無線無源壓力讀取系統(tǒng)中線性掃頻源的設(shè)計

張海瑞，梁 庭，洪應(yīng)平，譚秋林，賈平崗，曹 群，熊繼軍

(中北大學，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051)

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無線無源壓力讀取系統(tǒng)中線性掃頻源的設(shè)計

張海瑞，梁 庭，洪應(yīng)平，譚秋林，賈平崗，曹 群，熊繼軍

(中北大學，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051)

在無線無源互感耦合傳感檢測系統(tǒng)中，需要通過檢測遠端敏感單元的諧振頻率來讀取傳感器的諧振信息。因此，設(shè)計一個高精度的寬帶線性掃頻源來滿足測試系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定和精準的測試。為了解決這個問題，設(shè)計了一種基于DDS技術(shù)的高帶寬線性掃頻源，帶寬為1～100 MHz，頻率精度為0.116 Hz，最小掃頻步進值為0.233 Hz，驅(qū)動能力為6 dBm。MATLAB仿真分析了線性掃頻源的掃頻步進值不同時對LC諧振傳感器檢測精度的影響。并通過實驗驗證了該線性掃頻源在互感耦合諧振器頻率讀取系統(tǒng)中的可靠性和穩(wěn)定性。

DDS；LC諧振傳感器；MATLAB仿真；諧振頻率；無線測量

0 引言

在很多特殊場合下應(yīng)用傳感器，不能直接接觸測量傳感器的信號[1]，特別是在一些高溫、高壓等惡劣環(huán)境，信號檢測結(jié)構(gòu)中暴露于高溫環(huán)境下的引線電參數(shù)會隨著高溫環(huán)境的保持發(fā)生退化，從而導致參數(shù)漂移，致使器件失效。LC諧振傳感器可以很好的解決這些問題，它實質(zhì)上是一個由對壓力、溫度等敏感的電容和電感構(gòu)成的諧振電路，諧振電路內(nèi)部沒有有源器件，無需電池供電，主要靠諧振電路中的電感線圈耦合測試天線的磁場能，并轉(zhuǎn)化為電場能供其本身工作。測試天線可以無線讀取傳感器的電容變化引起的信號表征量(如測試端輸入阻抗的實部、相位等)的變化，從而得出變化后的諧振頻率，計算出電容的變化量就可得出壓力、溫度等參數(shù)的大小。該類傳感器被廣泛應(yīng)用于高溫環(huán)境的壓力測量[2]，濕度檢測[3]等領(lǐng)域。

由于惡劣環(huán)境的壓力、溫度等參數(shù)測試的需要，實現(xiàn)LC諧振傳感器的精確測量和實時監(jiān)測顯得尤為重要。設(shè)計LC諧振傳感器的信號檢測系統(tǒng)具有十分重要的意義。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀或阻抗分析儀測試天線端輸入阻抗的相位，可以對LC諧振傳感器的信號進行拾取[4-5]，但網(wǎng)絡(luò)分析儀和阻抗分析儀體積大，不易攜帶，在實際工程環(huán)境中使用不便，且通過阻抗相位拾取到的傳感器諧振頻率受耦合系數(shù)的影響[6]。熊繼軍研究組已經(jīng)完成前端敏感頭的制作和讀取電路的設(shè)計和制作[7-8]，但是頻率源都是由安捷倫的信號發(fā)生器生成，由于儀器的笨重和價格昂貴，并不適合在實驗室以外的惡劣工業(yè)場合應(yīng)用。要實現(xiàn)電路的小型化及真正的將無線無源互感耦合LC諧振傳感器應(yīng)用于更多的工業(yè)場合，研究一種高可靠性、高帶寬，高精度可調(diào)的掃頻源是非常必要的。

基于上述，本文設(shè)計了一個基于DDS技術(shù)的高精度高寬帶的線性掃頻源。該系統(tǒng)主要由基準時鐘源模塊、DDS模塊、信號調(diào)理模塊、FPGA控制模塊及USB通信模塊組成。

