無線無源轉(zhuǎn)速傳感特征變換電路設(shè)計與研究

魏曉飛，洪應(yīng)平,2，任乾鈺，張會新,2，王 剛，熊繼軍,2

(1.中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051； 2.中北大學(xué)，電子測試國家重點實驗室，山西太原 030051；3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

目前，多數(shù)傳感器工作狀態(tài)下需要與讀取電路連線獲取信號，但是對于高溫、高壓、高旋等惡劣環(huán)境，有線連接會出現(xiàn)許多弊端，比如難以生存致使器件失效以及解調(diào)電路與高溫?zé)嵩吹母綦x問題[1-3]。無線無源傳感器很好地解決了這類問題，采用電磁互感耦合原理，LC諧振敏感器件上的電感線圈與讀取天線端電感線圈通過耦合產(chǎn)生磁場能，并轉(zhuǎn)化為電場能供LC諧振敏感單元工作，輸入阻抗發(fā)生變化，通過檢測該變化即可實現(xiàn)壓力、溫度、加速度或者轉(zhuǎn)速參數(shù)的獲取。所以LC傳感器與讀取天線端無需物理引線，無需外接電源即可實現(xiàn)被測參數(shù)的測量[4-6]。

國內(nèi)外對于壓力、溫度、加速度、轉(zhuǎn)速參數(shù)測試的前端敏感單元以及后端采集電路的研究都已經(jīng)比較成熟，而對于無線無源轉(zhuǎn)速傳感特征變化電路研究比較有限。頻率源多為安捷倫公司的信號發(fā)生器，但是由于設(shè)備價格昂貴以及體積笨重等問題，限制了其在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用，而且傳統(tǒng)的掃頻測量方法，掃頻周期高，天線發(fā)射的信號與LC諧振器接收信號之間的響應(yīng)時間長，無法對旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速特征信號進行實時的、準(zhǔn)確的變換和測試，所以研究體積小、易于集成、適用于特殊環(huán)境的單音高速轉(zhuǎn)速傳感特征變換電路具有必要性[7-8]。

本文設(shè)計了單音頻率與掃頻信號的激勵源、包絡(luò)檢波器。信號源模塊主要包括PLL模塊(鎖相環(huán))、FPGA控制模塊、DDS模塊、基準(zhǔn)時鐘源模塊、信號調(diào)理模塊。無線無源轉(zhuǎn)速參數(shù)的獲取根據(jù)讀取天線端電壓幅值的變化實現(xiàn)，但是為了更加精確以及快速獲得測試端電壓幅值的變化，設(shè)計包絡(luò)檢波模塊，根據(jù)采集到的電壓幅值最低值之間的時間間隔獲取旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速參數(shù)。

1 無線無源轉(zhuǎn)速傳感測量機理分析

LC諧振傳感敏感單元與讀取天線互感耦合原理采用集總電路模型，等效電路如圖1所示，左側(cè)為讀取天線，右側(cè)為LC諧振敏感單元。其中信號源US為單音頻率信號源的輸出，f為信號源的頻率。根據(jù)楞次定律以及畢奧-薩伐爾定律，當(dāng)LC諧振敏感單元與讀取天線互相靠近時，讀取天線端產(chǎn)生的交變磁場通過LC諧振敏感單元的電感線圈，在閉合LC諧振回路上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，測試端電壓值為U0,電流為I2，讀取天線端電感線圈電感值為L2，LC諧振器電感線圈電感值為L1，電容值為C1，L1和C1組成一個串聯(lián)的諧振回路。

圖1 無線無源轉(zhuǎn)速參數(shù)測量原理

測試端輸入阻抗Zi為

(1)

根據(jù)式(1)，可得測試端阻抗的幅值參量：

(2)

由上述分析可知，LC諧振敏感器件與讀取天線的耦合狀態(tài)對測試端輸入端阻抗Zi產(chǎn)生影響，而且正對耦合時，互感系數(shù)M達到最大值，測試端輸入阻抗幅值|Zi|最小[9]，發(fā)生諧振時，諧振電路通過磁場吸收由天線向外發(fā)射的能量，諧振敏感器件通過磁場吸收讀取天線端能量越多，測試端電壓值U0就越小[10]。通過測量電壓最低值之間的時間間隔進而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速參數(shù)的測試。

