电行为特性

电行为特性（精选4篇）

电行为特性 篇1

随着通信系统对带宽的需求越来越宽，光外部调制器由于具有宽带调制特性并且在高频处具有低啁啾和低畸变的特性，所以它在光纤通信系统中发挥巨大的作用。外部调制光纤链路由于具有低的传输损耗并且和微波系统具有高融合性，所以在微波传输系统中也能发挥巨大作用。电吸收调制器由于包含多层量子阱从而具有很大的各向异性电吸收特性，电吸收调制器中偏振保持光纤的慢轴和量子阱层平行并且分布在电吸收调制器的输入和输出端，为了保证电吸收调制器和偏振保持光纤较高的耦合效率，采用非球面透镜和平凸透镜组成共焦系统，电吸收调制器是光通信系统中非常重要的一种光外部调制器[1,2]。

1 插入损耗

对于两束正交偏振的光波，其插入损耗和外加电压有关，电吸收调制器的插入损耗可由式（1）表示[3]:

图1和图2分别描述了两束正交偏振的光波在不同偏置电压下的插入损耗，由图1可以发现电吸收调制器在TM偏振光波长为1 530～1 550 nm范围内插入损耗都比较小，由图2可以发现电吸收调制器在TE偏振光波长为1 560～1 570 nm范围内插入损耗都比较小。电吸收调制器中，对不同波长的耦合损耗变化较小，为了获得较低的插入损耗和较高的调制效率，电吸收调制器可以工作在波长范围为40 nm内，并且将TM偏振光用于波长较短的系统，而TE偏振光用于波长较长的系统。

2 误码率

在发送端将速度为2.5 Gb/s的伪随机序列通过电吸收调制器加载到波长为1 550 nm的光波上，调制光经过掺铒光纤放大器放大之后送入距离为200 km的标准光纤传输（其总的色散为3 400 ps/nm）。为了避免光纤的自相位调制非线性效应，发射光的功率较小。在使用长色散光纤的高速数字传输系统中，其误码率下降的主要是由信号光的频率啁啾和光纤色散所导致的波形畸变所引起的，输出光相位的改变满足如下的关系[4]:

式中:φ是输出光的相位；α(VEAM)是描述电吸收模块啁啾特性的参数；VEAM是电吸收调制器的偏置电压；S(VEAM)是光功率。

图3为接收信号在背靠背和光纤距离为200 km的误码率曲线，可以发现在工作波长为1 550 nm的通信系统内实现了速率为2.5 Gb/s信号在200 km长度的标准光纤内传输，系统功率衰减很小，误码率达到了通信系统的要求。

3 三阶交调系数

将电吸收调制器模块的吸收曲线用泰勒级数展开如下[5]:

信号电压的表达式为：

将信号电压代入吸收曲线方程，得到三阶交调的幅度为：

由式（5）可以发现三阶交调主要是由吸收曲线方程的五阶导数产生，而五阶导数的值很小，所以电吸收调制器的三阶交调无失真动态范围很宽。

图4描述了三阶交调系数和偏置电压之间的关系，可以发现三阶交调系数很小并且在偏置电压为1.6 V时取得最小值，所以电吸收调制器的三阶交调无失真动态范围很宽，满足通信系统的需求。

光纤通信链路噪声系数满足如下表达式[6]:

式中：Nshot是散粒噪声；NRIN是和光源有关的强度噪声；Nthermal是和光电探测器有关的热噪声。

图5描述了有匹配阻抗和无匹配阻抗噪声系数曲线，由图5可以发现在选择合适的匹配阻抗下，通信系统噪声系数能够达到12 dB左右，这比无匹配阻抗条件下降低了10 dB左右。

4 结论

通过对电吸收调制器的结构分析，对电吸收调制器的特性进行了研究，研究发现TM偏振光波长为1 530～1 550 nm范围内插入损耗都比较小，TE偏振光波长为1 560～1 570 nm范围内插入损耗都比较小。工作波长为1 550 nm的通信系统内实现了速率为2.5 Gb/s信号在200 km长度的标准光纤内传输，系统功率衰减很小。在选择合适的匹配阻抗下，通信系统噪声系数能够达到12 dB左右，这比无匹配阻抗条件下降低了10 dB左右，为进一步研究电吸收调制器在现代通信系统中的应用提供了一定的理论参考。

