基于微波諧振腔的葡萄糖溶液濃度測量系統

　　2.2 頻率跟蹤硬件設計

　　頻率跟蹤系統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)現的，相位的檢測是通過(guò)乘法器、低通濾波和比較器來(lái)實(shí)現的。兩個(gè)比較器輸出的數字信號讀入單片機，單片機根據讀入的數據控制D/A轉換器的輸出電壓，調節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。

　　當諧振腔諧振時(shí)，其反射微波信號功率約為 -9 dB，通過(guò)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。設置放大器的放大倍數為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(mén)轉換為數字信號。當諧振腔諧振時(shí)，與門(mén)輸出電壓約為70 mV，讀入單片機為0;當諧振腔失諧時(shí)，與門(mén)輸出電壓為5 V，讀入單片機為1。單片機根據讀入數據控制12位D/A轉換器AD5530的輸出電壓，其轉換精度為10/(212-1)=0.0024 V，換算為VCO的輸出頻率變化為2.4 kHz，完全滿(mǎn)足系統設計的精度要求。

　　相位的鑒別是由乘法器實(shí)現的，諧振腔失諧時(shí)，檢波器的輸出信號與調制信號的關(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，當檢波器輸出信號與調制信號同相時(shí)，乘法器輸出為正直流電壓和二次諧波;當檢波器輸出信號與調制信號反相時(shí)，乘法器輸出為負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，直流信號通過(guò)比較器LM 339，設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，這樣就可以判斷出相位的關(guān)系。然后，單片機通過(guò)控制D/A轉換器的輸出電壓調節VCO的輸出頻率，使輸出頻率逐漸接近諧振頻率，諧振腔最終達到諧振狀態(tài)。

3 頻率測量系統

　　頻率測量系統由1s時(shí)序模塊、D觸發(fā)器、2個(gè)24位計數器和運算處理部分組成，由單片機發(fā)出數據讀入控制信號頻率值讀入單片機處理。由標準信號f₀分頻后產(chǎn)生1s時(shí)序時(shí)間作為計數閘門(mén)時(shí)間，D觸發(fā)器控制2個(gè)計數器的開(kāi)啟和關(guān)閉，2個(gè)計數器分別對標準信號和被測信號進(jìn)行計數^[10]。假設在一次實(shí)際閘門(mén)時(shí)間內標準信號計數器的計數值為N_s ，被測信號計數器的計數值為N_x ，標準信號頻率為f_s ，則被測信號的頻率為：

　　若忽略標準信號頻率的誤差，則等精度頻率測量的相對誤差為：