2 無線無源轉(zhuǎn)速測試傳感特征信號解調(diào)電路原理

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，主要由單音頻率以及掃頻信號源模塊、包絡(luò)檢波模塊、數(shù)據(jù)采集以及存儲模塊組成。其中信號源模塊主要包括FPGA控制模塊、PLL(鎖相環(huán))、DDS(直接頻率合成器)以及信號調(diào)理模塊組成。無線無源轉(zhuǎn)速傳感特征變換電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，采用FPGA控制PLL輸出單音頻率的信號，驅(qū)動讀取天線輸出攜帶轉(zhuǎn)速信息的電壓信號，之后由包絡(luò)檢波器將讀取天線端電壓信號幅值提取出來，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速參數(shù)的測量。

圖2 無線無源轉(zhuǎn)速傳感特征變換電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 PLL模塊

PLL(phase locked loop)即鎖相環(huán)，是一種反饋控制電路，通常由鑒相器、環(huán)路濾波器以及壓控振蕩器組成。利用外部的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位，比較輸入信號與壓控振蕩器輸出信號之間的相位差，并將相位差轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，該信號經(jīng)濾波器生成壓控振蕩器的控制電壓，對振蕩器輸出信號的頻率實施控制[11]。PLL可以應(yīng)用于頻率合成電路中，實現(xiàn)倍頻以及分頻等頻率合成技術(shù)，從而獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號輸出。鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

本研究中采用的PLL為LMX2571芯片，該芯片是一款功耗低、高性能、寬帶PLLatinum射頻合成器，輸出信號頻率范圍為10～1 344 MHz，該芯片價格低廉而且滿足設(shè)計要求。倍頻原理如圖4所示，參考時鐘源輸入后，由一組預(yù)倍頻/分頻器構(gòu)成[12]。

圖4 LMX2571預(yù)倍頻/分頻示意圖

OSCin引腳用作器件的參考輸入頻率，OSCin引腳可以用CMOS時鐘或晶體振蕩器驅(qū)動單端。其計算公式如下所示：

(3)

LMX2571的鑒相器最大工作頻率為130 MHz，因此取基準(zhǔn)頻率fOSCin=20 MHz，預(yù)置倍頻乘法器MULT=4，得鑒相器時鐘源為80 MHz。

本電路模塊中鎖相環(huán)的作用主要有2個方面，一方面是采用20 MHz的晶體振蕩器為參考時鐘，利用鎖相環(huán)的倍頻作用輸出頻率范圍10～1 344 MHz信號，連接讀取天線作為單音頻率信號源，實現(xiàn)無線無源轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)的小型化以及集成化；另一方面作為參考時鐘源,為DDS提供參考時鐘，20 MHz的時鐘信號經(jīng)過LMX2571芯片產(chǎn)生1 GHz輸出信號，作為DDS模塊的參考時鐘信號，利用LMX2571的輸出作為DDS的參考時鐘簡化了電路。

2.2 DDS模塊

本功能模塊主要是作為掃頻信號激勵源。隨著數(shù)字技術(shù)在通信領(lǐng)域以及測量設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，以參考時鐘為參考產(chǎn)生不同頻率的數(shù)字合成方法即直接數(shù)字頻率合成技術(shù)DDS產(chǎn)生了。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率以及頻率轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點。

本研究中采用的AD9858芯片獲取掃頻信號，AD9858是一款直接數(shù)字頻率合成器，內(nèi)置一個10位DAC，工作速度最高達1GSPS，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。設(shè)計中采用并行編程模式，根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊完成外圍電路設(shè)計[13]。

(4)

式中：FTW為頻率寄存器值；SYSCLK為AD9858參考時鐘。

AD9858的參考時鐘可以高達2 GHz，片內(nèi)自帶二分頻器，內(nèi)部時鐘頻率的上限是1 GHz，為了保證時鐘性能，直接將1 GHz的參考時鐘供給AD9858。本設(shè)計中采用20 MHz的參考時鐘驅(qū)動PLL輸出1 GHz的信號作為參考時鐘，從而實現(xiàn)電路的小型化且方便控制。在參考時鐘為最大值1 GHz時， 步進變動值即掃頻分辨率為[13]