摘要：针对电吸收调制器在光纤无线通信系统中的重要作用,分析了电吸收调制器的插入损耗和由电吸收调制器组成的光纤无线通信系统的误码率和噪声系数。发现在波长从15301570nm范围内插入损耗都比较小;在工作波长为1550nm的通信系统内实现了速率为2.5Gb/s信号在200km长度的标准光纤内传输。系统功率衰减很小,在选择合适的匹配阻抗下,通信系统噪声系数能够达到12dB左右。

关键词：电吸收调制器,光纤无线通信系统,插入损耗,误码率,噪声系数

参考文献

[1]TAIRA K,KIKUCHI K,KAWANISHI H,et al.Subpicosecond pulse generation using an electroabsorption modulator and a double-stage pulse compressor[J].IEEE Photonics Technology Letters,2003,15(9):1288-1290.

[2]NISHIMURA K,INOHARA R,TSURUSAWA M,et al.80 Gbit/s wavelength conversion using MQW electroabsorption modulator in delayed-interferometric configuration[J].Electron Letters,2003,39(10):792-794.

[3]高辉.电吸收调制器的数值模拟研究[D].哈尔滨:黑龙江大学,2010.

[4]刘增基.光纤通信[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2008.

[5]KANEKO S,NODA M,MIYAZAKI Y,et al.An electroabsorption modulator module for digital and analog applications[J].Journal of Lightwave Technol,1999(4):669-676.

[6]安毓英.光电子技术[M].3版.北京:电子工业出版社,2012.

电行为特性 篇2

高压脉冲电场是一种非热加工技术,作用于果蔬具有处理时间短、能耗低和对产品的色、香、味和营养成分不破坏及能够保持产品的新鲜度等特点[1,2,3]。近年来,国内外学者针对高压脉冲电场的这些特点进行了一系列应用于果蔬预处理方面的研究,主要集中在:高压脉冲电场作用果蔬进行灭菌消毒[4,5,6],对果蔬产品加工进行了预处理的作用机理以及对果蔬物性和品质的影响研究,对果蔬细胞结构的作用效应以及电磁特性影响等。在高压脉冲电场预处理或作用果蔬的工艺参数优化过程控制等方面也取得许多实用成果[7,8]。

近年来,笔者在高压脉冲电场预处理果蔬真空冷冻干燥方面进行了系统的研究分析。在探索低能耗冷冻干燥加工工艺以及过程控制参数优化中,需要研究电场参数对果蔬介电特性的影响机理,为此对这方面相关研究进展进行了综述分析。

1 果蔬介电特性的表述

果蔬电学特性指果蔬在外加电场作用下表现出来的导电性能、电穿透性和介电特性等。微观上,含有无机或有机离子的果蔬细胞组织具有导电性能;由磷脂双分子层构成的细胞膜具有介电特性[9]。从宏观上看,可将果蔬作为非均质半导体或者电介质。介电特性是指生物分子中的束缚电荷(只能在分子线度范围内运动的电荷)对外加电场的响应特性[10]。其主要参数有相对介电常数、相对介质损耗因数、介质损耗角正切、介质等效阻抗以及等效电容。

介电特性通常用复相对介电常数(ε)来描述,其数学表达式为

ε=ε′-jε″ (1)

其中,j=(-1)0.5;ε′为介电常数,表示材料容纳电荷的能力;ε″为损耗因子,表示电场中能量被吸收转化成热量的部分,决定能量的吸收和衰减。介电特性对于待测果蔬物料在高压脉冲电场中的受热情况非常重要,且与果蔬物料含水率的相关度极强,因而研究高压脉冲电场在果蔬冷冻干燥中的应用需重点了解介电特性。

2 等效电路模型的应用

在分析生物体的介电特性时应用的电学模型是在已设定的频率下将待测样本等价为等效电阻与等效电容的并联或串联电学系统,微观上常用生物组织内单个细胞的等效电路模型表示。

在研究果蔬的宏观介电特性时,把交变电场中的果蔬看作是由原生质和各种细胞液的宏观有效电阻和细胞膜的宏观有效电容组成的串联或并联等效电路[11]。生物组织等效电路模型,如图1所示。其中,RO为细胞外液等效电阻,RP为细胞壁、细胞膜等效电阻,CP为细胞壁、细胞膜等效电容,Ri为细胞内液等效电阻[12]。若试验测定果蔬的介电特性只需测量出果蔬样本的等效电容和等效电阻,经过电学模型的简单换算,可以得到相应果蔬物料的介电常数。