1 檢測電路基本原理

LC諧振傳感器互感耦合系統(tǒng)的等效電路如圖1所示，其中U1為信號源，L1、R1分別為測試天線及天線的電阻，C1為串聯(lián)電容，L2、C2分別為傳感器端的電感線圈及可變電容，R2是LC諧振回路中的寄生電阻，M是測試天線與傳感器端電感線圈的互感系數(shù)。

圖中測試天線端的輸入阻抗Zi為[2]：

(1)

式中：f為信號源的信號頻率。

(2)

由上述分析可看出輸入阻抗與傳感器的諧振頻率有一定的關(guān)系，通過測量輸入阻抗可得出傳感器的諧振頻率。

本文采用圖2所示的檢測電路來提取傳感器的諧振頻率信息。信號源輸出掃頻信號U1，該信號與參考電壓信號Uref進行混頻、濾波，輸出電壓信號Uout。從圖中分析可以得出，參考電壓信號Uref為:

(3)

式中：Zi為測試天線端的輸入阻抗。

則混頻后的輸出信號Ur為：

Ur=Uref·U1

(4)

圖2 檢測電路基本原理框圖

由式(2)～式(4)可以看出，混頻后的輸出信號Ur與傳感器的諧振頻率f0有一定的關(guān)系，而獲得此關(guān)系的關(guān)鍵之一是掃頻信號f的掃頻步進Δf。根據(jù)式(2)～式(4)使用MATLAB仿真得出Δf對LC諧振傳感器相位曲線的影響，如圖3所示。從圖中分析可以得出，在其它條件一樣時，掃頻步進越小，曲線越光滑，分辨率越高，且從仿真中可知掃頻源掃頻步進應(yīng)小于10kHz。

圖3 不同掃頻步進LC諧振傳感器的相位曲線仿真

2 DDS基本原理

在頻率合成技術(shù)，直接頻率合成技術(shù)具備許多優(yōu)點，如頻率范圍寬、轉(zhuǎn)換時間短，但是其硬件結(jié)構(gòu)太復雜、設(shè)備龐大、成本高，而且難以采取有效措施抑制其輸出的諧波、噪聲以及寄生頻率；鎖相頻率合成技術(shù)的優(yōu)勢是頻率范圍大，但它的劣勢如頻率轉(zhuǎn)換時間長，難以達到很小的頻率間隔等使它難以被廣泛應(yīng)用[10]。隨著數(shù)字技術(shù)在儀器儀表和通信系統(tǒng)中的廣泛使用，可從參考頻率源產(chǎn)生多個頻率的數(shù)字控制方法誕生了，即直接數(shù)字頻率合成(DDS)。其基本架構(gòu)如圖4所示。該簡化模型采用一個穩(wěn)定時鐘來驅(qū)動存儲正弦波(或其它任意波形)一個或多個整數(shù)周期的可編程只讀存儲器(PROM)。隨著地址計數(shù)器逐步執(zhí)行每個存儲器位置，每個位置相應(yīng)的信號數(shù)字幅度會驅(qū)動DAC，進而產(chǎn)生模擬輸出信號[11]。最終模擬輸出信 號的頻譜純度主要取決于DAC。相位噪聲主要來自參考時鐘。DDS技術(shù)的實現(xiàn)依賴于高速數(shù)字電路，其工作速度主要受D/A轉(zhuǎn)換器的限制[12]。

圖4 DDS簡化基本架構(gòu)框圖

在本研究中，為了更快速和更高精度的讀取遠端諧振傳感器的諧振頻率變化，選擇了AD9858來完成寬帶線性掃頻源的設(shè)計。AD9858的掃頻基本原理是在上述圖4的基礎(chǔ)上加了一個頻率累加器，如圖5所示。完成一次掃頻，取起始頻率控制字(FTW)送入相位累加器輸出一個正弦波形，再根據(jù)三角頻率控制字(DFTW)和三角頻率傾斜斜率字(DFRRW)作用于頻率累加器產(chǎn)生新的頻率控制字，依次循環(huán)直至終止頻率控制字[13]。

