基于SAW 技術(shù)的高精度頻率測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳心宇，曾融生，洪 業(yè)，楊雨諾，孫科學(xué),2

(1. 南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院,江蘇 南京 210023;2. 射頻集成與微組裝技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210023)

0 引言

聲表面波(SAW)傳感器是一種用SAW器件作為傳感元件的新型微聲傳感器[1]，通過測(cè)試SAW頻率的變化能反映所測(cè)物理、化學(xué)等信息，并輸出為電信號(hào)。而SAW傳感器所發(fā)出信號(hào)幅值與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)可接受的幅值范圍不匹配，通常需對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，使其幅值穩(wěn)在FPGA測(cè)頻器件的接受范圍內(nèi)。等精度測(cè)量法可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)頻率的高精度測(cè)量。因此，本文設(shè)計(jì)了一種新型SAW傳感測(cè)量?jī)x，利用自動(dòng)增益控制 (AGC)[2]電路對(duì)SAW傳感信號(hào)進(jìn)行限幅處理，通過FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻率測(cè)量，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為所測(cè)物理、化學(xué)信息。該測(cè)量?jī)x能處理幅值跨度較大的傳感信號(hào)，測(cè)頻范圍為100 Hz～100 kHz。

1 系統(tǒng)組成

圖1為高精度SAW測(cè)量?jī)x組成框圖，其中傳感器可為各類型SAW傳感器。系統(tǒng)通過SAW傳感器將待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將信號(hào)輸入預(yù)處理電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行限幅、整形處理。系統(tǒng)中FPGA開發(fā)板采用Xilinx Artix-7 XC7A35T開發(fā)板，對(duì)其輸入標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，使用等精度測(cè)量法測(cè)出待測(cè)信號(hào)頻率，并輸送至STM32F103ZET型號(hào)單片機(jī)。單片機(jī)模塊用于控制FPGA電路測(cè)量頻率、存儲(chǔ)信號(hào)頻率值及處理數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至LCD顯示屏。

圖1 高精度SAW測(cè)量?jī)x組成框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 SAW傳感器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集

本設(shè)計(jì)中由SAW傳感器采集待測(cè)信號(hào)。利用材料的壓電效應(yīng)及SAW傳播特性受環(huán)境影響的原理制成SAW傳感器，其基本結(jié)構(gòu)有延遲線型和諧振型，二者均由壓電基片、叉指換能器和發(fā)射柵共同構(gòu)成。

SAW傳感器的工作原理[3-5]：傳感器芯片由天線接收到讀取器發(fā)來的電磁信號(hào)后，經(jīng)叉指換能器轉(zhuǎn)換成沿基片表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械波(即SAW)，SAW遇到反射柵后部分被反射回?fù)Q能器，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)返回讀取器。返回信號(hào)的時(shí)延或諧振頻率會(huì)受溫度等的影響。通過檢測(cè)返回信號(hào)的時(shí)延或頻率變化，可得到物理量的變化，實(shí)現(xiàn)傳感。

本文以SAW壓力傳感器為例，其壓力p與測(cè)量頻率Δf間的關(guān)系[6]為

Δf=mp

(1)

(2)

式中:f0為壓電材料不發(fā)生形變時(shí)頻率f的理論值;β為小于1的正比例常數(shù);μ,a,c,E,h為與傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)。

2.2 信號(hào)處理電路

2.2.1 AGC穩(wěn)幅電路

圖2為AGC電路原理圖。AGC的放大倍數(shù)AV由控制電壓VC控制，該電路能自動(dòng)控制AV。閉環(huán)系統(tǒng)中，通過檢波器的電信號(hào)與比較器的參考電壓VREF相比，得到信號(hào)來控制AV。若輸入電壓VI增大導(dǎo)致輸出電壓VO增大時(shí)，環(huán)路通過增益控制電壓VG的改變減小AV。同理，當(dāng)VI減小時(shí)，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)VG增大AV，進(jìn)而使得輸出信號(hào)維持在一個(gè)固定的幅值[7-8]，達(dá)到自動(dòng)控制放大器增益的效果。圖3為AGC電路結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 AGC電路原理圖

圖3 AGC電路框圖

2.2.2 施密特觸發(fā)器整形電路

施密特觸發(fā)電路[9]是一種波形整形電路，當(dāng)任何波形的信號(hào)進(jìn)入電路時(shí)，輸出在正、負(fù)飽和之間跳動(dòng)，產(chǎn)生方波或脈波輸出。不同于比較器，施密特觸發(fā)電路有2個(gè)臨界電壓，且形成一個(gè)滯后區(qū)，在滯后范圍內(nèi)可防止噪聲干擾電路的正常工作，便于精準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)頻率。

