基于聲表面波傳感器的新型頻率測量法的研究

摘 要： 傳統的頻率測量方法不足之處較多，即使用單一測頻法在頻率的上下限處測量的誤差較大。在此設計了一種新型測頻法及其測量電路。即利用聲表面波帶通濾波器對被測頻率進行預選，高于中界頻率的信號用測頻法，低于中界頻率的信號用側周法，試驗結果表明新型測頻法的硬件電路在輔以高速數字器件后，系統測量精度比傳統測頻法有相對提高，具有在各個行業推廣應用的價值。

關鍵詞： 頻率測量； 聲表面波； 傳感器； 中界頻率

中圖分類號： TN911?34； TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）08?0136?03

Study on a new method of frequency measurement based on SAW sensor

MA Hui?cheng

（Science and Technology Department， Xian Innovation College， Yanan University， Xian 710100， China）

Abstract： The shortcomings of the traditional frequency measuring methods are discussed in this paper. A new method of frequency measurement based on SAW sensor and a measuring circuit are designed. The frequency is preselected by SAW band?pass filter. The signal which is higher than intermediate frequency is measured by the method of frequency measurement and period measurement for others. The hardware circuit is composed of high speed digital devices. The system has high accuracy and is worth to spread.

Keywords： frequency measurement； SAW； sensor； intermediate frequency

傳統的頻率測量是利用頻率計數電路[1]，在規定的時間內對頻率信號進行計數，這個規定的時間就是閘門時間，閘門時間是由雙穩態電路提供的。測得的頻率數值[fx]，是在閘門時間[Tg]內對脈沖的計數值[Nx]與閘門時間[Tg]的比值，即[fx=NxTg]。當頻率計正常運轉時，被計數的信號脈沖首先通過閘門然后輸入計數器，一般狀況下，閘門的打開與閉合與計數脈沖在端口輸入的時間是不同的。因此在相同的閘門時間里，頻率計數器對相同的脈沖信號計數時，最終的顯示值是不一樣的，即有可能產生[±1]個脈沖誤差值[2]。[Nx]會產生誤差，[Tg]也會產生誤差，這些誤差的疊加就構成了實際的測頻誤差。利用晶振來產生基準時間信號[Tg]，方法是晶振的輸出信號[fb]通過[n]級10分頻電路，即[Tg=10n×1fb]。所以，[fx=Nx/Tg=Nx×][fb10n]。最終測頻法的相對誤差[dfxfx]為：

[dfxfx=dNxNx+dfbfb] （1）

[δf=δN+δ0] （2）

式中：[δN=dNxNx=±1Nx]是示值的相對誤差，也叫量化誤差；[δf=dfxfx]是被測頻率信號的相對誤差；[δ0=df0f0]是晶體振蕩器的頻率準確度，可以用來表示頻率信號的穩定程度。

由式（2）可得，，被測頻率的相對誤差由兩方面內容構成。即系統石英晶體振蕩器的頻率穩定度和量化誤差組成。量化誤差與兩個因素相關：被測信號的頻率值得上下限和雙穩態電路的輸出閘門時間。在某一頻率[fx]的值不變的情況下，閘門時間[Tg]越大，誤差值越小，閘門時間[Tg]越短，誤差值越大。如果取閘門時間[Tg]為某一定值時，測量值[fx]越大，誤差越小，測量值[fx]越小，誤差就越大。在檢測過程中就會出現頻率值較低的信號測量精度較低，頻率值較高的信號測量值較高的情況。系統的測頻結果與頻率信號的高低有直接關系。為了避免出現以上的情況，本文設計了一種利用表面聲波器件的新式測頻法。

1 新型測頻法原理

外界的物理量可以影響聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）[3]傳感器輸出頻率的數值。表面聲波傳感器的固有頻率達到了百兆Hz量級，這個頻率太高，因此很難被頻率計精準測量，只有通過成比例的降低頻率才能精準測量。本文的被測量是表面聲波傳感器在進行了差動結構的改進之后輸出的頻率。這個頻率在經過混頻電路之后就處于0～1 MHz之間。這個頻率范圍是可以精準測量的。為了在頻率的兩端都有較高的測量精度和較低的測量誤差，本文設計了利用表面聲波帶通濾波器的新式頻率測量方法。帶通濾波器對于通過的信號有較強的選擇能力，只有信號的頻率在通頻帶內的信號才能無失真的通過。在此可以按照頻率的高低來設計兩個聲表面帶通濾波器，設計方式主要是在插指換能器的密度上按事先計算的結果來排成不同的密度，聲波在諧振腔內的振動頻率由于換能器的密度不同而不同。這樣最終輸出的頻率就根據插指的密度不同而不同，整個系統只要2個帶通濾波器就可以了。將來如果想要實現精度更高的系統，可以考慮多個帶通濾波器的情況，這樣帶通濾波器的設計難度會增加。

頻率信號的測量方式有兩類，高頻段可以測頻以及低頻段可以測周期。至于何時測頻以及何時測周期則要看測量儀器的中界頻率[2][f0]。高于中界頻率的頻率應該選用測頻法，低于中界頻率的頻率應該選用測周期的方法。其中，中界頻率[f0=fcT]；[fc]為測周期時儀器計數脈沖的頻率；[T]為直接測量頻率時規定的閘門開啟時間。利用兩個帶寬分別是[f0，fmax]和[fmin，f0]的聲表面波帶通濾波器[SAWF1]與[SAWF2]就可以判斷頻率信號的數值[4]，實現原理如圖1所示。其中，[fmax]與[fmin]分別是表面聲波傳感器里的敏感元件[SAWR1]輸出信號的頻率[f1]的上限值與下限值。[f1]信號是前端傳感器懸臂梁上表面敏感元件的輸出信號。因為[f1]頻率較高，直接對信號[f1]測量誤差較大，于是選擇傳感器[SAWR1]與[SAWR2]輸出信號的差頻結果[Δf]進行測量，通過對[Δf]的測量可以知道外界加速度的具體數值，通過對[SAWR1]輸出的信號[f1]的測量，通過測量值可以判斷頻率的高低并確定適合的測頻法。