3 高压脉冲电场参数的影响机理分析

对于高压脉冲电场预处理果蔬的作用机理目前有多种假定模型的分析,如细胞膜穿孔效应、电磁机制模型、粘弹极性形成模型、电解产物效应及臭氧效应等[13]。从电磁学角度看,高压脉冲电场产生的电磁场与生物体相互作用的本质是电磁场与组成生物体各个层次物质之间的相互作用,因此电磁场参数对于果蔬物料介电特性的影响涉及因素较多,但主要考虑电场频率和电压。

3.1 脉冲电压对等效电容的影响机理

果蔬经过高压脉冲电场预处理,在脉冲电压的作用下,置于电场中的果蔬介质的带电粒子沿电场方向产生偶极矩,称为极化现象。当极化发生时,果蔬介质中的有极分子(如水分子等),将会形成定向极化,即由杂乱排列变为定向排列,在此过程中产生束缚电荷;而果蔬介质中的无极分子在电介质表面产生正、负感应电荷,这样果蔬介质的极化将会产生反相电场,减少了作用于电场中两电荷间的作用力,同时加剧了果蔬介质中物质间的强烈碰撞,从而阻碍了电荷移动[14]。因此,无论是有极分子或无极分子均未能在介质中累积电荷,造成介质储存电荷的能力下降,这样使得果蔬电介质的等效电容减小,介电常数减小。此外,由于极化过程阻碍电荷移动,造成极性分子与周围带电粒子的摩擦与碰撞的机率和产生的热量减少,甚至由于极性分子在介质移动过程中产生的热量无法克服介质的内粘阻滞力所做的功,使介质存储能量的能力降低、等效电容减小,同时介质的等效电容会随着脉冲电压的增加而减小。

3.2 脉冲电压对等效阻抗的影响机理

细胞膜是电磁场与细胞作用的初始位点,随后触发的一切反应都由细胞膜介导,在介导电磁场作用中,细胞膜上的细胞信号系统起到重要作用[15]。Asami研究了细胞破坏对于其介电特性的影响,结果表明在细胞破坏时会产生介电松弛现象,说明对于维持细胞介电特性,细胞膜起到了独特的作用[16]。

高压脉冲电场作用果蔬,脉冲电场产生磁场,这种电场与磁场的交替作用,使细胞膜通透性增加、振荡加剧、膜强度减弱,从而膜被破坏。除此之外,高压脉冲电场对细胞膜通透性的影响还受到细胞大小、方位以及形态的影响[17]。对于完好的果蔬细胞,细胞膜两端出现异性自由电荷,形成跨膜电压。当对细胞施加脉冲电压时,细胞膜两端积累的电荷使跨膜电压提高,从而加强了电荷引力对细胞膜的挤压作用,将使细胞膜变薄[18],当整个膜电位(果蔬细胞膜自然电位差)达到极限值时,使细胞膜变成无序状态,膜被破坏,形成细孔。此时,细胞膜通透性增加,电解质外渗,质体外的导电性增加,从而使细胞膜阻抗下降,果蔬介质的等效阻抗下降,且果蔬细胞组织的等效阻抗会随着脉冲电压的增大而减小。

3.3 脉冲频率对等效电容的影响机理

为了维持细胞正常的生理功能,细胞膜内外存在一定的电位差。由于细胞内外介电特性的差别,作为外加电磁场的主要作用点,细胞膜相当于一个电磁场集中器,细胞中的蛋白质、多糖分子团、类脂体等分子在缓慢流动时是不带电的,但其中的电离团存在电荷,形成偶极子[19]。当对果蔬施加脉冲频率时,细胞内的带电粒子会产生极化效应,而这一过程需要一定的时间。

当对果蔬施加的电场脉冲频率足够低时,细胞中偶极子会随着脉冲电场的转动而取向,无任何滞后,细胞中大部分分子将发生极化现象,极化率增大,等效电容较大;当脉冲频率大于某一临界值时,随着脉冲频率增大,某些极化过程需要较长时间,偶极子就可能跟不上脉冲电场的变化,该过程就会产生时间延迟[20],这种延迟过程会消耗介质中的能量,因此会引起等效电容减小。另一方面,在电磁场使介质中的偶极子发生转向的过程中,同时还会使果蔬介质中各种极性分子发生迅速的周期性运动。在此过程中,极性分子与其周围的分子发生剧烈的碰撞和摩擦,产生热量。其中,一部分热量损耗于克服极性分子在介质中的内粘阻滞力,转化为能量,发生松弛损耗[21],导致果蔬细胞存储能量降低,等效电容减小,同时果蔬细胞的等效电容随着脉冲频率的增大而减小。

