應(yīng)用于硅微諧振式傳感器的等精度頻率計(jì)設(shè)計(jì)*

李 琰， 李森林

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

應(yīng)用于硅微諧振式傳感器的等精度頻率計(jì)設(shè)計(jì)*

李 琰， 李森林

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

針對(duì)傳統(tǒng)頻率測(cè)量中存在的弊端，利用等精度測(cè)頻原理，采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了等精度頻率計(jì)。通過FPGA對(duì)同步門的控制,使被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)在閘門時(shí)間內(nèi)同步,消除了量化誤差, 提高了測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)測(cè)量精度不隨被測(cè)信號(hào)頻率的高低而發(fā)生變化，即實(shí)現(xiàn)了等精度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)證明：采用該頻率計(jì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率的相對(duì)誤差數(shù)量級(jí)為10-6，測(cè)量諧振式傳感器在溫漂下的輸出頻率的變化穩(wěn)定在±1 Hz，而且實(shí)現(xiàn)了諧振式傳感器在紅外輻射下頻率的動(dòng)態(tài)跟蹤。

等精度頻率計(jì)； 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列； 同步門控制； 諧振式傳感器

0 引 言

近幾年來,隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，傳感器逐步趨向小型化和集成化。硅微諧振式傳感器因其體積小、質(zhì)量輕、精度高、響應(yīng)快、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好以及與IC工藝兼容,易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[1]得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其輸出信號(hào)為頻率信號(hào)，而頻率信號(hào)的測(cè)量精度的提高依賴于頻率計(jì)精度的提高。

傳統(tǒng)頻率計(jì)的設(shè)計(jì)一般有2種實(shí)現(xiàn)方案:一種是采用專用芯片，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但這種芯片的測(cè)頻范圍有限，而且測(cè)量精度會(huì)受到芯片本身的限制無法滿足高精度測(cè)量的要求;另一種方案是以單片機(jī)為主再附加一些邏輯電路,這種實(shí)現(xiàn)方案存在著以下問題：1)不同頻率下測(cè)量精度差異很大； 2)相鄰2次測(cè)量之間需要清零間斷，難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)快速測(cè)量； 3)在測(cè)頻法和測(cè)周法的頻率銜接點(diǎn)附近存在著測(cè)量精度的跳變； 4)測(cè)量范圍有限[2]。這些問題制約了測(cè)量結(jié)果的精度，降低了測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文利用等精度測(cè)頻原理[3]，結(jié)合FPGA技術(shù)，設(shè)計(jì)了等精度頻率計(jì)，有效地解決了測(cè)量范圍和精度的問題。

1 硅微諧振式傳感器

諧振式傳感器是一種以頻率變化來反映外界非電學(xué)信號(hào)的換能器。本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的硅微諧振式傳感器采用電熱激勵(lì)[4]，壓阻檢測(cè)[5]。敏感元件為微橋，微橋采用雙層結(jié)構(gòu)，采用紅外吸收薄膜材料，上層為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)法淀積的氮化硅材料，下層為熱氧化二氧化硅薄膜，該諧振式傳感器通過鎖相環(huán)(phase locked loop,PLL)式的閉環(huán)自激電路[6]，輸出動(dòng)態(tài)變化的頻率信號(hào)，通過頻率的變化來反映外界紅外輻射信息。圖1為實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制作的器件照片。

圖1 本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制作的諧振式傳感器Fig 1 Resonant sensors designed and produced in our laboratory

2 等精度測(cè)頻原理

頻率測(cè)量方法有3種：直接周期測(cè)量法、直接頻率測(cè)量法和等精度頻率測(cè)量法[7]。其中，直接周期測(cè)量法是計(jì)量在被測(cè)信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的脈沖數(shù)來間接測(cè)量頻率，被測(cè)信號(hào)頻率越低，則相對(duì)誤差越小。直接頻率測(cè)量法是在固定的閘門時(shí)間內(nèi)，對(duì)被測(cè)信號(hào)的上升沿(下降沿)計(jì)數(shù)，這種測(cè)量方法會(huì)對(duì)被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生±1個(gè)字的誤差，從而影響測(cè)量精度，而且測(cè)量精度會(huì)隨著被測(cè)信號(hào)頻率的下降而下降。等精度測(cè)頻法是在直接頻率測(cè)量法基礎(chǔ)上發(fā)展改進(jìn)而來，它不是在固定時(shí)間內(nèi)，而是在被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的上升沿(下降沿)分別計(jì)數(shù)，克服了被測(cè)信號(hào)±1個(gè)字的誤差。雖然引入了標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)±1個(gè)字的誤差[8]，但是可以通過提高標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間來提高測(cè)量精度。其最大的特點(diǎn)是在整個(gè)頻率測(cè)量范圍內(nèi)都能達(dá)到相同的測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量精度不受被測(cè)信號(hào)的頻率高低的影響。等精度測(cè)頻原理，如圖2所示。