圖5 AD9858掃頻基本原理框圖

作為掃頻信號源的3個基本參數(shù)，這些參數(shù)是本掃頻源設(shè)計中的3個關(guān)鍵參數(shù)，其中Δf為掃頻頻率步進，T為掃頻周期，fs為掃頻起始頻率，fF為掃頻終止頻率。

DDS輸出頻率的計算如式(5)所示。式中FTW為頻率控制字，SYSCLK=500 MHz為系統(tǒng)時鐘，N=32。

(5)

根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊，頻率控制字(FTW，在掃頻中fo=fs)、三角頻率控制字(DFTW)和三角頻率傾斜斜率字(DFRRW)的計算公式如下：

(6)

(7)

(8)

由式(5)計算可得，本掃頻源頻率精度為0.116 Hz；由式(7)計算可得，頻率最小步進值為0.233 Hz。

3 線性掃頻源的設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)以DDS為核心，采用模塊化設(shè)計，主要分為5個模塊：基準時鐘源模塊、DDS模塊、信號調(diào)理模塊、FPGA控制模塊及USB通信模塊，其系統(tǒng)硬件組成框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)硬件組成框圖

系統(tǒng)的具體工作過程：基準時鐘源模塊為DDS提供參考時鐘，USB給FPGA發(fā)相關(guān)指令，F(xiàn)PGA再控制DDS產(chǎn)生掃頻信號，經(jīng)信號調(diào)理模塊后最終輸出fout。

3.1 基準時鐘源設(shè)計

基準時鐘源模塊是將10 MHz晶振的輸出經(jīng)過鎖相倍頻調(diào)理為500 MHz的基準時鐘。其中晶振的相位噪聲≤-135 dBc/Hz@1kHz。經(jīng)過頻譜分析儀Agilent N9030A-526 PXA測試的基準時鐘的相位噪聲為-112dBc/Hz@10 kHz。

3.2 DDS模塊設(shè)計

根據(jù)圖6所示的系統(tǒng)硬件組成框圖，本模塊設(shè)計選用AD9858來實現(xiàn)DDS功能。該模塊主要由AD9858及其合適的電阻和電容組成。AD9858是一款直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，內(nèi)置一個10位DAC，工作速度最高達1 GSPS。該器件采用先進的DDS技術(shù)，內(nèi)置一個高速、高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成數(shù)字可編程的完整高頻合成器，能夠產(chǎn)生最高400 MHz的頻率捷變模擬輸出正弦波[13]。AD9858在編程時有兩種工作模式，這兩種工作模式由管腳SPSELECT的電平?jīng)Q定：高電平時，AD9858工作在并行編程模式；低電平時，AD9858工作在串行編程模式。由于AD9858工作在并行編程模式時，編程速度快，所以本設(shè)計采用并行編程模式，并根據(jù)AD9858數(shù)據(jù)手冊完成了其外圍設(shè)計。

AD9858的參考時鐘輸入采用單端輸入，互補管腳通過0.1 μF的電容接地。內(nèi)置DAC的輸出電流Iout=20 mA時，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊RSET=39.19 V/Iout=1.9595 kΩ。

3.3 信號調(diào)理模塊設(shè)計

圖7為信號調(diào)理模塊框圖。工作過程：DDS輸出信號經(jīng)AD8009放大，RC低通濾波器濾波后最終輸出。

圖7 信號調(diào)理電路框圖

AD8009完成放大功能。由數(shù)據(jù)手冊知，AD9858的掃頻輸出是一對互補電流，需要轉(zhuǎn)換為電壓。有兩種方法：一種是變壓器耦合，優(yōu)點是成本低，缺點是低頻效果差；另一種是低噪聲高帶寬高速運算放大器，優(yōu)點是帶寬高，缺點是成本高。由于設(shè)計中要求低頻效果好、帶寬較大以及驅(qū)動能力，選著了后者，具體運放是AD8009。AD8009是一款超高速電流反饋型放大器，高驅(qū)動能力還體現(xiàn)在它能夠提供10 dBm的輸出功率(70 MHz)，無雜散動態(tài)范圍(SFDR)為-38 dBc[14]。