3.4 脉冲频率对等效阻抗的影响机理

在果蔬细胞中,细胞液的电阻较小,具有离子导电性;细胞膜由大量的蛋白质分子和磷脂双分子层构成,其电容与电阻都比较大,一般被认为高度不导电物质。

当外加电磁场作用于果蔬时,细胞会发生极化现象,此时出现很多微小的电偶极子。当脉冲频率较小时,果蔬细胞内的电偶极子不会随着脉冲电场的变化瞬时移动,只能给出有限的响应,电流无法通过细胞膜进入细胞内液;若给介质施加较高的脉冲频率时,由于脉冲频率的作用,使得单位时间内作用于细胞间隙的放点次数不断增加,细胞内部的电偶极子可以跟上极化的强度,能够自由移动。另一方面,脉冲频率的增加使细胞膜破损,透性增强,这样电流可以通过细胞膜流经细胞内液。因此,在果蔬细胞组织间外加低频脉冲电场时,电流只能通过细胞间的细胞外液,随着脉冲频率的增大,由于电流不仅可以通过细胞外液,还能通过细胞膜流经细胞内液,这样使整个果蔬细胞组织的等效阻抗减小。

4 结语

高压脉冲电场作用果蔬时,电磁场参数对果蔬介电特性有一定的影响,分析其影响机理,可为高压脉冲电场预处理果蔬冻干工艺参数优化和过程监控、基于果蔬介电特性进行果蔬冻干水分在线检测,以及了解电场作用果蔬冻干过程水分运移及扩散规律等方面提供分析依据。

燃气冷热电联产系统节能特性研究 篇3

1 燃气冷热电联产系统的工作原理

燃气的冷热电系统的基本原理是温度对口,阶梯利用。燃气冷热电联系统主要应用在用户附近,把燃气作为原料用燃烧的方式来带动发电机的运行,运用这种方式来满足用电需求。燃气燃烧后产生的余热可以用锅炉转换成热水或者蒸汽,产生的热水可以供用户使用,蒸汽可以用于热驱动和制冷机制冷。因此燃气冷热电联产系统是由发电子系统、热回收系统和制冷系统组成。

2 联产系统能源利用分析

冷热电联产系统是根据用户对于用电量的需求而采用单独的供电和联产运行方式,单独供电与常规发电机的运行方式相同,燃气联产运行方式主要包括以下几种运行方式:热电联产、冷电联产和冷热联产,以上这几种运行方式是影响燃气冷热电联心系统对于能源利用率的重要影响因素。制冷采用的是余热吸收来到达制冷的效果,供热是通过余热的回收,解决制冷、供热存在的问题,采用燃料补燃的方式解决存在的问题,与常规的分产系统相比,能源利用率比较高。

2.1 热电联产

冷热电联产系统是在热电联产方式运行时,没有冷气的输出,只提供电量和热量,热电联产系统的节能率与原发电机的的电能效率有关,如果原发电机的发电效率提高,联产系统的节能效率也会增加,联产系统的节能效率也就增加了,所以原发动机的工作效率,对余热回收的效果等都对热电联产系统节能效率有一定的影响。

没有燃料补燃时,热电节能效率会随着分产系统的发电效率的提高而提高,热电联产系统的节能需要的最小发电量效率也会增加。补燃联产系统是调节能量的重要途径,热电产能系统的节能效果与补燃量有关,如果增加补燃率,热电系统的节能需要的最小发电率也会随之增加。在原动机的发电效率固定的情况下,增加补燃率可以满足热量的需要,但是如果超过系统节能补燃率的最大值,系统既不会有节能的效果,所以在热电系统的运行过程中要保证补燃率一直处于最大值的状态,这样就可以保证热电系统可以发挥节能的特性。