圖2 等精度測(cè)頻原理圖Fig 2 Principle diagram of equal precision frequency measurement

根據(jù)圖2，對(duì)頻率誤差分析如下：假設(shè)預(yù)置門控信號(hào)是一個(gè)脈寬為Tg的脈沖，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率為fB，被測(cè)信號(hào)頻率的真實(shí)值為fA，被測(cè)信號(hào)測(cè)量得到的頻率為fx。在預(yù)置門開啟時(shí)間內(nèi)，被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)分別由2個(gè)高速計(jì)數(shù)器同時(shí)計(jì)數(shù)。設(shè)在一次預(yù)置門時(shí)間Tg中對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為NA，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)值為NB，則

fx/NA=fB/NB.

(1)

計(jì)數(shù)的起停時(shí)間都是由被測(cè)信號(hào)的上升沿(下降沿)觸發(fā)的，使得在測(cè)量時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)NA無誤差。在此時(shí)間內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)NB最多相差一個(gè)脈沖,即|Δet|≤1，則

fA/NA=fB/(NB+Δet),

(2)

fA=fBNA/(NB+Δet).

(3)

根據(jù)相對(duì)誤差公式有

(4)

將式(1)和式(3)代入式(4)可得

ΔfA/fA=|Δet|/NB.

(5)

因?yàn)閨Δet|≤1，所以,|Δet|/NB≤1/NB，即

δf≤1/NB.

(6)

由式(6)可得出以下結(jié)論：頻率測(cè)量精度與被測(cè)信號(hào)頻率無關(guān)，僅與預(yù)置門寬度和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率有關(guān)[9],則通過延長(zhǎng)預(yù)置門時(shí)間Tg和提高標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率fB，可以增大NB，從而減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。

3 基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的等精度頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)圖2，利用Verilog語言在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)上直接實(shí)現(xiàn)同步電路、計(jì)數(shù)器等硬件功能，節(jié)約硬件資源。FPGA通過D觸發(fā)器,使被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)在閘門時(shí)間內(nèi)同步[10], FPGA中D觸發(fā)器的實(shí)現(xiàn)：

module actgate(clk,gatein,gateout);

input clk;

input gatein;

output gateout;

reg gateout;

always@(posedge clk)

begin

gateout<= gatein;

end

endmodule。

FPGA選取的芯片為ALTERA公司的EP2C5T144C8，在QUARTUS 9.0軟件環(huán)境下，通過軟件自帶的邏輯分析儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試結(jié)果，可以直接觀測(cè)到2個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)結(jié)果通過RS—232串口通信發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行后臺(tái)處理。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)

用函數(shù)發(fā)生器輸出的信號(hào)分別模擬靜態(tài)頻率信號(hào)和動(dòng)態(tài)頻率信號(hào)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的頻率計(jì)的可行性，測(cè)量結(jié)果分別如表1、圖3和圖4所示。

由表1可知，本文設(shè)計(jì)的頻率計(jì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的測(cè)量的相對(duì)誤差數(shù)量級(jí)為10-6，可以通過提高FPGA的晶振精度，增大標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率，延長(zhǎng)閘門時(shí)間，從而進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

表1 頻率的靜態(tài)測(cè)量Tab 1 Static measurement of frequency

圖3 頻率的動(dòng)態(tài)測(cè)量(濾波前)Fig 3 Dynamic measurement of frequency(before filtering)

從圖3可以看出:該頻率計(jì)測(cè)量的頻率變化趨勢(shì)基本與函數(shù)發(fā)生器輸出信號(hào)頻率的變化一致(頻率先增大后減小)，但是存在著一處測(cè)量誤差。圖4為加濾波后的測(cè)量結(jié)果,濾波后，消除了測(cè)量誤差，提高了系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性。

