一种QCM信号在线采集系统的实现

中不会停振、测量结果信息量大、形象直观、计算解释容易。本设计给出了一种基本频谱分析法的QCM信号采集系统。
　　
　　3系统分析
　　
　　电路的正弦信号产生部分由直接数字信号合成（DDS）芯片、自动增益控制（AGC）和运放（AMP）等组成。DDS接收DSP的控制信号，产生频率可控的正弦信号；AGC调整DDS的输出信号，使其峰-峰值始终保持为一个已知的定值；AMP则完成信号的放大和阻抗转换。由于信号产生部分增加了自动增益控制使其产生的信号的信号的峰-峰值保持恒定，从而减少了待测信号的数目，简化了测量和处理的过程。
　　
　　信号产生器部分产生的正弦信号作用在如图2中所示的两个反相比例电路上，反相比例电路的输出信号包含QCM在相应频率下的等效阻抗的幅值和相角信息。根据反相比例电路虚地的原理，作用在QCM上的电压始终保持为信号产生部分的输出电压与地之间的电压差。采用这种结构的好处是：（1）使作用在QCM上
　　
　　
　　
　　的电压保持恒定，简化了处理过程。（2）只通过一个反相比例电路的输出信号即可单独得到QCM等效阻抗的幅值（通过后面的计算将会得到此结论）。
　　
　　反相比例电路输出信号的采集和处理部分的核心是两个乘法器和低通滤波器。设信号产生部分的输出信号电压为：u=u0coswt，用相量表示为：u。则含有QCM的反相比例电路的输出为：
　　
　　
　　
　　式中，R1为参考电阻|Z|和φ为其对应的幅值和相角。另一个反相比例电路的输出为：
　　
　　
　　
　　式中，R2、R3分别为参考电阻R2、R3的阻值。u1、u2作为两个模拟乘法器的输入。乘法器1的输出为：
　　
　　
　　
　　两路输出信号经低通滤波（LPF）后的输出为：
　　
　　
　　
　　这两个直流信号经过放大器放大后由ADC芯片采集，所采集的数字信号经DSP处理后送往PC机供分析、显示之用。为保证采集的精度，此处的放大器选用AD620芯片。AD620具有高精度、低漂移和低哭声的优点，另外AD620可以通过一个外接电阻方便地调节放大倍数。ADC芯片采用双通道的高精度转换芯片。
　　
　　整理（3）、（4）两式可得QCM等效阻抗的幅值为：
　　
　　
　　
　　上面各式中R1、R2、R3和u0均为与电路参数有关的已知值，所以由采集的信号uf1和uf2，通过（5）、（6）式即可分别计算出QCM等效阻抗的幅值和相角。通过DDS改变产生信号的频率，即可得到不同频率下QCM等效阻抗的幅值和相角。对QCM谐振频率附件的频率段进行扫描，记录每个频率测量点对应的幅值和相角，即可给出QCM的频谱。由频谱可以得出QCM谐振频率的变化量Δf。
　　
　　由（5）式可知，通过uf1即可单独求出QCM等效阻抗的幅值，得到QCM的幅频率特性曲线。因此本电路可以设定两种工作模式：（1）使电路仅采集信号uf1，从而得到QCM的幅频特性曲线，由该曲线可以得到QCM的谐振频率（对应于阻抗值最低点处的频率）、带宽、Q值等参数。采用此模式得到的信号虽不全面，但它足以得到谐振频率的变化量Δf，且由于这种模式只采集、处理一路信号，因此工作速度较快。（2）同时采集信号uf1和uf2，从而可得到QCM的幅频特性和相频特性曲线。采用此模式可以得到QCM的最全面的信息，但它的工作速度与模式（1）相比较慢。
　　

《一种QCM信号在线采集系统的实现(第2页)》