2.2 冷电联产

冷电联产方式在运行的过程中,不会产生热量,只提供电和冷量,但是会随着原动机发电效率的增加,会提高联产系统的节能率,但是增加的幅度会比较小,并且会在增加的过程中逐渐消失。如果冷电联产系统没有补燃的条件,系统的节能不仅与原动机发电效率有关,制冷方式也是影响节能效果的重要因素,在联产系统较高的情况下,可以采用双效吸收的制冷方式,这样联产的节能效率不高。

在没有补燃时,采用传统的双效吸收式制冷的方式,制冷联产系统的原动机发电效率只有在一定的的温度下才能发挥系统的节能作用,这种情况对原动机的发电效率要求也会提高。当制冷电联产系统有补燃时,节能需要的发电效率会随着补燃率的增加而提高,对于冷电联产系统来说,想要到达节能的效果,补燃率有一定的限制,但是对于冷负荷大的场所来说,在设计系统时要充分考虑到与之相关的因素,从而达到节能的目的。

2.3 冷热电联产

冷热电联产系统主要的是冷热电联运行方式,这种运行方式可以在输出电量的同时还能提供热量和冷量,这种运行方式在能量分配上比较复杂。在无补燃料时冷热电联产系统的节能效果与与原动机的发电效率有关,冷热电联产系统的节能效果会受到原动机发电效率的影响,原动发电机的发电效率增加但节能率会逐渐减少。无补燃时制冷电联产的系统会随着燃气电厂的供电效率增加而增加。冷热电联产系统的节能效果受补燃率的影响,所以,冷热电联产系统的节能条件要求比较严格,补燃率对冷热电联产系统的节能影响较大。

根据以上的分析,我们可以得知在没有补燃时,联产系统的运行方式与能量的供应方式有关,产生的节能效果与原动机发电效率有关,会随着原定发电机的发电效率增加而增加,但幅度会逐渐减小;增加补燃,会降低三种运行方式的节能率,在保证联产系统又一定的节能效果的前提下,热电联产对补燃率的需求比较大,冷电联产需求最小;冷热电联产系统的节能效果与制冷的余热有关,余热量增加节能效果就会减小,所以在设计系统时要注意与热量的分配,如果需要冷量,可以用电来制冷,这样可以调节补燃量和余热量。

3 结语

综上所述,通过对冷热电联系统的分析,冷热电联系统可以减少污染物的排放,提高环境质量,在规定的设计内,还能提高资源的利用率,实现资源的有效利用,从而达到节能的效果,冷热电联系统的应用可以实现资源的可持续发展,解决我国能源紧缺的问题,从而推动我国的发展。

摘要：燃气冷热电联产系统具有一定的节能特性,也是作为节能的评价指标。冷热电联产系统是一种把冷、热等能源一体化的联产系统,具有持续利用和环保的特点,因此受到了高度的重视。应用燃气冷热电联系统可以提高能源的利用率,减少有害气体的排放,本文对燃气冷热电联产系统的节能特性做了详细的分析,对冷热电联产系统的发展有一定的借鉴意义。

关键词：燃气,冷热电联产,节能特性

参考文献

[1]冯志兵,金红光.冷热电联产系统节能特性分析[J].工程热物理学报.2006(04).

[2]王涛,宋巍.冷热电联产技术的探讨[J].应用能源技术.2010(03).

鸡蛋电特性检测系统的设计 篇4

鸡蛋营养丰富,占中国蛋品消费96.7%。目前用于鸡蛋品质无损检测的方法主要有声学、光学和电学等。鸡蛋作为电解质,内部存在大量带电粒子形成生物电场。鸡蛋在损伤、贮藏和腐败变质的过程中,导致生物组织内各类化学物质所带电荷量及电荷的空间分布发生变化,生物电场的分布和强度亦随之变化。这种微观电场空间平均值,宏观上表现就是鸡蛋的电特性。本文根据检测鸡蛋电特性的原理,由DSP实现控制和计算,设计了一种检测鸡蛋电特性的装置。

1 系统的结构及原理

1.1 结构组成

系统的总体框图如图1所示。

系统的核心是DSP。工作时,通过单片机89S52接受键盘输入的测试信号的频率值,通过DSP指挥信号发生器发出由用户设定的频率,并作用于一对平行极板上,鸡蛋被夹持在平行极板之间。此时,幅相测量AD8302和数模转换AD7705在DSP的控制下开始工作,把所得到的幅度比值和相位差值转化为数字信号送往DSP,DSP在接受到信号后通过CORDIC算法,计算出鸡蛋的电特性,并通过单片机送给液晶显示器以显示测量结果。

