无线无源转速传感特征变换电路设计与研究

魏晓飞，洪应平,2，任乾钰，张会新,2，王 刚，熊继军,2

(1.中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051； 2.中北大学，电子测试国家重点实验室，山西太原 030051；3.北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

目前，多数传感器工作状态下需要与读取电路连线获取信号，但是对于高温、高压、高旋等恶劣环境，有线连接会出现许多弊端，比如难以生存致使器件失效以及解调电路与高温热源的隔离问题[1-3]。无线无源传感器很好地解决了这类问题，采用电磁互感耦合原理，LC谐振敏感器件上的电感线圈与读取天线端电感线圈通过耦合产生磁场能，并转化为电场能供LC谐振敏感单元工作，输入阻抗发生变化，通过检测该变化即可实现压力、温度、加速度或者转速参数的获取。所以LC传感器与读取天线端无需物理引线，无需外接电源即可实现被测参数的测量[4-6]。

国内外对于压力、温度、加速度、转速参数测试的前端敏感单元以及后端采集电路的研究都已经比较成熟，而对于无线无源转速传感特征变化电路研究比较有限。频率源多为安捷伦公司的信号发生器，但是由于设备价格昂贵以及体积笨重等问题，限制了其在恶劣环境中的应用，而且传统的扫频测量方法，扫频周期高，天线发射的信号与LC谐振器接收信号之间的响应时间长，无法对旋转物体的转速特征信号进行实时的、准确的变换和测试，所以研究体积小、易于集成、适用于特殊环境的单音高速转速传感特征变换电路具有必要性[7-8]。

本文设计了单音频率与扫频信号的激励源、包络检波器。信号源模块主要包括PLL模块(锁相环)、FPGA控制模块、DDS模块、基准时钟源模块、信号调理模块。无线无源转速参数的获取根据读取天线端电压幅值的变化实现，但是为了更加精确以及快速获得测试端电压幅值的变化，设计包络检波模块，根据采集到的电压幅值最低值之间的时间间隔获取旋转物体转速参数。

1 无线无源转速传感测量机理分析

LC谐振传感敏感单元与读取天线互感耦合原理采用集总电路模型，等效电路如图1所示，左侧为读取天线，右侧为LC谐振敏感单元。其中信号源US为单音频率信号源的输出，f为信号源的频率。根据楞次定律以及毕奥-萨伐尔定律，当LC谐振敏感单元与读取天线互相靠近时，读取天线端产生的交变磁场通过LC谐振敏感单元的电感线圈，在闭合LC谐振回路上产生感应电动势，测试端电压值为U0,电流为I2，读取天线端电感线圈电感值为L2，LC谐振器电感线圈电感值为L1，电容值为C1，L1和C1组成一个串联的谐振回路。

图1 无线无源转速参数测量原理

测试端输入阻抗Zi为

(1)

根据式(1)，可得测试端阻抗的幅值参量：

(2)

由上述分析可知，LC谐振敏感器件与读取天线的耦合状态对测试端输入端阻抗Zi产生影响，而且正对耦合时，互感系数M达到最大值，测试端输入阻抗幅值|Zi|最小[9]，发生谐振时，谐振电路通过磁场吸收由天线向外发射的能量，谐振敏感器件通过磁场吸收读取天线端能量越多，测试端电压值U0就越小[10]。通过测量电压最低值之间的时间间隔进而实现转速参数的测试。

2 无线无源转速测试传感特征信号解调电路原理

本系统的硬件设计采用模块化设计方法，主要由单音频率以及扫频信号源模块、包络检波模块、数据采集以及存储模块组成。其中信号源模块主要包括FPGA控制模块、PLL(锁相环)、DDS(直接频率合成器)以及信号调理模块组成。无线无源转速传感特征变换电路结构图如图2所示，采用FPGA控制PLL输出单音频率的信号，驱动读取天线输出携带转速信息的电压信号，之后由包络检波器将读取天线端电压信号幅值提取出来，实现转速参数的测量。

图2 无线无源转速传感特征变换电路结构图

2.1 PLL模块

PLL(phase locked loop)即锁相环，是一种反馈控制电路，通常由鉴相器、环路滤波器以及压控振荡器组成。利用外部的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，比较输入信号与压控振荡器输出信号之间的相位差，并将相位差转换为电压信号输出，该信号经滤波器生成压控振荡器的控制电压，对振荡器输出信号的频率实施控制[11]。PLL可以应用于频率合成电路中，实现倍频以及分频等频率合成技术，从而获得多频率、高稳定的振荡信号输出。锁相环结构示意图如图3所示。