(5)

DDS后端可以配置PLL電路以及濾波電路，擴展DDS的應(yīng)用范圍，實現(xiàn)大范圍內(nèi)可變、高準(zhǔn)確度以及高穩(wěn)定度的頻率輸出信號。

2.3 包絡(luò)檢波模塊

根據(jù)無線無源轉(zhuǎn)速參數(shù)測試原理可知，LC諧振敏感器件與讀取天線正對耦合時，測試端的電壓信號幅值為旋轉(zhuǎn)過程中最低值，通過采集讀取天線端電壓幅值最低值之間的時間間隔即可獲取旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速參數(shù)。為了直觀且方便地讀取天線端電壓幅值隨時間的變化曲線，將一段時間長度內(nèi)電壓信號的峰值點連線即實現(xiàn)包絡(luò)檢波，所以本文設(shè)計包絡(luò)檢波器信號實現(xiàn)測試端幅度包絡(luò)特性提取。

本模塊的設(shè)計選用ADL5511芯片實現(xiàn)，ADL5511芯片是一款RF包絡(luò)和均方根檢波器，包絡(luò)輸出電壓是一個與輸入信號包絡(luò)成正比的電壓，輸入直流范圍：直流到6 GHz，包絡(luò)帶寬最高可達130 MHz[14]。通過采用包絡(luò)檢波器可以直觀地獲取讀取天線端電壓幅值的變化，從而達到轉(zhuǎn)速參數(shù)的獲取。

2.4 FPGA模塊

在無線無源轉(zhuǎn)速傳感測試系統(tǒng)中共有2個FPGA模塊，第一個采用FPGA器件，通過程序控制電機及其驅(qū)動器從而實現(xiàn)電機不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)；第二個FPGA模塊為信號激勵源的FPGA控制模塊，通過FPGA控制模塊產(chǎn)生相應(yīng)控制邏輯完成LMX2571以及AD9858編程，作為單音頻率信號激勵源或掃頻信號激勵源，激勵讀取天線端電感線圈產(chǎn)生電磁場，從而與LC諧振敏感器件發(fā)生諧振耦合，完成旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速參數(shù)的測試。

2.5 信號調(diào)理模塊

根據(jù)AD9858數(shù)據(jù)手冊可知，AD9858的掃頻輸出是一對互補電流，需要轉(zhuǎn)換為電壓信號，采用低噪聲高寬帶高速運算放大器，選擇AD8009芯片。AD8009是一款超高速電流反饋型放大器，上升時間僅為545 ps，大信號的帶寬可以高達440 MHz，具有高驅(qū)動能力[15]。將AD8009輸出信號連接濾波器以及由鎖相環(huán)實現(xiàn)倍頻作用的電路板，可以實現(xiàn)高達5GHz的掃頻信號輸出。

2.6 數(shù)據(jù)采集及存儲模塊

電磁耦合傳感信號的數(shù)據(jù)采集及存儲采用自主研制的采集存儲模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊的A/D轉(zhuǎn)換器采用AD7667芯片，AD7667為16位ADC，采集電路采用低八位并行編程，依次取其高8 bit和低8 bit，選用Normal工作模式，采集系統(tǒng)的采樣率為25 KSPS。數(shù)據(jù)存儲是采集的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字量化后，生成采編數(shù)，之后通過USB通信模塊上傳到計算機上位機軟件的過程，采集的數(shù)據(jù)寫入flash的過程以及通過USB模塊讀取Flash中數(shù)據(jù)的過程，存儲芯片選用Flash芯片K9WBG08U1M，容量為4 Gbit[16-17]。

3 測試與分析

3.1 單音頻率信號源性能測試

為測試單音高速信號源的輸出的可靠性以及精確度，采用普源的DS6064數(shù)字示波器進行測試，該示波器的模擬帶寬600 MHz，實時采樣率為5 GSa/s。單音頻率信號源的電路模塊如圖5所示，測試系統(tǒng)如圖6所示，主要由計算機、示波器以及電源組成。

圖5 信號源電路板

圖6 信號源測試系統(tǒng)