1.2 系统工作原理

系统的组成原理图,如图2所示。

由此测量系统可以得出

$\begin{array}{l}\dot{{\rm Z}}{}_X=R{}_b+jX{}_b\\ V{}_{\text{i}\text{n}A}=-\frac{R{}_b+jX{}_b}{R{}_0+R{}_b+jX{}_b}U{}_0\\ V{}_{\text{i}\text{n}B}=-{\rm I}R=-\frac{-R}{R{}_0+R{}_b+jX{}_b}U{}_0(1)\\ \frac{V{}_{\text{i}\text{n}A}}{V{}_{\text{i}\text{n}B}}=\frac{R{}_b+jX{}_b}{R}=\frac{{\rm Z}{}_X}{R}\\ \dot{{\rm Z}}{}_X=\frac{V{}_{\text{i}\text{n}A}}{V{}_{\text{i}\text{n}B}}\cdot R=|\frac{V{}_{\text{i}\text{n}A}}{V{}_{\text{i}\text{n}B}}|R\cdot e{}^{j\theta }=\frac{V{}_{\text{i}\text{n}A}}{V{}_{\text{i}\text{n}B}}R\cos \theta +j\frac{V{}_{\text{i}\text{n}A}}{V{}_{\text{i}\text{n}B}}R\sin \theta \end{array}$

从而可以得出

$\begin{array}{l}R{}_0=\frac{V{}_{\text{i}\text{n}A}}{V{}_{\text{i}\text{n}B}}R\cos \theta (2)\\ X{}_0=\frac{V{}_{\text{i}\text{n}A}}{V{}_{\text{i}\text{n}B}}R\sin \theta \end{array}$

又由$X{}_0=\frac{1}{\omega C}=\frac{1}{2\text{π}fC{}_S}$得出

$C{}_S=\frac{1}{2\text{π}fX{}_0}$ (3)

$\epsilon {}_{r^{\prime }}=\frac{C{}_S}{C{}_0\cdot (1+\text{t}\text{g}\delta )}$ (4)

式中$\dot{{\rm Z}}{}_X$—鸡蛋的等效阻抗;

R0—鸡蛋的电阻;

X0—鸡蛋的电抗;

CS—鸡蛋的串联等效电容。

R为已知值,AD8302 同时测量2个输入信号的幅度比V以及相位差θ,就可计算出鸡蛋的介质等效阻抗$\dot{{\rm Z}}{}_X$、介质损耗角正切tgθ、串联等效电容CS和相对介质损耗因数。

2 系统的模块设计

2.1 信号发生模块

2.1.1 硬件设计

信号发生模块采用美国模拟器件公司的DDS芯片AD9851。AD9851是采用28脚SSOP表面封装的超大规模DDS集成芯片。它将32位相位累加器,正弦函数功能查询表,D/A变换器以及调制、控制电路等集成到一起,其时钟频率可达180MHz,输出信号频率可达70MHz,分辨率为0.04Hz。频率调制、控制字和相位调制字可采用串行或并行的方式输入AD9851。工作温度范围为-40～+85℃。

AD9851由DSP完成初始化,他们都为3.3V电压供电,可以直接相连。AD9851作为外设采用总线方式与DSP连接,占用DSP的I/O空间地址为0Xd000。数据总线和地址总线都具有数据保持的功能。因此,可以将一部份数据总线作为控制用。在本设计中将16位数据线的低7位作为AD9851的数据线,D14和D15连接AD9851的W_CLK和FQ_UD,作为控制信号。接口简图如图3所示。

2.1.2 软件设计

AD9851在本设计中采用并行工作模式,40bit的数据通过8位数据线分5次装入,顺序为W0-W1-W2-W3-W4。输入完40位数据后,在FQ_UD的上升沿作用下将40位数据送入DDS,并启动AD9851,按设置的频率输出。频率计算公式为

$F{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}=\frac{\text{Ρ}\text{h}\text{a}\text{s}\text{e}}{2{}^{32}}\times F{}_{\text{c}\text{l}\text{o}\text{c}\text{k}}(5)$

式中 Fclock—时钟源的频率;

Phase—设置的频率调节值;

