FBAR傳感器信號處理電路的設計*

秦 杰,楊 洋,熊 娟,顧豪爽

（湖北大學 物理學與電子技術學院,湖北 武漢430062）

近年來，隨著射頻無線通信技術和半導體工藝的迅猛發展，傳統的傳感器也正向微型化、智能化、信息化轉變。以薄膜體聲波諧振FBAR(Film Bulk Acoustic Wave)技術為基礎的微質量傳感器因其具有體積小、頻率覆蓋范圍廣、頻帶寬、Q值高、帶外抑制高(大約 50 dB)、功率容量大、溫度系數小、可與半導體工藝兼容等優勢，顯示出廣闊的應用前景。

傳統的FBAR質量傳感器由FBAR器件和信號處理電路組成。在實際應用中，為了使微質量傳感器方便使用，需要設計出一塊包含了信號處理和信號數字量讀取并輸出的電路[1]。由于FBAR微質量傳感器的信號頻率為1GHz～2GHz甚至更高，普通的CMOS電路直接對該頻率信號進行采集處理難度比較大，且難以保證精度。目前通常采用對頻率信號先用N分頻電路進行分頻，使FBAR的輸出頻率降至CMOS電路可以處理的頻率，再進行信號讀取。本文采用雙通道結構，模擬與數字相結合的方法進行信號的處理,先利用模擬電路進行信號的處理，再利用數字電路對處理過的信號進行周期或者頻率的讀取。

1 系統構成

根據Rayleigh理論,機電系統的諧振本質上是系統中動能和勢能的平衡，在FBAR表面加載一定微擾量的物質后，原先的能量平衡被破壞，為了實現新的平衡，諧振頻率必然降低，通過FBAR諧振頻率的變化可以反推出加載在表面微擾量的大小。根據這個原理設計的信號處理電路結構如圖1所示。該電路采用雙通道結構，利用兩個FBAR振蕩器，其中一路作為參考，另外一路作為傳感器吸附微小質量，由兩個振蕩頻率的差值可推算得到微小質量的變化。采用差分的方式可以消除FBAR工作環境因素的不利影響，同時可靠性和檢測精度也會得到提高[2]。

圖1 FBAR微質量傳感器信號處理電路原理框圖

FBAR微質量傳感電路由振蕩、混頻、濾波、波形整形、頻率檢測、顯示六部分組成。在具體的設計中先利用正反饋原理，采用電容式反饋讓FBAR起振,將質量變化的物理量轉化為正弦頻率的電信號，經過Motorola的MC1596混頻器的混頻，然后濾波，最后通過搭建的整形電路進行整形就可得到一個方波信號。頻率檢測是為了準確地檢測這個方波信號的頻率。

2 FPGA功能模塊

在頻率檢測的模塊中，以QuartusⅡ為開發工具，分別對頻率檢測的各個模塊進行了VHDL描述。通過仿真驗證其功能都得到了實現，最后的頂層設計仿真也說明頻率檢測是符合要求的。頻率檢測先把經過模擬電路處理好的信號送入量程選擇模塊，選擇相應的檔位，一路信號送入小數點產生模塊，另外一路信號送入計數時鐘和閘門產生模塊；經過對石英晶振和被測信號的二分頻產生計數時鐘和閘門信號，再送入周期測量模塊測出被測信號的周期，按照需要還可以把信號送入除法器得到頻率；最后通過選擇器來選擇周期或者頻率并送入相對應小數點的模塊，最終送入顯示模塊。其電路框圖如圖2所示。

圖2 頻率檢測模塊電路框圖

2.1 量程選擇模塊

量程選擇模塊主要實現一個周期測量的計數器，用被測信號周期作為閘門的長度，用晶振時鐘作為計數時鐘，根據所記的數值來選擇量程編號。該模塊采用7位BCD計數器計數。把被測信號進行二分頻然后送入到計數器的清零端，即可實現被測信號的二分頻為低電平進行計數器計數,在被測信號的二分頻為高電平時清零。7位BCD計數器主要輸出2路信號，一個為進位信號count，另外一個為標志每一位 BCD數 zeros[6,0]是否為0,根據zeros[6,0]通過簡單的組合邏輯譯碼電路即可選擇量程編號。輸出結果通過寄存器鎖存，當計數器清零時，結果仍然保存在寄存器中。寄存器中的數據通過一個組合邏輯的譯碼電路顯示出最終所需要的量程編號。