RC低通濾波器設(shè)計中[15]，R為50 Ω,截止頻率fH為100 MHz，由式(9)可得C為31.8 pF。最終信號調(diào)理電路如圖8所示。

(9)

3.4 FPGA模塊設(shè)計

FPGA控制模塊是產(chǎn)生相應(yīng)控制邏輯來完成對AD9858的編程，其控制流程如圖9所示。

圖9 FPGA控制流程圖

最終，掃頻源輸出電壓Vout在一個掃頻周期T內(nèi)隨時間變化關(guān)系如式(10)所示。

(10)

式中：A為輸出電壓最大值；fs為掃頻起始頻率；Δf為掃頻步進；Δt為時間步進；int()為商取整函數(shù)；t∈[0，T]為時間；φ為初相位。

圖10為f0=10 MHz時頻譜分析儀Agilent N9030A-526 PXA測得的頻譜圖。測試時為了防止對儀器造成傷害，對輸入信號進行了30 dB衰減，由圖中測得的信號功率計算得，掃頻源輸出信號功率約為6 dBm。

圖10 頻譜分析儀測得的頻譜圖

3.5 USB通信模塊設(shè)計

USB通信部分的功能是將上位機指令下發(fā)，實現(xiàn)對線性掃頻源的控制。本模塊采用USB接口芯片CY7C68013A，其內(nèi)核是一個增強型8051單片機，并含有USB協(xié)議相關(guān)的各種模塊。上位機通過PE口來發(fā)送啟動測試、停止測試等命令。

4 測試和分析

為測試掃頻源輸出的可靠性和精確度，使用頻譜分析儀Agilent N9030A-526 PXA進行了測試。線性掃頻源的電路板如圖11所示。

圖11 頻源電路板

線性掃頻源輸出掃頻范圍為20～30 Hz，掃頻周期為20 s，掃頻步進為1kHz的正弦掃頻信號時，頻譜分析儀測得的如圖12所示。由圖12(a)分析可知，掃頻源實際輸出是20～30 Hz；同樣從圖12(b)中分析可得，掃頻源實際掃頻步進為1 kHz。

圖13是本線性掃頻源在相同掃頻范圍相同掃頻周期不同的掃頻步進1 kHz、10 kHz、20 kHz、50 kHz和100 kHz時，在LC無線無源壓力傳感器測試系統(tǒng)得到的相位測試曲線。從圖中顯然易見，在其它條件一樣時，掃頻步進越小，曲線越光滑，分辨率越高。

(a)全局掃頻圖

(b)部分掃頻圖圖12 掃頻源在20～30 MHz的全局和部分掃頻圖

圖13 掃頻源在不同步進下的相位測試曲線圖

5 結(jié)語

本文介紹了無線無源LC諧振傳感器的基本原理和直接頻率合成技術(shù)(DDS)的理論模型，通過MATLAB仿真獲得了掃頻源的掃頻步進小于10kHz，為掃頻源的設(shè)計提供了關(guān)鍵參數(shù)，最終完成了基于DDS的線性掃頻源的設(shè)計，該系統(tǒng)實現(xiàn)了1～100MHz線性掃頻源的設(shè)計，并通過頻譜分析儀Agilent N9030A-526 PXA得到驗證。MATLAB仿真結(jié)果與實驗結(jié)果表明，本線性掃頻源具有測量精度高、可靠性強、電路簡單等特點。

[1] NOPPER R,NIEKRAWIETZ R,REINDL L.Wireless readout of passive LC sensors.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2010,59(9):2450-2457.

[2] XIONG J J,LI Y,HONG Y P,et al.Wireless LTCC-based capacitive pressure sensor for harsh environment.Sensors and Actuators A:Physical,2013,197:30-37.

