李 琰， 李森林

(中國計量學院 機電工程學院，浙江 杭州 310018)

應用于硅微諧振式傳感器的等精度頻率計設計*

李 琰， 李森林

(中國計量學院 機電工程學院，浙江 杭州 310018)

針對傳統(tǒng)頻率測量中存在的弊端，利用等精度測頻原理，采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)設計實現(xiàn)了等精度頻率計。通過FPGA對同步門的控制,使被測信號和標準信號在閘門時間內(nèi)同步,消除了量化誤差, 提高了測量精度，實現(xiàn)了在整個測試頻段內(nèi)測量精度不隨被測信號頻率的高低而發(fā)生變化，即實現(xiàn)了等精度測量。實驗證明：采用該頻率計測量標準信號頻率的相對誤差數(shù)量級為10-6，測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，而且實現(xiàn)了諧振式傳感器在紅外輻射下頻率的動態(tài)跟蹤。

等精度頻率計； 現(xiàn)場可編程門陣列； 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、響應快、長期穩(wěn)定性好以及與IC工藝兼容,易批量生產(chǎn)等優(yōu)點[1]得到了越來越廣泛的應用，其輸出信號為頻率信號，而頻率信號的測量精度的提高依賴于頻率計精度的提高。

傳統(tǒng)頻率計的設計一般有2種實現(xiàn)方案:一種是采用專用芯片，其特點是簡單易行，但這種芯片的測頻范圍有限，而且測量精度會受到芯片本身的限制無法滿足高精度測量的要求;另一種方案是以單片機為主再附加一些邏輯電路,這種實現(xiàn)方案存在著以下問題：1)不同頻率下測量精度差異很大； 2)相鄰2次測量之間需要清零間斷，難以實現(xiàn)動態(tài)快速測量； 3)在測頻法和測周法的頻率銜接點附近存在著測量精度的跳變； 4)測量范圍有限[2]。這些問題制約了測量結果的精度，降低了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文利用等精度測頻原理[3]，結合FPGA技術，設計了等精度頻率計，有效地解決了測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信號的換能器。本實驗室設計的硅微諧振式傳感器采用電熱激勵[4]，壓阻檢測[5]。敏感元件為微橋，微橋采用雙層結構，采用紅外吸收薄膜材料，上層為等離子體增強化學氣相沉積(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]，輸出動態(tài)變化的頻率信號，通過頻率的變化來反映外界紅外輻射信息。圖1為實驗室設計制作的器件照片。

圖1 本實驗室設計制作的諧振式傳感器Fig 1 Resonant sensors designed and produced in our laboratory

2 等精度測頻原理

頻率測量方法有3種：直接周期測量法、直接頻率測量法和等精度頻率測量法[7]。其中，直接周期測量法是計量在被測信號一個周期內(nèi)標準信號的脈沖數(shù)來間接測量頻率，被測信號頻率越低，則相對誤差越小。直接頻率測量法是在固定的閘門時間內(nèi)，對被測信號的上升沿(下降沿)計數(shù)，這種測量方法會對被測信號產(chǎn)生±1個字的誤差，從而影響測量精度，而且測量精度會隨著被測信號頻率的下降而下降。等精度測頻法是在直接頻率測量法基礎上發(fā)展改進而來，它不是在固定時間內(nèi)，而是在被測信號周期的整數(shù)倍時間內(nèi)對被測信號和標準信號的上升沿(下降沿)分別計數(shù)，克服了被測信號±1個字的誤差。雖然引入了標準信號±1個字的誤差[8]，但是可以通過提高標準信號的頻率延長測量時間來提高測量精度。其最大的特點是在整個頻率測量范圍內(nèi)都能達到相同的測量精度，實現(xiàn)了測量精度不受被測信號的頻率高低的影響。等精度測頻原理，如圖2所示。

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

根據(jù)圖2，對頻率誤差分析如下：假設預置門控信號是一個脈寬為Tg的脈沖，標準頻率信號的頻率為fB，被測信號頻率的真實值為fA，被測信號測量得到的頻率為fx。在預置門開啟時間內(nèi)，被測信號和標準頻率信號分別由2個高速計數(shù)器同時計數(shù)。設在一次預置門時間Tg中對被測信號計數(shù)值為NA，對標準頻率信號的計數(shù)值為NB，則

fx/NA=fB/NB.

