本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的石英晶體微天平測頻系統(tǒng)設(shè)計

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【摘要】：石英晶體微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)是自1959年逐漸發(fā)展起來的現(xiàn)代微量物質(zhì)檢測與分析技術(shù),因其具有高靈敏度、高選擇性、可重復(fù)使用、操作簡便等優(yōu)點,被廣泛用于物理、化學(xué)、生物傳感、食品工業(yè)、環(huán)境科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。目前,QCM的基頻大多處于5-10MHz水平,為了提高QCM的靈敏度,設(shè)計高基頻的QCM顯得十分必要。由于QCM的頻率-溫度漂移,影響測量精度,采用雙石英晶片差動頻率測量的方法,可以減小環(huán)境溫度給單路QCM測量帶來的頻率-溫度漂移。本課題進行了雙通道QCM測頻系統(tǒng)的設(shè)計。首先,進行了雙通道QCM振蕩電路的設(shè)計,采用兩級OPA660寬帶運算跨導(dǎo)放大器實現(xiàn),能夠使基頻約40MHz的QCM振蕩,該電路在氣、液相中均能夠運作良好,氣相中阿倫方差達5×10-9@1s水平,為測頻系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的振蕩頻率。然后,基于FPGA(Field Programmable Gate Array)器件設(shè)計了雙路頻率計數(shù)系統(tǒng),實現(xiàn)了對雙通道QCM振蕩電路輸出的兩路頻率信號的同步測量,頻率計數(shù)采用普通周期測頻法實現(xiàn),并采用阿倫方差達2.3×10-9@1s水平的高穩(wěn)恒溫晶振作時間閘門控制,從而改善計數(shù)誤差。接著,基于LabVIEW設(shè)計了上位機測頻數(shù)據(jù)顯示與存儲系統(tǒng),實現(xiàn)了對FPGA頻率計數(shù)系統(tǒng)的在線測量控制和測量數(shù)據(jù)的顯示,使能實時比對兩路頻率的變化；同時對測量數(shù)據(jù)進行存儲,方便對QCM數(shù)據(jù)進行后續(xù)分析與處理。最后,搭建了實驗系統(tǒng)并進行了系統(tǒng)測試,通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析,系統(tǒng)基本達到預(yù)期目標(biāo),為QCM的測量應(yīng)用提供了參考。
【關(guān)鍵詞】：石英晶體微天平 FPGA 頻率計 LabVIEW
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH715.11
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 緒論9-15
• 1.1 QCM的發(fā)展應(yīng)用及研究現(xiàn)狀9-12
• 1.1.1 QCM的發(fā)展應(yīng)用9-11
• 1.1.2 QCM的研究現(xiàn)狀11-12
• 1.2 論文的研究目的與意義12-13
• 1.3 論文的研究內(nèi)容及章節(jié)安排13-15
• 第二章 雙通道QCM振蕩電路設(shè)計15-23
• 2.1 QCM的等效建模15-17
• 2.1.1 QCM在氣相中的等效建模15-16
• 2.1.2 QCM在液相中的等效建模16-17
• 2.2 振蕩電路的振蕩條件17-18
• 2.3 振蕩電路的選擇18-19
• 2.4 基于OPA660的射極耦合振蕩電路設(shè)計19-21
• 2.5 振蕩電路的測試與分析21-22
• 2.6 本章小結(jié)22-23
• 第三章 基于FPGA的頻率計數(shù)系統(tǒng)設(shè)計23-47
• 3.1 頻率計數(shù)系統(tǒng)總體設(shè)計23
• 3.2 計頻芯片的選擇23-25
• 3.3 計數(shù)時間閘門晶振的選擇25
• 3.4 測頻算法選擇25-27
• 3.5 頻率計數(shù)系統(tǒng)硬件設(shè)計27-32
• 3.5.1 頻率計數(shù)器最小系統(tǒng)設(shè)計28-30
• 3.5.2 RS232串口通信電路設(shè)計30-31
• 3.5.3 DS1302時鐘電路設(shè)計31-32
• 3.5.4 電源電路設(shè)計32
• 3.6 頻率計數(shù)系統(tǒng)軟件設(shè)計32-45
• 3.6.1 雙路頻率計數(shù)器設(shè)計與仿真33-37
• 3.6.2 串口發(fā)送接收模塊設(shè)計與仿真37-41
• 3.6.3 時鐘讀寫模塊設(shè)計與仿真41-44
• 3.6.4 頻率計數(shù)系統(tǒng)總仿真44-45
• 3.7 本章小結(jié)45-47
• 第四章 上位機測頻數(shù)據(jù)顯示與存儲系統(tǒng)設(shè)計47-57
• 4.1 LabVIEW開發(fā)環(huán)境介紹47
• 4.2 上位機測頻數(shù)據(jù)顯示與存儲系統(tǒng)總設(shè)計47-48
• 4.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置48-51
• 4.3.1 上位機系統(tǒng)啟動與停止48-49
• 4.3.2 實時測量與查看歷史數(shù)據(jù)模式選擇49
• 4.3.3 串口通信配置49-50
• 4.3.4 計數(shù)閘門時長Ts選擇50
• 4.3.5 測頻通道開啟與關(guān)閉50-51
• 4.3.6 軟件復(fù)位設(shè)計51
• 4.4 時間/日期顯示與修改設(shè)計51-53
• 4.5 數(shù)據(jù)顯示設(shè)計53-54
• 4.6 數(shù)據(jù)存儲與查看歷史數(shù)據(jù)設(shè)計54-55
• 4.6.1 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計54-55
• 4.6.2 查看歷史數(shù)據(jù)模塊設(shè)計55
• 4.7 本章小結(jié)55-57
• 第五章 系統(tǒng)搭建與數(shù)據(jù)分析57-61
• 5.1 實驗系統(tǒng)搭建57-58
• 5.2 數(shù)據(jù)測試與分析58-60
• 5.2.1 測量有源晶振及數(shù)據(jù)分析58-60
• 5.2.2 測量QCM振蕩電路及數(shù)據(jù)分析60
• 5.3 本章小結(jié)60-61
• 第六章 總結(jié)與展望61-63
• 6.1 總結(jié)61-62
• 6.2 展望62-63
• 致謝63-65
• 參考文獻65-69
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文69

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