圖4為反相施密特觸發(fā)器電路。運(yùn)算放大器的飽和電壓VS由芯片供電電壓決定，VF1經(jīng)由R1和R2分壓后反饋到輸入端。門限電壓VIL和VIH、R1和R2的關(guān)系為

(3)

(4)

圖4 反相施密特觸發(fā)器原理圖

滯后電壓VZ為VIL和VIH間的電壓差,即：

(5)

反相施密特觸發(fā)器能將輸入的正弦波整形為相位相反、頻率相同的的方波，其整形效果如圖5所示。

圖5 反相施密特觸發(fā)器整形圖

2.3 頻率測(cè)量電路

利用FPGA實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)頻的主要原理[10]：采用頻率準(zhǔn)確的高頻信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)(周期為TS)，保證測(cè)量的閘門時(shí)間為被測(cè)時(shí)間的整數(shù)倍，并在閘門時(shí)間內(nèi)同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)脈沖NS和待測(cè)信號(hào)脈沖NX進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻率測(cè)量范圍內(nèi)的測(cè)量精度相等，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率很高，閘門時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)高精度的頻率測(cè)量,其測(cè)量波形如圖6所示。

圖6 頻率測(cè)量波形圖

設(shè)待測(cè)信號(hào)頻率為FX，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率為FZ，讀取到的待測(cè)信號(hào)脈沖數(shù)為NX，讀取到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)脈沖數(shù)為NZ。測(cè)量時(shí)間均為t，則有

(6)

待測(cè)信號(hào)頻率為

(7)

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和待測(cè)信號(hào)分別從BCLK和TCLK輸入，BZH和TF分別對(duì)BCLK和TCLK進(jìn)行計(jì)數(shù)。單片機(jī)通過接口P2.5將FPGA的CL端置為高電平，使D觸發(fā)器處于準(zhǔn)備狀態(tài)，當(dāng)TCLK上升沿到來時(shí)，觸發(fā)D觸發(fā)器將START端置1，BZH和TF同時(shí)開始計(jì)數(shù)，經(jīng)過時(shí)間t后，單片機(jī)將CL端置為低電平，當(dāng)下一個(gè)脈沖信號(hào)到來時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)選擇器后再將其傳送到DATA端口，同時(shí)START端將高電平信號(hào)傳入單片機(jī)，單片機(jī)接收到信號(hào)后通過P0讀取DATA端的數(shù)據(jù),其具體接口連接如圖7所示。

圖7 單片機(jī)與FPGA連接框圖

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

將AGC穩(wěn)輻模塊與施密特觸發(fā)器整形模塊相連接，再將信號(hào)輸出端口接入FPGA開發(fā)板。測(cè)試時(shí)，利用信號(hào)發(fā)生器發(fā)出待測(cè)信號(hào)來代替SAW傳感器所發(fā)出的信號(hào)，待測(cè)信號(hào)經(jīng)由測(cè)量裝置后將測(cè)得頻率輸出至數(shù)碼管進(jìn)行顯示，同時(shí)將最終信號(hào)輸出至示波器進(jìn)行驗(yàn)證。具體的測(cè)量裝置如圖8所示。

圖8 測(cè)量?jī)x測(cè)試連接圖

本次測(cè)試中，信號(hào)發(fā)生器輸出4次頻率不同的待測(cè)信號(hào)，利用測(cè)量裝置得到的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

由表1可看出，測(cè)量裝置所測(cè)頻率跨度較大，測(cè)得頻率與示波器顯示頻率數(shù)值相近，最大誤差為1.2%，由此可知測(cè)量裝置測(cè)頻范圍廣，精度較高。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的新型高精度SAW測(cè)量?jī)x測(cè)量信號(hào)頻率為100 Hz～100 kHz，通過SAW傳感器特性曲線圖準(zhǔn)確反應(yīng)待測(cè)物理量的變化。測(cè)試表明，系統(tǒng)的最大測(cè)量誤差為1.2%，精度較高，可應(yīng)用于對(duì)測(cè)量精度要求較高的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)和同步傳輸。與傳統(tǒng)頻率測(cè)量相比，由于內(nèi)嵌AGC穩(wěn)輻電路和施密特觸發(fā)器整形電路，該測(cè)量?jī)x可對(duì)較大幅度范圍內(nèi)的信號(hào)整形測(cè)量。結(jié)果表明，該頻率計(jì)系統(tǒng)具有測(cè)量精度高，測(cè)頻范圍廣，運(yùn)行功耗低，體積小，成本低等優(yōu)點(diǎn)。