[3] EE L T,WEN,N N,RANYUAN S,et al.A Wireless,Passive Sensor for Quantifying Packaged Food Quality.Sensors,2007,7(9):1747-1756.

[4] YOON H J,JUNG J M,JEONG J S,et al.Micro devices for a cerebrospinal fluid (CSF)shunt system.Sensors and Actuators.A:Physical,2004,110(1-3):68-76.

[5] HARPSTER T J,STARK B,NAJAFI K.A passive wireless integrated humidity sensor.Sensors and Actuators.A:Physical,2002,95(2):100-107.

[6] NOPPER R,Has R,REINDL L.A Wireless Sensor Readout System-Circuit Concept,Simulation,and Accuracy.IEEE TRansactions on instrumentation and measurement,2011,60(8):2976-2983.

[7] XIONG J J,LI Y,HONG Y P,et al.Wireless LTCC-based capacitive pressure sensor for harsh environment.Sensors and Actuators A:Physical,2013,197:30-37.

[8] XIONG J,ZHENG S,HONG Y,et al.Measurement of wireless pressure sensors fabricated in high temperature co-fired ceramic MEMS technology.Journal of Zhejiang University Science C,2013,14(4):258-263.

[9] 邱關(guān)源.電路.北京：高等教育出版社，1999.

[10] 遲忠君,徐云,常飛，等.頻率合成技術(shù)發(fā)展概述.現(xiàn)代科學儀器,2006(3):21-24；28.

[11] Analog Devices Inc.Fundamentals of Direct Digital Synthesis (DDS)Training & Tutorial.http://www.analog.com/ Static/imported-files/tutorials/MT-085.pdf.

[12] 吳麗麗,王倩.一種寬帶掃頻信號源的設(shè)計.長春工業(yè)大學學報(自然科學版),2011,32(2):168-172.

[13] Analog Devices Inc.AD9858 Data Sheet Rev C,02/2009.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9858.pdf.

[14] Analog Devices Inc.AD8009 Data Sheet Rev F,09/2004.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8009.pdf.

[15] 孫月平,陳曉平.Multisim 11在RC無源濾波器教學中的應(yīng)用.中國電力教育,2012(17):50-51；55.

Design of Linear Sweep Source Used in Readout System for Wireless Passive Pressure Sensor

ZHANG Hai-rui,LIANG Ting,HONG Ying-ping,TAN Qiu-lin,JIA Ping-gang,CAO Qun,XIONG Ji-jun

(Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In the wireless passive mutual inductance coupling sensing detection system,it needs to detect the resonance frequency of the remote sensing element to read sensor resonance information. Therefore,to design a high precision broadband linear sweep frequency source is to satisfy test system that achieve stable and accurate test. In order to solve this problem,a high bandwidth based on DDS technology of linear sweep source was designed. Its bandwidth is 1～100 MHz,its frequency accuracy is 0.116 Hz,the minimum sweep frequency step value is 0.233 Hz,and its driving ability is 6 dBm. MATLAB simulation analyzes the influence of LC resonant sensor detection precision when it is different sweep frequency step values of linear sweep frequency source. And the linear sweep frequency source is verified by experiment that is reliability and stable in the mutual inductance coupling resonator frequency readout system.

DDS; LC resonant sensor; MATLAB simulation; resonant frequency; wireless measurement

國家杰出青年科學基金項目(51425505)；國家自然科學基金項目(61471324)

2014-12-25 收修改稿日期：2015-06-30

TN98

A

1002-1841(2015)09-0023-05

張海瑞(1988—)，碩士研究生，主要從事動態(tài)測試技術(shù)及壓力傳感器方面的研究。E-mail：zhanghairuinuc@163.com 熊繼軍(1971—)，教授，博士生導師，博士，主要研究方向為傳感器技術(shù)、微納器件與系統(tǒng)研究。 E-mail：xiongjijunnuc@126.com