圖4 頻率的動(dòng)態(tài)測(cè)量(濾波后)Fig 4 Dynamic measurement of frequency(after filtering)

4.2 測(cè)量硅微諧振式傳感器輸出的頻率信號(hào)

本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的微諧振式傳感器，通過外部信號(hào)調(diào)理電路將外界的紅外輻射量轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，通過測(cè)量頻率達(dá)到測(cè)量紅外輻射量的目的。用紅外光源JSIR350—22—R調(diào)制處于諧振狀態(tài)的紅外諧振器，利用三極管8 550和矩形波控制紅外光源1 s亮，1 s滅，紅外光源距離器件表面2 cm。當(dāng)紅外光源點(diǎn)亮?xí)r，開始采集數(shù)據(jù)，采集時(shí)間為10 s。圖5和圖6分別為安捷倫萬用表34401和本文設(shè)計(jì)的頻率計(jì)測(cè)量的諧振器的輸出頻率。

圖5為安捷倫萬用表通過LabVIEW上位機(jī)程序與PC通信后采集的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)上可以看出，當(dāng)諧振器受到紅外輻射時(shí)，諧振頻率大約下降了16 Hz。圖6為本文設(shè)計(jì)的頻率計(jì)測(cè)量結(jié)果，與圖5比較發(fā)現(xiàn)：利用本文中的等精度頻率計(jì)測(cè)量諧振器動(dòng)態(tài)的頻率，當(dāng)諧振器受到紅外輻射時(shí)，諧振頻率大約下降了15.9 Hz，較好地反映了頻率的變化，實(shí)現(xiàn)了頻率跟蹤，從而反映外界紅外輻射信息。但是，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該測(cè)頻系統(tǒng)依然存在著測(cè)量誤差，這主要是由于諧振式傳感器信號(hào)調(diào)理電路中引入了噪聲，同時(shí)也反映了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的頻率計(jì)抗干擾能力不強(qiáng)。但與安捷倫萬用表相比，該頻率計(jì)具有體積小，采集速度快、經(jīng)濟(jì)節(jié)約等優(yōu)勢(shì)。

圖5 安捷倫萬用表采集的諧振式傳感器紅外輻射的頻率響應(yīng)Fig 5 Frequency response of resonant sensor under infrared radiation measured by Agilent multimeter

圖6 等精度頻率計(jì)采集的諧振式傳感器紅外輻射頻率響應(yīng)Fig 6 Frequency response of resonant sensor under infrared radiation measured by equal precision frequency meter

5 結(jié)束語

本文利用等精度測(cè)頻原理，結(jié)合FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)制作了等精度頻率計(jì)，使用該頻率計(jì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率的相對(duì)誤差數(shù)量級(jí)為10-6。將其應(yīng)用到硅微諧振式傳感器的頻率測(cè)量中，測(cè)得諧振式傳感器在溫漂影響下，輸出頻率的變化穩(wěn)定在±1 Hz，并且成功實(shí)現(xiàn)了諧振式傳感器在紅外輻射下頻率的動(dòng)態(tài)跟蹤。

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Design of equal precision frequency meter applied to silicon micro-resonant sensor*

LI Yan, LI Sen-lin

(College of Electromechanical Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

Aiming at the disadvantages of traditional frequency measurement，using equal precision frequency measurement principle,adopting field programmable gate array(FPGA),design and achieve equal precision frequency meter.The measured signal and standard signal in the gate time are synchronized by controlling the synchronous gate using FPGA eliminate quantization errors and improve measurement precision which doesn’t change with the frequency of the measured signal in the whole measurement frequency segment,that means equal precision measurement is realized.Experimental results show that the order of magnitude of relative errors by measuring standard signals frequence adopting the designed frequency meter is 10-6,and change of output frequency of resonant sensors is stablized in ±1 Hz under the condition of temperature drifts,and dynamic frequency tracking under the infrared radiation is also implemented.

equal precision frequency meter; field programmable gate array(FPGA); controlling synchronous gate; resonant sensor

2013—09—27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61076110)

TN 710

A

1000—9787(2014)04—0080—03

李 琰(1989-)，女，安徽安慶人，碩士，主要研究方向?yàn)閭鞲衅鞯奈⑷跣盘?hào)檢測(cè)。