由圖1可見，帶通濾波器[SAWF1]可以讓高于中界頻率的頻率信號通過[5]，而[SAWF2]可以讓低于中界頻率的頻率信號通過。當[f1>f0]時，[SAWF1]輸出高電平并同時觸發三態與門1。被測信號[Δf]經過放大整形后變成了一系列的窄脈沖并輸入到三態與門1。晶體振蕩器輸出的正弦信號（頻率為[fc]，周期為[Tc]），經k次分頻、整形后得到周期為[T1=kTc]的窄脈沖，以此脈沖觸發雙穩態電路1，從雙穩態電路的輸出端即得到所需要的寬度為基準時間[T1]的脈沖信號即閘門時間脈沖，該信號一路輸入到三態與門1，一路輸入到與門1。在三態與門1導通期間[6]，被測頻率[Δf]與閘門時間[T1]為與的關系，即[Δf]只有在[T1]時間內能通過三態與門1，并輸入到計數器計數。雙穩態電路的輸出信號一路輸入到了與門1，與門1的另一個輸入信號是SAWF1的輸出信號[f1]，當[f1>f0]時，[f1]、[T1]為與的關系，與門1輸出高電平信號并觸發計數器開始工作，計數器在[T1]時間內對[Δf]進行計數，假設計數值為[N1]，則[Δf=N1T1]。根據[Δf]的值可以推算出外界加速度的大小。同理，當[f1

2 分頻、計數以及顯示模塊的設計

被測信號的頻率介于0～1 MHz，相對數字電路器件來說信號的頻率稍高。電路各個元器件都有傳輸延遲的現象，高頻信號在測量中就會產生一些誤差，這些誤差體現在計數環節，譯碼環節及數碼顯示環節上。利用D觸發器具有分頻的特性，在正式測量前對信號進行降頻，這樣可以得到一個頻率相對較低的信號。這樣的信號在后續的測量過程中不會帶有太大的誤差。

圖2是后續電路，包括顯示、分頻和計數3個環節。頻率降低的原理是通過D觸發器對輸入被測信號首先進行兩分頻，這樣可以得到輸入信號頻率一半的被測信號。電路的結構是把D觸發器的端口[Q]與D觸發器的置位端口D直接連接從而構成兩分頻電路。觸發器輸出端的輸出信號再送到10進制計數器74LS192D的UP端口，這個信號的頻率很高達到了1 MHz，所以必須用6個數碼管來顯示被測結果。低位計數器的C0端口和高一位的UP端口連接，這樣就可以顯示6位10進制數字。電路圖里J1的功能是對數碼管進行清零操作，以保證測量開始時數碼管都顯示0。整體電路如圖2所示。3 試驗結果及精度分析

利用Multisim 10軟件對測頻電路進行分析。分析過程為選取1 MHz的標準信號，首先進行2分頻，整體電路里的頻率計XFC1對上述信號進行測量，顯示示值為500 kHz。使用軟件自帶的示波器對兩路信號進行觀測， 由圖3、圖4可得2分頻后的信號頻率約為被測信號頻率的一半。測試數據證明所設計的兩分頻電路滿足測量的要求。從表1可以看出，系統在測量時在低頻段的誤差幾乎為0，只有在高頻段才出現了誤差。信號源輸出的頻率為500 kHz時，系統的測量頻率為499 kHz，絕對誤差是1 Hz。信號源輸出的頻率為1 000 kHz時，系統的測量頻率為997 kHz，絕對誤差是3 Hz。

4 結 語

頻率的測量在科學研究工業生產的各個方面都具有很重要的作用，能否得到一個準確的頻率值往往決定了一個檢測系統的優劣。例如：現代很多傳感器輸出的信號具有準數字化特征，這個特征就是信號不用進行模/數轉換就可以直接輸入測量系統進行測量，電路的結構得以簡化，但是這個頻率信號的測量誤差是個難以解決的問題，傳統的測頻法無法解決在頻率的上、下限處測量時產生的較大誤差。本文提出的基于頻率選擇的測頻法在誤差控制上得到了提高，但是還有一些問題尚需解決，例如下一步可以考慮測量理論的具體實現。利用智能系統實現新型頻率測量方法，首先要考慮選用哪種芯片，在電路中還要選取具體的雙穩態電路和相應的觸發器。電路中的濾波與放大電路也要設計合理，只有所有的因素滿足系統的需要，整個系統才能體現出設計目標。

圖4 雙通道示波器顯示圖

表1 試驗數據

參考文獻

[1] 馬惠鋮，劉駿躍.SAW加速度傳感器差動結構的改進[J].制造業自動化，2010（2）：184?185.

[2] 劉駿躍.聲表面波慣性器件傳感檢測研究[D].西安：西北工業大學，2007.

[3] 陳明，范東遠，李歲勞.聲表面波傳感器[M].西安：西北工業大學出版社，1997.

[4] 劉駿躍，陳明.懸臂梁式SAW加速度傳感器的信號特征及測量方案[J].傳感技術學報，2005（4）：733?735.

[5] 李志宏，楊振川，武國英.微機械慣性傳感器[J].電子科技導報，1999（8）：19?24.

[6] 顧英.慣導加速度計技術綜述[J].控制與制導，2001（6）：78?84.