(1)

計數(shù)的起停時間都是由被測信號的上升沿(下降沿)觸發(fā)的，使得在測量時間內(nèi)對被測信號的計數(shù)NA無誤差。在此時間內(nèi)對標準信號的計數(shù)NB最多相差一個脈沖,即|Δet|≤1，則

fA/NA=fB/(NB+Δet),

(2)

fA=fBNA/(NB+Δet).

(3)

根據(jù)相對誤差公式有

(4)

將式(1)和式(3)代入式(4)可得

ΔfA/fA=|Δet|/NB.

(5)

因為|Δet|≤1，所以,|Δet|/NB≤1/NB，即

δf≤1/NB.

(6)

由式(6)可得出以下結論：頻率測量精度與被測信號頻率無關，僅與預置門寬度和標準信號頻率有關[9],則通過延長預置門時間Tg和提高標準信號頻率fB，可以增大NB，從而減小測量誤差，提高測量精度。

3 基于現(xiàn)場可編程門陣列的等精度頻率計的實現(xiàn)

根據(jù)圖2，利用Verilog語言在現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)上直接實現(xiàn)同步電路、計數(shù)器等硬件功能，節(jié)約硬件資源。FPGA通過D觸發(fā)器,使被測信號和標準信號在閘門時間內(nèi)同步[10], FPGA中D觸發(fā)器的實現(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，實時監(jiān)測測試結果，可以直接觀測到2個計數(shù)器分別對標準信號和被測信號的計數(shù)值，計數(shù)結果通過RS—232串口通信發(fā)送到計算機進行后臺處理。

4 實驗結果

4.1 測量標準信號

用函數(shù)發(fā)生器輸出的信號分別模擬靜態(tài)頻率信號和動態(tài)頻率信號，驗證了設計實現(xiàn)的頻率計的可行性，測量結果分別如表1、圖3和圖4所示。

由表1可知，本文設計的頻率計對標準信號的測量的相對誤差數(shù)量級為10-6，可以通過提高FPGA的晶振精度，增大標準信號的頻率，延長閘門時間，從而進一步提高測量精度。

表1 頻率的靜態(tài)測量Tab 1 Static measurement of frequency

圖3 頻率的動態(tài)測量(濾波前)Fig 3 Dynamic measurement of frequency(before filtering)

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

圖4 頻率的動態(tài)測量(濾波后)Fig 4 Dynamic measurement of frequency(after filtering)

4.2 測量硅微諧振式傳感器輸出的頻率信號

本實驗室設計的微諧振式傳感器，通過外部信號調(diào)理電路將外界的紅外輻射量轉(zhuǎn)換為頻率信號，通過測量頻率達到測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。當紅外光源點亮時，開始采集數(shù)據(jù)，采集時間為10 s。圖5和圖6分別為安捷倫萬用表34401和本文設計的頻率計測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，當諧振器受到紅外輻射時，諧振頻率大約下降了16 Hz。圖6為本文設計的頻率計測量結果，與圖5比較發(fā)現(xiàn)：利用本文中的等精度頻率計測量諧振器動態(tài)的頻率，當諧振器受到紅外輻射時，諧振頻率大約下降了15.9 Hz，較好地反映了頻率的變化，實現(xiàn)了頻率跟蹤，從而反映外界紅外輻射信息。但是，從實驗結果來看，該測頻系統(tǒng)依然存在著測量誤差，這主要是由于諧振式傳感器信號調(diào)理電路中引入了噪聲，同時也反映了設計實現(xiàn)的頻率計抗干擾能力不強。但與安捷倫萬用表相比，該頻率計具有體積小，采集速度快、經(jīng)濟節(jié)約等優(yōu)勢。

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Fig 5 Frequency response of resonant sensor under infrared radiation measured by Agilent multimeter

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

5 結束語

本文利用等精度測頻原理，結合FPGA技術設計制作了等精度頻率計，使用該頻率計測量標準信號頻率的相對誤差數(shù)量級為10-6。將其應用到硅微諧振式傳感器的頻率測量中，測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，并且成功實現(xiàn)了諧振式傳感器在紅外輻射下頻率的動態(tài)跟蹤。

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[10] 毛智德,呂善偉.基于FPGA的等精度頻率計設計[J].電子測量技術,2006(4):85-86.

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

國家自然科學基金資助項目(61076110)

TN 710

A

1000—9787(2014)04—0080—03

李 琰(1989-)，女，安徽安慶人，碩士，主要研究方向為傳感器的微弱信號檢測。