基于SAW 技术的高精度频率测量仪设计与实现

陈心宇，曾融生，洪 业，杨雨诺，孙科学,2

(1. 南京邮电大学 电子与光学工程学院,江苏 南京 210023;2. 射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室, 江苏 南京 210023)

0 引言

声表面波(SAW)传感器是一种用SAW器件作为传感元件的新型微声传感器[1]，通过测试SAW频率的变化能反映所测物理、化学等信息，并输出为电信号。而SAW传感器所发出信号幅值与现场可编程门阵列(FPGA)可接受的幅值范围不匹配，通常需对信号进行预处理，使其幅值稳在FPGA测频器件的接受范围内。等精度测量法可实现对信号频率的高精度测量。因此，本文设计了一种新型SAW传感测量仪，利用自动增益控制 (AGC)[2]电路对SAW传感信号进行限幅处理，通过FPGA实现信号的频率测量，进而转换为所测物理、化学信息。该测量仪能处理幅值跨度较大的传感信号，测频范围为100 Hz～100 kHz。

1 系统组成

图1为高精度SAW测量仪组成框图，其中传感器可为各类型SAW传感器。系统通过SAW传感器将待测信号转换为电信号，再将信号输入预处理电路，对信号进行限幅、整形处理。系统中FPGA开发板采用Xilinx Artix-7 XC7A35T开发板，对其输入标准频率信号，使用等精度测量法测出待测信号频率，并输送至STM32F103ZET型号单片机。单片机模块用于控制FPGA电路测量频率、存储信号频率值及处理数据，并将处理后的数据传输至LCD显示屏。

图1 高精度SAW测量仪组成框图

2 系统设计

2.1 SAW传感器实现信号采集

本设计中由SAW传感器采集待测信号。利用材料的压电效应及SAW传播特性受环境影响的原理制成SAW传感器，其基本结构有延迟线型和谐振型，二者均由压电基片、叉指换能器和发射栅共同构成。

SAW传感器的工作原理[3-5]：传感器芯片由天线接收到读取器发来的电磁信号后，经叉指换能器转换成沿基片表面传播的机械波(即SAW)，SAW遇到反射栅后部分被反射回换能器，经换能器转换成电信号返回读取器。返回信号的时延或谐振频率会受温度等的影响。通过检测返回信号的时延或频率变化，可得到物理量的变化，实现传感。

本文以SAW压力传感器为例，其压力p与测量频率Δf间的关系[6]为

Δf=mp

(1)

(2)

式中:f0为压电材料不发生形变时频率f的理论值;β为小于1的正比例常数;μ,a,c,E,h为与传感器内部结构相关的参数。

2.2 信号处理电路

2.2.1 AGC稳幅电路

图2为AGC电路原理图。AGC的放大倍数AV由控制电压VC控制，该电路能自动控制AV。闭环系统中，通过检波器的电信号与比较器的参考电压VREF相比，得到信号来控制AV。若输入电压VI增大导致输出电压VO增大时，环路通过增益控制电压VG的改变减小AV。同理，当VI减小时，系统通过调节VG增大AV，进而使得输出信号维持在一个固定的幅值[7-8]，达到自动控制放大器增益的效果。图3为AGC电路结构框图。

图2 AGC电路原理图

图3 AGC电路框图

2.2.2 施密特触发器整形电路

施密特触发电路[9]是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。不同于比较器，施密特触发电路有2个临界电压，且形成一个滞后区，在滞后范围内可防止噪声干扰电路的正常工作，便于精准测量信号频率。

图4为反相施密特触发器电路。运算放大器的饱和电压VS由芯片供电电压决定，VF1经由R1和R2分压后反馈到输入端。门限电压VIL和VIH、R1和R2的关系为

(3)

(4)

图4 反相施密特触发器原理图

滞后电压VZ为VIL和VIH间的电压差,即：

(5)

反相施密特触发器能将输入的正弦波整形为相位相反、频率相同的的方波，其整形效果如图5所示。

图5 反相施密特触发器整形图

2.3 频率测量电路

利用FPGA实现等精度测频的主要原理[10]：采用频率准确的高频信号作为标准频率信号(周期为TS)，保证测量的闸门时间为被测时间的整数倍，并在闸门时间内同时对标准信号脉冲NS和待测信号脉冲NX进行计数，实现整个频率测量范围内的测量精度相等，当标准信号频率很高，闸门时间足够长时，就可实现高精度的频率测量,其测量波形如图6所示。

图6 频率测量波形图

设待测信号频率为FX，标准信号频率为FZ，读取到的待测信号脉冲数为NX，读取到的标准信号脉冲数为NZ。测量时间均为t，则有

(6)

待测信号频率为

(7)

标准信号和待测信号分别从BCLK和TCLK输入，BZH和TF分别对BCLK和TCLK进行计数。单片机通过接口P2.5将FPGA的CL端置为高电平，使D触发器处于准备状态，当TCLK上升沿到来时，触发D触发器将START端置1，BZH和TF同时开始计数，经过时间t后，单片机将CL端置为低电平，当下一个脉冲信号到来时，计数器停止计数，并将数据送入数据选择器后再将其传送到DATA端口，同时START端将高电平信号传入单片机，单片机接收到信号后通过P0读取DATA端的数据,其具体接口连接如图7所示。

图7 单片机与FPGA连接框图

3 实验设计与验证

将AGC稳辐模块与施密特触发器整形模块相连接，再将信号输出端口接入FPGA开发板。测试时，利用信号发生器发出待测信号来代替SAW传感器所发出的信号，待测信号经由测量装置后将测得频率输出至数码管进行显示，同时将最终信号输出至示波器进行验证。具体的测量装置如图8所示。

图8 测量仪测试连接图

本次测试中，信号发生器输出4次频率不同的待测信号，利用测量装置得到的测试数据如表1所示。

表1 测试结果

由表1可看出，测量装置所测频率跨度较大，测得频率与示波器显示频率数值相近，最大误差为1.2%，由此可知测量装置测频范围广，精度较高。

4 结束语

本文设计的新型高精度SAW测量仪测量信号频率为100 Hz～100 kHz，通过SAW传感器特性曲线图准确反应待测物理量的变化。测试表明，系统的最大测量误差为1.2%，精度较高，可应用于对测量精度要求较高的系统中，实现数据的实时和同步传输。与传统频率测量相比，由于内嵌AGC稳辐电路和施密特触发器整形电路，该测量仪可对较大幅度范围内的信号整形测量。结果表明，该频率计系统具有测量精度高，测频范围广，运行功耗低，体积小，成本低等优点。