基于FPGA的石英晶體微天平測頻系統(tǒng)設計.pdf

1、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、可重復使用、操作簡便等優(yōu)點，被廣泛用于物理、化學、生物傳感、食品工業(yè)、環(huán)境科學、臨床醫(yī)學等領(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

2、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)的設計。首先，進行了雙通道QCM振蕩電路的設計，采用兩級OPA660寬帶運算跨導放大器實現(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）器件設計了雙路頻率

3、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