基于聲表面波傳感器的新型頻率測(cè)量法的研究

摘 要： 傳統(tǒng)的頻率測(cè)量方法不足之處較多，即使用單一測(cè)頻法在頻率的上下限處測(cè)量的誤差較大。在此設(shè)計(jì)了一種新型測(cè)頻法及其測(cè)量電路。即利用聲表面波帶通濾波器對(duì)被測(cè)頻率進(jìn)行預(yù)選，高于中界頻率的信號(hào)用測(cè)頻法，低于中界頻率的信號(hào)用側(cè)周法，試驗(yàn)結(jié)果表明新型測(cè)頻法的硬件電路在輔以高速數(shù)字器件后，系統(tǒng)測(cè)量精度比傳統(tǒng)測(cè)頻法有相對(duì)提高，具有在各個(gè)行業(yè)推廣應(yīng)用的價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 頻率測(cè)量； 聲表面波； 傳感器； 中界頻率

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）08?0136?03

Study on a new method of frequency measurement based on SAW sensor

MA Hui?cheng

（Science and Technology Department， Xian Innovation College， Yanan University， Xian 710100， China）

Abstract： The shortcomings of the traditional frequency measuring methods are discussed in this paper. A new method of frequency measurement based on SAW sensor and a measuring circuit are designed. The frequency is preselected by SAW band?pass filter. The signal which is higher than intermediate frequency is measured by the method of frequency measurement and period measurement for others. The hardware circuit is composed of high speed digital devices. The system has high accuracy and is worth to spread.

Keywords： frequency measurement； SAW； sensor； intermediate frequency

傳統(tǒng)的頻率測(cè)量是利用頻率計(jì)數(shù)電路[1]，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，這個(gè)規(guī)定的時(shí)間就是閘門時(shí)間，閘門時(shí)間是由雙穩(wěn)態(tài)電路提供的。測(cè)得的頻率數(shù)值[fx]，是在閘門時(shí)間[Tg]內(nèi)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)值[Nx]與閘門時(shí)間[Tg]的比值，即[fx=NxTg]。當(dāng)頻率計(jì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，被計(jì)數(shù)的信號(hào)脈沖首先通過(guò)閘門然后輸入計(jì)數(shù)器，一般狀況下，閘門的打開(kāi)與閉合與計(jì)數(shù)脈沖在端口輸入的時(shí)間是不同的。因此在相同的閘門時(shí)間里，頻率計(jì)數(shù)器對(duì)相同的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)，最終的顯示值是不一樣的，即有可能產(chǎn)生[±1]個(gè)脈沖誤差值[2]。[Nx]會(huì)產(chǎn)生誤差，[Tg]也會(huì)產(chǎn)生誤差，這些誤差的疊加就構(gòu)成了實(shí)際的測(cè)頻誤差。利用晶振來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)[Tg]，方法是晶振的輸出信號(hào)[fb]通過(guò)[n]級(jí)10分頻電路，即[Tg=10n×1fb]。所以，[fx=Nx/Tg=Nx×][fb10n]。最終測(cè)頻法的相對(duì)誤差[dfxfx]為：

[dfxfx=dNxNx+dfbfb] （1）

[δf=δN+δ0] （2）

式中：[δN=dNxNx=±1Nx]是示值的相對(duì)誤差，也叫量化誤差；[δf=dfxfx]是被測(cè)頻率信號(hào)的相對(duì)誤差；[δ0=df0f0]是晶體振蕩器的頻率準(zhǔn)確度，可以用來(lái)表示頻率信號(hào)的穩(wěn)定程度。

由式（2）可得，，被測(cè)頻率的相對(duì)誤差由兩方面內(nèi)容構(gòu)成。即系統(tǒng)石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度和量化誤差組成。量化誤差與兩個(gè)因素相關(guān)：被測(cè)信號(hào)的頻率值得上下限和雙穩(wěn)態(tài)電路的輸出閘門時(shí)間。在某一頻率[fx]的值不變的情況下，閘門時(shí)間[Tg]越大，誤差值越小，閘門時(shí)間[Tg]越短，誤差值越大。如果取閘門時(shí)間[Tg]為某一定值時(shí)，測(cè)量值[fx]越大，誤差越小，測(cè)量值[fx]越小，誤差就越大。在檢測(cè)過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)頻率值較低的信號(hào)測(cè)量精度較低，頻率值較高的信號(hào)測(cè)量值較高的情況。系統(tǒng)的測(cè)頻結(jié)果與頻率信號(hào)的高低有直接關(guān)系。為了避免出現(xiàn)以上的情況，本文設(shè)計(jì)了一種利用表面聲波器件的新式測(cè)頻法。