該電路模塊的輸出信號頻率范圍主要由LMX2571所決定，所以輸出信號頻率范圍為10～1 344 MHz。采用FPGA控制模塊控制鎖相環(huán)輸出頻率為150 MHz以及600 MHz的正弦單音頻率信號，示波器測得信號分別如圖7、圖8所示。從圖7可知，輸出信號為150 MHz的單音頻率的信號，雖然信號存在雜波但是近似于正弦信號，可以通過濾波器的設(shè)計改善其性能；普源的DS6064數(shù)字示波器的模擬帶寬最高為600 MHz，從圖8可知，該電路模塊的輸出信號的頻率為599.99 MHz，誤差僅為0.17%，所以該電路模塊具有穩(wěn)定性以及可靠性。通過FPGA控制模塊控制電路板可以達到設(shè)定頻率的輸出信號，而且本測量系統(tǒng)所需的信號頻率小于200 MHz，所以該電路模塊滿足實驗要求。

圖7 輸出信號頻率150 MHz

圖8 輸出信號頻率為600 MHz

3.2 無線無源轉(zhuǎn)速傳感特征信號提取

無線無源轉(zhuǎn)速傳感測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示，由單音頻率信號源、讀取天線、LC諧振敏感器件、轉(zhuǎn)速平臺、電機、電機驅(qū)動器、FPGA開發(fā)板、定向耦合器、包絡(luò)檢波器、數(shù)據(jù)采集模塊以及計算機組成，其中包絡(luò)檢波器如圖10所示。

圖9 無線無源轉(zhuǎn)速傳感測試系統(tǒng)

圖10 包絡(luò)檢波器

無線無源轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)如圖11所示，首先采用FPGA控制模塊控制電機驅(qū)動器，驅(qū)動電機以設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電機的轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)速平臺通過聯(lián)軸器實現(xiàn)同軸安裝，LC諧振敏感器件固定安裝在轉(zhuǎn)速平臺的轉(zhuǎn)盤上，讀取天線安裝在轉(zhuǎn)速平臺的固定板上。定向耦合器分別連接信號源電路板、讀取天線以及包絡(luò)檢波器，包絡(luò)檢波器可以連接示波器顯示讀取天線端電壓信號或者連接數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，上位機通過控制軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、停止以及復(fù)位等。該測試系統(tǒng)通過LC諧振敏感單元與讀取天線之間的互感耦合，采集測試端電壓最低值之間的時間間隔即可獲取旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速參數(shù)。該系統(tǒng)易于集成，體積小，而且敏感單元與讀取天線端無需物理引線，無需供電，即可實現(xiàn)無線無源的轉(zhuǎn)速參數(shù)的無線獲取。

圖11 無線無源轉(zhuǎn)速傳感測試系統(tǒng)實物圖

當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為10 r/s時，通過搭建的無線無源轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)采用MATLAB仿真分析之后得到的讀取天線端電壓信號幅值隨時間的變化曲線如圖12所示。通過采集讀取天線端電壓幅值最低值之間的時間間隔獲取電機的旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

圖12 電機轉(zhuǎn)速10 r/s，讀取天線端電壓信號幅值隨時間的變化曲線

4 結(jié)論

針對特殊環(huán)境下高速轉(zhuǎn)速無線傳感特征信號提取的需求，本文研究了一種基于單音頻率的無線無源轉(zhuǎn)速傳感特征變換方法，設(shè)計了單音頻率信號源模塊以及包絡(luò)檢波模塊。通過普源的DS6064數(shù)字示波器驗證了單音高速轉(zhuǎn)速傳感特征變換電路的可靠性、穩(wěn)定性以及可行性，滿足無線無源轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計要求。基于互感耦合的無線無源轉(zhuǎn)速參數(shù)測量機理，采用無線無源轉(zhuǎn)速敏感單元、信號源模塊、包絡(luò)檢波器以及數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)讀取天線端電壓參數(shù)的獲取與存儲，實現(xiàn)無線無源轉(zhuǎn)速傳感特征信號的測量。本文所設(shè)計的無線無源轉(zhuǎn)速傳感特征變換電路有利于測量系統(tǒng)的小型化、集成化以及輕便化的發(fā)展。