從圖3所示仿真波形可見，當被測信號的頻率為25 kHz時得到量程5，符合前面的分析。

2.2 時鐘和閘門模塊

時鐘信號可能是晶振時鐘或者晶振時鐘的10分頻，閘門信號可能是待測信號的 10分頻、102分頻、103分頻、104分頻、105分頻、106分頻。而閘門信號的分頻問題可用量程估計模塊所用的zeros[6,0]解決。例如zeros(2)代表7位BCD計數器的百位是否為0。假如要實現103分頻，則 zeros(2)為高電平占 100個計數周期，zeros(2)為低電平占900個周期。時鐘信號是晶振時鐘或者晶振時鐘的10分頻，晶振時鐘的10分頻可通過1個模為10的計數器輕松實現。

時鐘和閘門模塊仿真波形如圖4所示。圖中被測信號的頻率為 25 kHz,輸出的時鐘為10MHz，輸出的閘門信號 gate寬度為 40ms。

2.3 周期計數模塊

周期計數模塊使用一個7位BCD計數來實現計數的穩定輸出，采用2個寄存器來實現。通過前1個寄存器實現清零不鎖存數據，后1個寄存器實現清零鎖存數據[3]。最終實現了不輸出中間計數結果、只穩定輸出最終結果的目的。周期計數模塊仿真波形如圖5所示。

當閘門信號分別為100μs和10μs時，因為被測信號經過二分頻才產生閘門信號，所以被測信號為 50μs和 5μs，圖5中的相應的輸出值為 49.9μs和 4.9μs，兩者的誤差都不大。

2.4 除法器模塊

除法器模塊的任務是周期到頻率的轉換。為了保證精度，決定輸出結果也采用7位BCD數。這樣被除數就需要達到1013。因為前面為了使計數都達到 106～107，閘門的寬度經過不同程度的分頻，時間都在 0.1 s～1 s，除法器可以采用時序較慢的時序邏輯電路。這就意味著可以把除法運算轉化成減法運算，相當于1013減去多少個閘門時間T[4]。因為高7位只是借位，實際發生變化的是低7位。因此，為了實現除法運算，需要一個7位減法器來運算低7位被除數減去除數T，需要一個減法計數器來保存被除數高7位BCD數，還需要一個7位 BCD加法器來保存做過的減法運算的次數。除法器的結構框圖如圖6所示。

這里還涉及了一個狀態轉換，于是采用了狀態機這個概念。狀態機相當于一個電路控制系統，負責寄存器的被除數和除數的加載、清零以及計數器的清零和計數等功能[5]。狀態s0表示就緒狀態，負責各個寄存器和計數器的清零和加載。s0持續一個晶振周期后自動轉換到s1。在s1狀態下，做減法運算，直到 7位 BCD減法計數器為0，代表被除數高7位全部借完，此時狀態s1結束，轉為狀態s2，即把7位 BCD加法器的結果輸出到寄存器B。

圖7所示為除法器的仿真波形。可以看到，狀態機先從001(s0)經過1個周期的等待無條件地轉換到 010(s1)；當zeros產生高電平，即借位完畢時再轉換到100(s2)并輸出結果。

2.5 小數點模塊

由于精度的要求，改變了閘門的大小，使讀數始終保持 106～107，這就需要小數模塊來實現讀數的準確化。因為假如讀數都是4×106，如果沒有小數點的選擇，將不知道這個數到底表示多大的周期或者頻率。小數點的顯示與量程的選擇其實是一一對應的。例如0.01μs，小數點控制位顯示0000100。在周期模式里，小數對應方式為：量程0對應0000001，量程 1對應 0000010，量程 2對應 0000100，量程3對應0001000，量程4對應0010000，量程5對應0100000，量程 6對應 1000000，量程 7對應 1111111。 在頻率模式下，小數對應方式為：量程 0對應1111111，量程 1對應 1000000，量程 2對應 0100000，量程 3對應0010000，量程 4對應 0001000，量程 5對應 0000100，量程6對應0000010，量程7對應0000001。小數點仿真波形如圖8所示。

最后把所有的模塊連接起來，可實現對頂層設計的仿真，仿真波形如圖9所示。

由圖可知，5MHz的被測信號的周期為 0.2 s,實驗所得為 0.199 999 9s，相對誤差為 1×10-6。

本設計通過模擬電路和數字電路的結合，實現了微質量傳感器把質量向頻率的轉換，并能準確地顯示出該信號的頻率或者周期。通過對所設計的電路的仿真和實驗，驗證了其可行性。

[1]王振紅.VHDL與數字電路設計與應用實踐教程[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]王永良,宋政湘.基于FPGA的同步測周期高精度數字頻率計的設計[J].電子設計應用，2004(12):74-76.

[3]駱舒萍.基于 QuartusⅡ軟件平臺的八位數字頻率計設計[J].漯河職業技術學院學報，2011,10(2):20-23.

[4]楊守良.基于FPGA的數字頻率計的設計和實現[J].現代電子技術，2005(11):118-120.

[5]劉昌華.數字邏輯EDA設計與實踐[M].北京：國防工業出版社，2006.