Optimized Embedded QCM-D System Based on FPGA

Ada Fort

doi:10.1109/TIM.2026.3674277

Optimized Embedded QCM-D System Based on FPGA

2026-03-16

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DOI：10.1109/TIM.2026.3674277

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本研究提出了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）平台实现的低成本石英晶体微天平耗散监测系统（QCM-D）。该设计通过改进模拟前端、信号采集和数字信号处理阶段，优化了测量精度与系统复杂度之间的权衡。短路电流读出配置可最小化寄生电容和负载电阻的影响，确保测得的瞬态信号仅取决于谐振器的机电行为。系统采用直接数字合成器（DDS）驱动的混频阶段进行基带下变频，随后在FPGA上执行自适应处理，以高精度提取谐振频率和耗散因子。除系统实现外，本文还包括对主要测量误差和不确定度来源的分析，提供了一种系统化框架来评估此类架构的整体计量性能。实验结果表明，频率误差在百万分之几（ppm）范围内，耗散误差约为10³量级，证实了使用适用于实验室和便携应用的紧凑且经济的FPGA基仪器可实现对QCM-D的准确且可重复的测量。

Keyword:

Biosensing

dissipation measurement

frequency measurements

front-end electronics

quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D)

Optimized Embedded QCM-D System Based on FPGA

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