1 新型測(cè)頻法原理

外界的物理量可以影響聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）[3]傳感器輸出頻率的數(shù)值。表面聲波傳感器的固有頻率達(dá)到了百兆Hz量級(jí)，這個(gè)頻率太高，因此很難被頻率計(jì)精準(zhǔn)測(cè)量，只有通過(guò)成比例的降低頻率才能精準(zhǔn)測(cè)量。本文的被測(cè)量是表面聲波傳感器在進(jìn)行了差動(dòng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)之后輸出的頻率。這個(gè)頻率在經(jīng)過(guò)混頻電路之后就處于0～1 MHz之間。這個(gè)頻率范圍是可以精準(zhǔn)測(cè)量的。為了在頻率的兩端都有較高的測(cè)量精度和較低的測(cè)量誤差，本文設(shè)計(jì)了利用表面聲波帶通濾波器的新式頻率測(cè)量方法。帶通濾波器對(duì)于通過(guò)的信號(hào)有較強(qiáng)的選擇能力，只有信號(hào)的頻率在通頻帶內(nèi)的信號(hào)才能無(wú)失真的通過(guò)。在此可以按照頻率的高低來(lái)設(shè)計(jì)兩個(gè)聲表面帶通濾波器，設(shè)計(jì)方式主要是在插指換能器的密度上按事先計(jì)算的結(jié)果來(lái)排成不同的密度，聲波在諧振腔內(nèi)的振動(dòng)頻率由于換能器的密度不同而不同。這樣最終輸出的頻率就根據(jù)插指的密度不同而不同，整個(gè)系統(tǒng)只要2個(gè)帶通濾波器就可以了。將來(lái)如果想要實(shí)現(xiàn)精度更高的系統(tǒng)，可以考慮多個(gè)帶通濾波器的情況，這樣帶通濾波器的設(shè)計(jì)難度會(huì)增加。

頻率信號(hào)的測(cè)量方式有兩類，高頻段可以測(cè)頻以及低頻段可以測(cè)周期。至于何時(shí)測(cè)頻以及何時(shí)測(cè)周期則要看測(cè)量?jī)x器的中界頻率[2][f0]。高于中界頻率的頻率應(yīng)該選用測(cè)頻法，低于中界頻率的頻率應(yīng)該選用測(cè)周期的方法。其中，中界頻率[f0=fcT]；[fc]為測(cè)周期時(shí)儀器計(jì)數(shù)脈沖的頻率；[T]為直接測(cè)量頻率時(shí)規(guī)定的閘門開(kāi)啟時(shí)間。利用兩個(gè)帶寬分別是[f0，fmax]和[fmin，f0]的聲表面波帶通濾波器[SAWF1]與[SAWF2]就可以判斷頻率信號(hào)的數(shù)值[4]，實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。其中，[fmax]與[fmin]分別是表面聲波傳感器里的敏感元件[SAWR1]輸出信號(hào)的頻率[f1]的上限值與下限值。[f1]信號(hào)是前端傳感器懸臂梁上表面敏感元件的輸出信號(hào)。因?yàn)閇f1]頻率較高，直接對(duì)信號(hào)[f1]測(cè)量誤差較大，于是選擇傳感器[SAWR1]與[SAWR2]輸出信號(hào)的差頻結(jié)果[Δf]進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)[Δf]的測(cè)量可以知道外界加速度的具體數(shù)值，通過(guò)對(duì)[SAWR1]輸出的信號(hào)[f1]的測(cè)量，通過(guò)測(cè)量值可以判斷頻率的高低并確定適合的測(cè)頻法。

由圖1可見(jiàn)，帶通濾波器[SAWF1]可以讓高于中界頻率的頻率信號(hào)通過(guò)[5]，而[SAWF2]可以讓低于中界頻率的頻率信號(hào)通過(guò)。當(dāng)[f1>f0]時(shí)，[SAWF1]輸出高電平并同時(shí)觸發(fā)三態(tài)與門1。被測(cè)信號(hào)[Δf]經(jīng)過(guò)放大整形后變成了一系列的窄脈沖并輸入到三態(tài)與門1。晶體振蕩器輸出的正弦信號(hào)（頻率為[fc]，周期為[Tc]），經(jīng)k次分頻、整形后得到周期為[T1=kTc]的窄脈沖，以此脈沖觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)電路1，從雙穩(wěn)態(tài)電路的輸出端即得到所需要的寬度為基準(zhǔn)時(shí)間[T1]的脈沖信號(hào)即閘門時(shí)間脈沖，該信號(hào)一路輸入到三態(tài)與門1，一路輸入到與門1。在三態(tài)與門1導(dǎo)通期間[6]，被測(cè)頻率[Δf]與閘門時(shí)間[T1]為與的關(guān)系，即[Δf]只有在[T1]時(shí)間內(nèi)能通過(guò)三態(tài)與門1，并輸入到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。雙穩(wěn)態(tài)電路的輸出信號(hào)一路輸入到了與門1，與門1的另一個(gè)輸入信號(hào)是SAWF1的輸出信號(hào)[f1]，當(dāng)[f1>f0]時(shí)，[f1]、[T1]為與的關(guān)系，與門1輸出高電平信號(hào)并觸發(fā)計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作，計(jì)數(shù)器在[T1]時(shí)間內(nèi)對(duì)[Δf]進(jìn)行計(jì)數(shù)，假設(shè)計(jì)數(shù)值為[N1]，則[Δf=N1T1]。根據(jù)[Δf]的值可以推算出外界加速度的大小。同理，當(dāng)[f1