图3 锁相环结构示意图

本研究中采用的PLL为LMX2571芯片，该芯片是一款功耗低、高性能、宽带PLLatinum射频合成器，输出信号频率范围为10～1 344 MHz，该芯片价格低廉而且满足设计要求。倍频原理如图4所示，参考时钟源输入后，由一组预倍频/分频器构成[12]。

图4 LMX2571预倍频/分频示意图

OSCin引脚用作器件的参考输入频率，OSCin引脚可以用CMOS时钟或晶体振荡器驱动单端。其计算公式如下所示：

(3)

LMX2571的鉴相器最大工作频率为130 MHz，因此取基准频率fOSCin=20 MHz，预置倍频乘法器MULT=4，得鉴相器时钟源为80 MHz。

本电路模块中锁相环的作用主要有2个方面，一方面是采用20 MHz的晶体振荡器为参考时钟，利用锁相环的倍频作用输出频率范围10～1 344 MHz信号，连接读取天线作为单音频率信号源，实现无线无源转速测试系统的小型化以及集成化；另一方面作为参考时钟源,为DDS提供参考时钟，20 MHz的时钟信号经过LMX2571芯片产生1 GHz输出信号，作为DDS模块的参考时钟信号，利用LMX2571的输出作为DDS的参考时钟简化了电路。

2.2 DDS模块

本功能模块主要是作为扫频信号激励源。随着数字技术在通信领域以及测量设备中的广泛应用，以参考时钟为参考产生不同频率的数字合成方法即直接数字频率合成技术DDS产生了。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率以及频率转换快等优点。

本研究中采用的AD9858芯片获取扫频信号，AD9858是一款直接数字频率合成器，内置一个10位DAC，工作速度最高达1GSPS，内置一个高速、高性能数模转换器，构成数字可编程的完整高频合成器，能够产生最高400 MHz的频率捷变模拟输出正弦波。设计中采用并行编程模式，根据其数据手册完成外围电路设计[13]。

(4)

式中：FTW为频率寄存器值；SYSCLK为AD9858参考时钟。

AD9858的参考时钟可以高达2 GHz，片内自带二分频器，内部时钟频率的上限是1 GHz，为了保证时钟性能，直接将1 GHz的参考时钟供给AD9858。本设计中采用20 MHz的参考时钟驱动PLL输出1 GHz的信号作为参考时钟，从而实现电路的小型化且方便控制。在参考时钟为最大值1 GHz时， 步进变动值即扫频分辨率为[13]

(5)

DDS后端可以配置PLL电路以及滤波电路，扩展DDS的应用范围，实现大范围内可变、高准确度以及高稳定度的频率输出信号。

2.3 包络检波模块

根据无线无源转速参数测试原理可知，LC谐振敏感器件与读取天线正对耦合时，测试端的电压信号幅值为旋转过程中最低值，通过采集读取天线端电压幅值最低值之间的时间间隔即可获取旋转物体的转速参数。为了直观且方便地读取天线端电压幅值随时间的变化曲线，将一段时间长度内电压信号的峰值点连线即实现包络检波，所以本文设计包络检波器信号实现测试端幅度包络特性提取。

本模块的设计选用ADL5511芯片实现，ADL5511芯片是一款RF包络和均方根检波器，包络输出电压是一个与输入信号包络成正比的电压，输入直流范围：直流到6 GHz，包络带宽最高可达130 MHz[14]。通过采用包络检波器可以直观地获取读取天线端电压幅值的变化，从而达到转速参数的获取。

2.4 FPGA模块

在无线无源转速传感测试系统中共有2个FPGA模块，第一个采用FPGA器件，通过程序控制电机及其驱动器从而实现电机不同转速的旋转；第二个FPGA模块为信号激励源的FPGA控制模块，通过FPGA控制模块产生相应控制逻辑完成LMX2571以及AD9858编程，作为单音频率信号激励源或扫频信号激励源，激励读取天线端电感线圈产生电磁场，从而与LC谐振敏感器件发生谐振耦合，完成旋转物体转速参数的测试。

2.5 信号调理模块

根据AD9858数据手册可知，AD9858的扫频输出是一对互补电流，需要转换为电压信号，采用低噪声高宽带高速运算放大器，选择AD8009芯片。AD8009是一款超高速电流反馈型放大器，上升时间仅为545 ps，大信号的带宽可以高达440 MHz，具有高驱动能力[15]。将AD8009输出信号连接滤波器以及由锁相环实现倍频作用的电路板，可以实现高达5GHz的扫频信号输出。