Fout—输出频率。

由此可以计算出在Fclock为20MHz,启用6倍倍频的条件下,AD9851的输出频率和频率控制字分别为:100kHz:6D3A06;200kHz:DA740D;500kHz:2222222;1MHz:4444444;2MHz:8888888;5MHz:15555555;10MHz:2AAAAAAA。

AD9851作为DSP的外设,可由VC5402通过IO读写命令(portr和portw)直接对其读写操作。其关键代码如下:

Ioport unsigned portd000;Initword = 0x6D3A06;portd000= Initword。

2.2 幅相检测模块的设计

幅相检测具体由芯片AD8302实现。AD8302内含两个精密匹配宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等,能够同时测量从低频到2.7GHz频率范围内的两个输人信号之间的幅度比和相位差。其幅度和相位测量方程式为

$\begin{array}{l}V{}_{\text{m}\text{a}\text{g}}={\rm K}{}_{1}V{}_{\text{s}\text{l}\text{p}}\log \frac{V{}_{\text{i}\text{n}A}}{V{}_{\text{i}\text{n}B}}+V{}_{cp}\\ V{}_{\text{p}\text{h}\text{s}}={\rm K}{}_1[|\text{ϕ}(V{}_{\text{i}\text{n}A})-\text{ϕ}(V{}_{\text{i}\text{n}B})|-90°]+V{}_{cp}(6)\end{array}$

式中 VinA,VinB—输入信号幅度;

K1,K2—是比例系数,其中K1= 30mV/dB,K2=-10mV/degree;

Vmag—幅度比较输出;

ϕ(VinA)—A通道的输入信号相位;

ϕ(VinB)—B通道的输人信号相位;

Vϕ—斜率;

Vphs—相位比较输出。

AD8302有测量、控制器和电平比较器3种工作方式,但主要功能是测量幅度和相位。相位测量硬件连接简图,如图4所示。当芯片输出引脚VMAG和VPHS直接与芯片反馈设置输入引脚MSET和PSET相连时,芯片的测量模式将工作在默认的斜率和中心点上。

2.3 数模转换模块的设计

AD7705芯片内有8个寄存器,由DSP串行口进行访问与设置。所有器件功能的设置均通过对寄存器的操作来实现。常用寄存器有:命令寄存器、设置寄存器、时钟寄存器、数据寄存器、测试寄存器、补偿校正寄存器、增益寄存器和一个空的无效寄存器。对这些寄存器的读写构成了整个芯片的工作过程。本设计使DSP在串行通信中处于主机状态,通过MCBSP串行接口向AD7705写控制字,设置AD7705的转换速率、缓冲模式、自动增益值、校准模式。当控制字写入完毕后,AD7705即刻处于工作状态,对AD8302传递的模拟量进行模数转换。当模数转换完毕后,AD7705的DRDY引脚会产生一个低电平,由此发出中断。DSP接受到中断后通过MCBSP串行接口读出AD7705转换后的数值。具体连接如图5所示

2.4 CORDIC算法的设计

由AD7705传送过来的相位差和幅度比值通过DSP串口进入DSP处理器计算电特性。本设计主要是采用CORDIC算法由相位差计算电容值。该算法的基本原理如图6所示,初始向量V1旋转角度θ后得到向量V2。

由图6可得

x2=x1·cosθ-y1·sinθ (7)

y2=y1·cosθ+x1·sinθ (8)

重写式(7)、式(8),得

x2=(x1-y1·tanθ)·cosθ

y2=(y1+x1·tanθ)·cosθ

为了在硬件上实现方便,做如下约定:每一次旋转的角度正切值为2的倍数,即θi=atan(2-i)。则

$\cos \theta {}_i=\sqrt{\frac{1}{1+2{}^{-2i}}}$

同时约定δi以代表向量的旋转方向,+1表示逆时针旋转,-1表示顺时针旋转,故第i步的旋转可用下式表示

$\begin{array}{l}x{}_{i+1}=(x{}_i-\delta {}_i\cdot y{}_i\cdot 2{}^{-i})\cdot \sqrt{\frac{1}{1+2{}^{-2i}}}\\ y{}_{i+1}=(y{}_i+\delta {}_i\cdot x{}_i\cdot 2{}^{-i})\cdot \sqrt{\frac{1}{1+2{}^{-2i}}}\end{array}(9)$

