基于FPGA的石英晶体微天平设计

摘   要：本文以现场可编程门阵列（FPGA）作为主控单元，采用模块化、高集成度的设计理念，开发了一款石英晶体微天平系统，阐述了系统设计方案，采用软件补偿的方法对石英晶体振荡器的频率进行温度补偿，给出了软件温度补偿策略。

关键词： 石英晶体微天平；现场可编程门阵列；振荡电路；温度补偿；线性插值

1引言

随着科技进步和社会的发展，对微量物质的检测显得越来越重要。石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）是一种测量物体重量的新型传感器[1]，根据压电效应原理，把石英晶体表面电极上微小的质量变化转换成频率变化信息，通过频率变化来检测微小质量[2]。石英晶体微天平拥有的高灵敏度和实时在线检测等优点使其在材料表征、医学诊断、环境检测和食品检验等科学领域具有非常广泛的应用[3]。针对现有的石英晶体微天平存在系统复杂、检测精度低的不足，本文设计开发出一款高集成度、高准确度的石英晶体微天平。

2系统总体设计

本文采用软件补偿算法对石英晶体振荡频率进行温度补偿。测量不同温度下的频率偏离值，生成频率偏移与温度的关系数据表，存储在FPGA内部程序中。信息处理单元根据检测的实际温度值，基于频率偏移与温度的数据表，采用线性插值的方法计算得到实际温度下的频率补偿值，对石英晶体振荡频率进行补偿，从而得到校正后的石英晶体微天平的输出频率值

5结论

本文设计开发压电晶体微量天平，采用FPGA作为主控单元，系统集成度高，采用线性插值方式，计算简单，程序实现容易，程序执行效率高，具有在线温度实时补偿功能，频率输出分辨率高，检测准确度高，能够满足微量物质实时检测的需要。

参考文献：

[1] 孟兰， 颜炜钰， 张浩，等. 基于石英晶体微天平的质量型湿敏传感器研究进展[J]. 电子元件与材料. 2022，41（08）： 794-801 +809.

[2]  魏晓妍，王刚，李岸峰，等. 电化学石英晶体微天平的应用[J]. 化学进展. 2018，30（11）： 1701-1721.

[3]  廖霜. 高灵敏度QCM精密传感器研究及应用[D]. 电子科技大学自动化学院，2017.

[4]  SAUERBREY G. Venvendung von schwingquar zen zur wagung dunner schichten and zutmikrowagung[J]. Zeitschtift Eiir Phy-sik， 1959， 155（2） ：206 -222.

项目来源：

1、河南省重点研发与推广专项（科技攻关）“新型高灵敏度智能压电微生物传感器构建的关键技术研究”（222102210105）。

2、河南省高等学校重点科研项目“空调压缩机振动噪声的主动补偿控制策略研究 ”（21A413005）；

作者简介：王婷（2001.6-），女，河南南阳人，E-mail： 2319162764@qq.com