基于微波谐振腔的葡萄糖溶液浓度测量系统

g、500 mmol/kg、600 mmol/kg的葡萄糖溶液浓度进行测量。

1.6 系统测量框图

谐振腔测量系统工作原理框图如图2所示。图中的谐振腔为工作在TE₀₁₁模式的封闭反射式谐振腔，当腔内被测量溶液的浓度发生变化时，谐振腔的谐振频率发生偏移，压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)产生的调频信号经过定向耦合器分成两路：一路进入混频器，与本振信号混频，产生中频信号;另一路通过环形器进入谐振腔，谐振腔的反射信号再经环形器进入检波器，检波器输出调制信号，频率跟踪系统根据调制信号的大小和方向控制VCO的输出频率，使输出的载波频率始终与谐振腔的谐振频率相等。混频器的基准频率为谐振腔的谐振频率9.6 GHz，由混频器产生的差频信号为微扰前后的频率偏移，差频信号经过整形放大后经过频率测量系统测量其频率，最后通过数据处理就可以得到溶液的浓度。

为了得到溶液浓度变化所产生的谐振频率的准确偏移量，首先要求谐振腔具有很高的品质因数^[10]，其次由于该偏移量是混频器输出的差频信号，混频器的基准频率必须具有很高的稳定性。再次，频率跟踪系统要有较高的可靠性，要求能够控制VCO的输出频率与谐振腔的谐振频率保持一致，这样才能保证测量的精度。

2 自动频率跟踪系统

2.1 跟踪原理

在测量系统中，VCO的输入由直流信号和调制信号共同控制，所以其输出为调频信号，自动频率跟踪系统的设计原理是谐振腔对调频信号的幅度响应。当调频信号输入谐振腔时，根据载波频率与谐振频率的大小关系，谐振腔的响应有3种不同的情况^[8]。设f_t为输入调频信号的载波频率，f₀为谐振腔的谐振频率，当f_t<f₀时，检波器的输出信号与调频信号的频率相同、相位相反，当f_t>f₀时，检波器的输出信号与调频信号的频率和相位均相同，当f_t=f₀时，检波器的输出信号为幅度很小的调频信号的绝对值。由以上分析可知，要确定输入调频信号与谐振频率的关系，只需分析检波器输出信号与输入调频信号的幅度和相位的关系^[9]。先对输出信号进行幅度的鉴别，由于谐振时谐振腔吸收了大部分的功率，检波器的输出信号幅度很小;没有谐振时，检波器输出幅度比较大，但相位不同，所以先对检波器的输出进行幅度鉴别，然后根据幅度鉴别的结果进行相位的检测。

2.2 频率跟踪硬件设计

频率跟踪系统的硬件连接框图如图5所示。幅度的鉴别是通过检波器、整流滤波、放大器和比较器来实现的，相位的检测是通过乘法器、低通滤波和比较器来实现的。两个比较器输出的数字信号读入单片机，单片机根据读入的数据控制D/A转换器的输出电压，调节VCO的输出频率，使VCO的输出频率与谐振腔的谐振频率始终保持一致。

当谐振腔谐振时，其反射微波信号功率约为 -9 dB，通过环形器进入检波器的信号功率约为 -9.5 dB，检波器输出电压信号约为150 mV，该信号太小需要进行放大，放大器选用低噪声高精度运算放大器OP27。设置放大器的放大倍数为10倍，信号经放大后输入比较器LM 339的一端，另一端接比较电压2 V，只要两输入端电压信号差别10 mV输出状态就可以改变，比较器的输出信号输入与门转换为数字信号。当谐振腔谐振时，与门输出电压约为70 mV，读入单片机为0;当谐振腔失谐时，与门输出电压为5 V，读入单片机为1。单片机根据读入数据控制12位D/A转换器AD5530的输出电压，其转换精度为10/(212-1)=0.0024 V，换算为VCO的输出频率变化为2.4 kHz，完全满足系统设计的精度要求。

相位的鉴别是由乘法器实现的，谐振腔失谐时，检波器的输出信号与调制信号的关系有正相和反相两种情况，即乘法器的输出有两种形式：

由式(3)(4)可知，当检波器输出信号与调制信号同相时，乘法器输出为正直流电压和二次谐波;当检波器输出信号与调制信号反相时，乘法器输出为负直流电压和二次谐波。经过低通滤波器滤除二次谐波后就只有直流信号，直流信号通过比较器LM 339，设置比较器的比较电压为0，比较器的输出经与门后读入单片机，这样就可以判断出相位的关系。然后，单片机通过控制D/A转换器的输出电压调节VCO的输出频率，使输出频率逐渐接近谐振频率，谐振腔最终达到谐振状态。

3 频率测量系统

频率测量系统由1s时序模块、D触发器、2个24位计数器和运算处理部分组成，由单片机发出数据读入控制信号频率值读入单片机处理。由标准信号f₀分频后产生1s时序时间作为计数闸门时间，D触发器控制2个计数器的开启和关闭，2个计数器分别对标准信号和被测信号进行计数^[10]。假设在一次实际闸门时间内标准信号计数器的计数值为N_s ，被测信号计数器的计数值为N_x ，标准信号频率为f_s ，则被测信号的频率为：