2 分頻、計(jì)數(shù)以及顯示模塊的設(shè)計(jì)

被測(cè)信號(hào)的頻率介于0～1 MHz，相對(duì)數(shù)字電路器件來(lái)說(shuō)信號(hào)的頻率稍高。電路各個(gè)元器件都有傳輸延遲的現(xiàn)象，高頻信號(hào)在測(cè)量中就會(huì)產(chǎn)生一些誤差，這些誤差體現(xiàn)在計(jì)數(shù)環(huán)節(jié)，譯碼環(huán)節(jié)及數(shù)碼顯示環(huán)節(jié)上。利用D觸發(fā)器具有分頻的特性，在正式測(cè)量前對(duì)信號(hào)進(jìn)行降頻，這樣可以得到一個(gè)頻率相對(duì)較低的信號(hào)。這樣的信號(hào)在后續(xù)的測(cè)量過(guò)程中不會(huì)帶有太大的誤差。

圖2是后續(xù)電路，包括顯示、分頻和計(jì)數(shù)3個(gè)環(huán)節(jié)。頻率降低的原理是通過(guò)D觸發(fā)器對(duì)輸入被測(cè)信號(hào)首先進(jìn)行兩分頻，這樣可以得到輸入信號(hào)頻率一半的被測(cè)信號(hào)。電路的結(jié)構(gòu)是把D觸發(fā)器的端口[Q]與D觸發(fā)器的置位端口D直接連接從而構(gòu)成兩分頻電路。觸發(fā)器輸出端的輸出信號(hào)再送到10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS192D的UP端口，這個(gè)信號(hào)的頻率很高達(dá)到了1 MHz，所以必須用6個(gè)數(shù)碼管來(lái)顯示被測(cè)結(jié)果。低位計(jì)數(shù)器的C0端口和高一位的UP端口連接，這樣就可以顯示6位10進(jìn)制數(shù)字。電路圖里J1的功能是對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行清零操作，以保證測(cè)量開(kāi)始時(shí)數(shù)碼管都顯示0。整體電路如圖2所示。3 試驗(yàn)結(jié)果及精度分析

利用Multisim 10軟件對(duì)測(cè)頻電路進(jìn)行分析。分析過(guò)程為選取1 MHz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，首先進(jìn)行2分頻，整體電路里的頻率計(jì)XFC1對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，顯示示值為500 kHz。使用軟件自帶的示波器對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)， 由圖3、圖4可得2分頻后的信號(hào)頻率約為被測(cè)信號(hào)頻率的一半。測(cè)試數(shù)據(jù)證明所設(shè)計(jì)的兩分頻電路滿足測(cè)量的要求。從表1可以看出，系統(tǒng)在測(cè)量時(shí)在低頻段的誤差幾乎為0，只有在高頻段才出現(xiàn)了誤差。信號(hào)源輸出的頻率為500 kHz時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量頻率為499 kHz，絕對(duì)誤差是1 Hz。信號(hào)源輸出的頻率為1 000 kHz時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量頻率為997 kHz，絕對(duì)誤差是3 Hz。

4 結(jié) 語(yǔ)

頻率的測(cè)量在科學(xué)研究工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面都具有很重要的作用，能否得到一個(gè)準(zhǔn)確的頻率值往往決定了一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)劣。例如：現(xiàn)代很多傳感器輸出的信號(hào)具有準(zhǔn)數(shù)字化特征，這個(gè)特征就是信號(hào)不用進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換就可以直接輸入測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，電路的結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化，但是這個(gè)頻率信號(hào)的測(cè)量誤差是個(gè)難以解決的問(wèn)題，傳統(tǒng)的測(cè)頻法無(wú)法解決在頻率的上、下限處測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的較大誤差。本文提出的基于頻率選擇的測(cè)頻法在誤差控制上得到了提高，但是還有一些問(wèn)題尚需解決，例如下一步可以考慮測(cè)量理論的具體實(shí)現(xiàn)。利用智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)新型頻率測(cè)量方法，首先要考慮選用哪種芯片，在電路中還要選取具體的雙穩(wěn)態(tài)電路和相應(yīng)的觸發(fā)器。電路中的濾波與放大電路也要設(shè)計(jì)合理，只有所有的因素滿足系統(tǒng)的需要，整個(gè)系統(tǒng)才能體現(xiàn)出設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 雙通道示波器顯示圖

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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