部分組成，由單片機發(fā)出數(shù)據(jù)讀入控制信號頻率值讀入單片機處理。由標(biāo)準(zhǔn)信號f₀分頻后產(chǎn)生1s時序時間作為計數(shù)閘門時間，D觸發(fā)器控制2個計數(shù)器的開啟和關(guān)閉，2個計數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)信號和被測信號進(jìn)行計數(shù)^[10]。假設(shè)在一次實際閘門時間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器的計數(shù)值為N_s ，被測信號計數(shù)器的計數(shù)值為N_x ，標(biāo)準(zhǔn)信號頻率為f_s ，則被測信號的頻率為：

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