2.6 数据采集及存储模块

电磁耦合传感信号的数据采集及存储采用自主研制的采集存储模块。其中数据采集模块的A/D转换器采用AD7667芯片，AD7667为16位ADC，采集电路采用低八位并行编程，依次取其高8 bit和低8 bit，选用Normal工作模式，采集系统的采样率为25 KSPS。数据存储是采集的数据经数字量化后，生成采编数，之后通过USB通信模块上传到计算机上位机软件的过程，采集的数据写入flash的过程以及通过USB模块读取Flash中数据的过程，存储芯片选用Flash芯片K9WBG08U1M，容量为4 Gbit[16-17]。

3 测试与分析

3.1 单音频率信号源性能测试

为测试单音高速信号源的输出的可靠性以及精确度，采用普源的DS6064数字示波器进行测试，该示波器的模拟带宽600 MHz，实时采样率为5 GSa/s。单音频率信号源的电路模块如图5所示，测试系统如图6所示，主要由计算机、示波器以及电源组成。

图5 信号源电路板

图6 信号源测试系统

该电路模块的输出信号频率范围主要由LMX2571所决定，所以输出信号频率范围为10～1 344 MHz。采用FPGA控制模块控制锁相环输出频率为150 MHz以及600 MHz的正弦单音频率信号，示波器测得信号分别如图7、图8所示。从图7可知，输出信号为150 MHz的单音频率的信号，虽然信号存在杂波但是近似于正弦信号，可以通过滤波器的设计改善其性能；普源的DS6064数字示波器的模拟带宽最高为600 MHz，从图8可知，该电路模块的输出信号的频率为599.99 MHz，误差仅为0.17%，所以该电路模块具有稳定性以及可靠性。通过FPGA控制模块控制电路板可以达到设定频率的输出信号，而且本测量系统所需的信号频率小于200 MHz，所以该电路模块满足实验要求。

图7 输出信号频率150 MHz

图8 输出信号频率为600 MHz

3.2 无线无源转速传感特征信号提取

无线无源转速传感测试系统结构如图9所示，由单音频率信号源、读取天线、LC谐振敏感器件、转速平台、电机、电机驱动器、FPGA开发板、定向耦合器、包络检波器、数据采集模块以及计算机组成，其中包络检波器如图10所示。

图9 无线无源转速传感测试系统

图10 包络检波器

无线无源转速测试系统如图11所示，首先采用FPGA控制模块控制电机驱动器，驱动电机以设定的转速旋转，电机的转轴与转速平台通过联轴器实现同轴安装，LC谐振敏感器件固定安装在转速平台的转盘上，读取天线安装在转速平台的固定板上。定向耦合器分别连接信号源电路板、读取天线以及包络检波器，包络检波器可以连接示波器显示读取天线端电压信号或者连接数据采集单元实现数据采集，上位机通过控制软件实现数据的采集、停止以及复位等。该测试系统通过LC谐振敏感单元与读取天线之间的互感耦合，采集测试端电压最低值之间的时间间隔即可获取旋转物体的转速参数。该系统易于集成，体积小，而且敏感单元与读取天线端无需物理引线，无需供电，即可实现无线无源的转速参数的无线获取。

图11 无线无源转速传感测试系统实物图

当电机转速为10 r/s时，通过搭建的无线无源转速测试系统，将采集的数据采用MATLAB仿真分析之后得到的读取天线端电压信号幅值随时间的变化曲线如图12所示。通过采集读取天线端电压幅值最低值之间的时间间隔获取电机的旋转参数。

图12 电机转速10 r/s，读取天线端电压信号幅值随时间的变化曲线

4 结论

针对特殊环境下高速转速无线传感特征信号提取的需求，本文研究了一种基于单音频率的无线无源转速传感特征变换方法，设计了单音频率信号源模块以及包络检波模块。通过普源的DS6064数字示波器验证了单音高速转速传感特征变换电路的可靠性、稳定性以及可行性，满足无线无源转速测量系统设计要求。基于互感耦合的无线无源转速参数测量机理，采用无线无源转速敏感单元、信号源模块、包络检波器以及数据采集单元实现读取天线端电压参数的获取与存储，实现无线无源转速传感特征信号的测量。本文所设计的无线无源转速传感特征变换电路有利于测量系统的小型化、集成化以及轻便化的发展。