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专利号: 2023100861495
申请人: 西南交通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种石英晶体谐振频率快速测量方法,其特征在于,每次测量获取当前激励信号下的待测石英晶体的电纳响应,采用PID负反馈追踪调节,若当前电纳响应大于设定的允许的测量误差值范围上限,则降低激励信号的频率,若当前电纳响应小于设定的允许的测量误差值范围下限,则增大激励信号的频率;直至获取到的电纳响应在设定的允许的测量误差值范围内,将该电纳响应对应的激励信号的频率作为测量得到的石英晶体谐振频率;

所述方法包括以下步骤:

(1)在测量开始前,设置激励石英晶体的激励信号的起始频率,设置频率追踪的PID参数,设定单次电纳测量的间隔时间,设置允许的测量误差值范围;激励信号的起始频率为标称值;

(2)开始测量;

(3)等待设定的间隔时间后,获取得到石英晶体的电纳响应值;

(4)将石英晶体的电纳响应值与零值的差值作为PID控制的误差量,激励信号的频率作为被控量,进行PID控制;

(5)若电纳响应与零值的差值在允许的测量误差值范围内,则将激励信号的频率值作为测量值输出,否则根据步骤(4)中PID输出的被控量作为更新后的激励信号的频率,然后返回步骤(2);

允许的测量误差值范围下限为0。

2.根据权利要求1所述的一种石英晶体谐振频率快速测量方法,其特征在于,PID控制的控制算法如下式:f(k)=f(k‑1)+K[16e(k)+∫e(k)+8[e(k)‑e(k‑1)]]

其中,f(k)为PID控制当前的输出,f(k‑1)为PID控制上一次的输出,e(k)为PID控制当前的误差量,K为比例系数,e(k‑1)为PID控制上一次的误差量。

3.一种石英晶体谐振频率快速测量装置,其特征在于,包括:石英晶体、MCU模块、FPGA模块、DAC模块、激励电路、正交下变频电路、ADC模块以及显示器;

激励电路用于获取石英晶体导纳相关的交流电压;正交下变频电路用于从激励电路输出的交流电压中提取电纳响应并转换至直流电压输出;ADC模块用于读取正交下变频电路输出的直流电压值并反馈至FPGA模块;DAC模块为双路DAC,用于生成两路可控正弦信号,分别作为激励电路的激励信号与正交下变频电路的参考信号;FPGA模块用于控制激励信号与参考信号的频率与相位,判断谐振频率,并与MCU通讯传输测量结果;MCU模块用于进行人机交互,与FPGA模块进行通讯设置测量过程的参数,并连接显示器进行信息显示;

FPGA模块包括:谐振频率测量控制器、DDS模块;谐振频率测量控制器的输出作为DDS模块的输入,DDS模块的输出作为FPGA模块的输出;谐振频率测量控制器具体包括:等待开始信号单元、配置参数单元、数据稳定策略单元、PID控制策略单元以及结果处理单元;等待开始信号单元用于接收MCU模块下发的开始信号;配置参数单元用于接收MCU模块下发的配置参数;数据稳定策略单元用于稳定ADC模块的采集数据;PID控制策略单元采用电纳响应与零值的差值作为误差量,激励信号的输出频率为被控制量,构成负反馈环路进行谐振频率追踪;结果处理单元用于判定当前误差是否在允许的测量误差值范围内,若是,则返回当前激励信号的频率值作为测量结果,否则进入下一轮测量。

4.根据权利要求3所述的一种石英晶体谐振频率快速测量装置,其特征在于,激励电路包括:石英晶体插座、参考电阻、放大电路单元,石英晶体插入石英晶体插座中与参考电阻串联分压,得到与石英晶体导纳相关的交流电压,该交流电压通过放大电路单元进行放大后作为激励电路的输出。

5.根据权利要求3所述的一种石英晶体谐振频率快速测量装置,其特征在于,正交下变频电路包括:第一组乘法器与低通滤波器;使用第一组中的乘法器将激励电路输出信号与参考信号混频,然后使用第一组中的低通滤波器滤除混频的信号中的高频成分,得到最终的直流输出信号;

正交下变频电路还包括第二组乘法器与低通滤波器,用于将激励信号与参考信号进行混频。