基于FPGA的石英晶体微天平测频系统设计
本文关键词：基于FPGA的石英晶体微天平测频系统设计
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【摘要】：石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)是自1959年逐渐发展起来的现代微量物质检测与分析技术,因其具有高灵敏度、高选择性、可重复使用、操作简便等优点,被广泛用于物理、化学、生物传感、食品工业、环境科学、临床医学等领域。目前,QCM的基频大多处于5-10MHz水平,为了提高QCM的灵敏度,设计高基频的QCM显得十分必要。由于QCM的频率-温度漂移,影响测量精度,采用双石英晶片差动频率测量的方法,可以减小环境温度给单路QCM测量带来的频率-温度漂移。本课题进行了双通道QCM测频系统的设计。首先,进行了双通道QCM振荡电路的设计,采用两级OPA660宽带运算跨导放大器实现,能够使基频约40MHz的QCM振荡,该电路在气、液相中均能够运作良好,气相中阿伦方差达5×10-9@1s水平,为测频系统提供了稳定的振荡频率。然后,基于FPGA(Field Programmable Gate Array)器件设计了双路频率计数系统,实现了对双通道QCM振荡电路输出的两路频率信号的同步测量,频率计数采用普通周期测频法实现,并采用阿伦方差达2.3×10-9@1s水平的高稳恒温晶振作时间闸门控制,从而改善计数误差。接着,基于LabVIEW设计了上位机测频数据显示与存储系统,实现了对FPGA频率计数系统的在线测量控制和测量数据的显示,使能实时比对两路频率的变化；同时对测量数据进行存储,方便对QCM数据进行后续分析与处理。最后,搭建了实验系统并进行了系统测试,通过对实验数据进行分析,系统基本达到预期目标,为QCM的测量应用提供了参考。
【关键词】：石英晶体微天平 FPGA 频率计 LabVIEW
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH715.11
【目录】：
- 摘要5-6
- Abstract6-9
- 第一章 绪论9-15
- 1.1 QCM的发展应用及研究现状9-12
- 1.1.1 QCM的发展应用9-11
- 1.1.2 QCM的研究现状11-12
- 1.2 论文的研究目的与意义12-13
- 1.3 论文的研究内容及章节安排13-15
- 第二章 双通道QCM振荡电路设计15-23
- 2.1 QCM的等效建模15-17
- 2.1.1 QCM在气相中的等效建模15-16
- 2.1.2 QCM在液相中的等效建模16-17
- 2.2 振荡电路的振荡条件17-18
- 2.3 振荡电路的选择18-19
- 2.4 基于OPA660的射极耦合振荡电路设计19-21
- 2.5 振荡电路的测试与分析21-22
- 2.6 本章小结22-23
- 第三章 基于FPGA的频率计数系统设计23-47
- 3.1 频率计数系统总体设计23
- 3.2 计频芯片的选择23-25
- 3.3 计数时间闸门晶振的选择25
- 3.4 测频算法选择25-27
- 3.5 频率计数系统硬件设计27-32
- 3.5.1 频率计数器最小系统设计28-30
- 3.5.2 RS232串口通信电路设计30-31
- 3.5.3 DS1302时钟电路设计31-32
- 3.5.4 电源电路设计32
- 3.6 频率计数系统软件设计32-45
- 3.6.1 双路频率计数器设计与仿真33-37
- 3.6.2 串口发送接收模块设计与仿真37-41
- 3.6.3 时钟读写模块设计与仿真41-44
- 3.6.4 频率计数系统总仿真44-45
- 3.7 本章小结45-47
- 第四章 上位机测频数据显示与存储系统设计47-57
- 4.1 LabVIEW开发环境介绍47
- 4.2 上位机测频数据显示与存储系统总设计47-48
- 4.3 系统参数设置48-51
- 4.3.1 上位机系统启动与停止48-49
- 4.3.2 实时测量与查看历史数据模式选择49
- 4.3.3 串口通信配置49-50
- 4.3.4 计数闸门时长Ts选择50
- 4.3.5 测频通道开启与关闭50-51
- 4.3.6 软件复位设计51
- 4.4 时间/日期显示与修改设计51-53
- 4.5 数据显示设计53-54
- 4.6 数据存储与查看历史数据设计54-55
- 4.6.1 数据存储模块设计54-55
- 4.6.2 查看历史数据模块设计55
- 4.7 本章小结55-57
- 第五章 系统搭建与数据分析57-61
- 5.1 实验系统搭建57-58
- 5.2 数据测试与分析58-60
- 5.2.1 测量有源晶振及数据分析58-60
- 5.2.2 测量QCM振荡电路及数据分析60
- 5.3 本章小结60-61
- 第六章 总结与展望61-63
- 6.1 总结61-62
- 6.2 展望62-63
- 致谢63-65
- 参考文献65-69
- 攻读硕士学位期间发表的论文69
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，本文编号：689036
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