其中,$\sqrt{\frac{1}{1+2{}^{-2i}}}$为模校正因子,对于字长一定的运算,它是一个常数,用K+1表示。以16bit字长为例,即

${\rm K}{}_{+1}={\displaystyle \prod _{i=0}^{15}\sqrt{\frac{1}{1+2{}^{-2i}}}}\approx 0.607252935$ (10)

这样可将输入数据X,Y校正后再参与运算,避免在运算中增加校正运算。运算迭代式可以简化成

$\begin{array}{l}x{}_{i+1}=x{}_i-\delta {}_i\cdot y{}_i\cdot 2{}^{-i}\\ y{}_{i+1}=y{}_i+\delta {}_i\cdot x{}_i\cdot 2{}^{-i}\end{array}(11)$

式(11)运算就只有加、减法和移位了。根据J.Walther的推导,式(11)的n次迭代可以得到如下结果

$\begin{array}{l}x{}_n=x{}_0\cdot \text{c}\text{o}\text{s}z{}_0-y{}_0\cdot \text{s}\text{i}\text{n}z{}_0\\ y{}_n=y{}_0\cdot \text{c}\text{o}\text{s}z{}_0+x{}_0\cdot \text{s}\text{i}\text{n}z{}_0\\ z{}_0\stackrel{}{\to }0\end{array}(12)$

本文计算三角函数正切值在上式的基础上,给定x0=K+1,y0=0,迭代结果为

$x{}_n=\cos z{}_0‚y{}_n=\sin z{}_0‚z{}_0\stackrel{}{\to }0(13)$

所以,将角度值作为z0输入,迭代结果输出就是需要的三角函数值。采用的迭代方程组为

$\begin{array}{l}x{}_{i+1}=x{}_i-\delta {}_i\cdot y{}_i\cdot 2{}^{-i}\\ y{}_{i+1}=y{}_i+\delta {}_i\cdot x{}_i\cdot 2{}^{-i}\\ z{}_{i+1}=z{}_i-\delta {}_i\cdot a\text{t}\text{a}\text{n}(2{}^{-i})\end{array}(14)$

2.5 人机交换模块的设计

为了突出DSP 的高速数字信号处理能力,本设计采用DSP+MCU模式组成。其中,用MCU管理液晶显示以及键盘的输入,其显示和输入功能独立于DSP系统。DSP与MCU之间通过串口芯片TL16C550实现通信。TL16C550是一种具有异步串行通信功能的大规模集成电路芯片,其主要功能是为DCE设备和DTE设备之间提供可靠、灵活的接口服务,可由内部寄存器设置以控制TL16C550的工作。

3 总结

该系统综合了DDS频率发生器、相位检测、模数转换、CORDIC算法和人机交互,设计并实现了鸡蛋电特性的检测装置,可以检测出鸡蛋的电特性,达到鸡蛋无损检测的目的。同时,也存在着一些不足:

1)频率设置没有连续步进。DDS可以实现频率的连续步进,但在本设计中只是给出一些频率由用户选择,没有实现步进,期待着在下一步进行改进。

2)计算结果的显示没有一次性显示完整,需要由用户设置添加命令显示,需要改进。

摘要：为了给无损检测鸡蛋的新鲜度提供一种方法,基于生物体电特性的检测原理,设计了一个鸡蛋电特性的检测系统。该系统主要由信号发生模块、检测模块、模数转换模块、DSP计算模块、输入和显示模块等组成。信号发生模块采用直接数字频率合成(DDS)芯片AD9851,检测模块采用幅相测量芯片AD8302,模数转换采用AD7705,DSP选用TMS320VC5402并使用CORDIC迭代算法计算电特性,人机交换模块由单片机89S52控制键盘和液晶显示器完成,所有模块由DSP实现初始化和控制。

关键词：鸡蛋,电特性,电容,相对介电常数,DSP,DDS

参考文献

[1]戴玮,胡仁杰.TL16C550芯片在串行通信中的应用[J].电气电子教学学报,2003(6):42-44.

[2]马士超,王贞格.基于DSP的三角函数快速计算[J].计算机工程,2005(11):12-14.

[3]李岩,汪海明.CORDIC算法在DSP算法硬件实现中的应用进展[J].现代电子技术,2002(4):85-89.

[4]沈林生,陈宁.用生物电鉴别受精蛋的检测装置的研究[J].农业工程学报,1996,12(9):163-167.