用於產生頻率參考的裝置及系統以及用於產生頻率參考信號的方法
2023-05-08 18:03:36
用於產生頻率參考的裝置及系統以及用於產生頻率參考信號的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於產生頻率參考的裝置及系統及一種用於產生頻率參考信號的方法。本發明揭示一種用於產生頻率參考的裝置，其包含耦合到集成池(102)以基於由所述集成池中的聲學檢測器(206)檢測的射頻RF產生的壓力波來產生頻率參考信號的頻率參考產生單元(104)。
【專利說明】用於產生頻率參考的裝置及系統以及用於產生頻率參考信號的方法
【技術領域】
[0001]本發明一般來說涉及使用石英增強的光聲頻譜檢測及鎖定氣體的吸收頻譜。
【背景技術】
[0002]可出於各種原因(例如所涉及的頻率或所測量的材料)而使用許多形式的可用頻譜分析。針對每一形式的頻譜，可存在多種實施方法。舉例來說，可使用光源或X射線源作為用於測量氣體的頻譜的能量而執行氣體傳輸頻譜。用以執行頻譜氣體分析的另一方法可涉及使用兩種機制-氣體的光學激發及由經激發氣體形成的壓力波的測量的石英增強的光聲頻譜(QEPAS)。壓力波的形成及檢測可與氣體的特性吸收線一致。QEPAS可用於測量已知氣體樣本的濃度或其可用於確定未知氣體樣本的組合物。
【發明內容】
[0003]一種用於產生頻率參考的裝置包含耦合到集成池以基於由所述集成池中的聲學檢測器檢測的射頻(RF)產生的壓力波來產生頻率參考信號的頻率參考產生單元。
[0004]一種用於產生頻率參考的系統包含:聲學檢測器，其含納於集成池中，所述集成池進一步含有氣體；RF產生與調製單元，其耦合到RF發射器以產生並調製RF信號；所述RF發射器，其用以將所述RF信號發射到所述集成池中，且所述RF信號導致所述氣體中的狀態改變，所述狀態改變致使所述聲學檢測器振動。所述系統進一步包括耦合到所述聲學檢測器以檢測所述聲學檢測器的所述振動的改變的接收器。
[0005]—種用於產生頻率參考信號的方法包含:在含納於集成池中的聲學檢測器處發射RF信號，所述集成池進一步含有氣體；由所述聲學檢測器檢測通過由於所述RF信號的吸收引起的所述氣體的激發而產生的壓力波；及基於激發所述氣體的所述RF信號的頻率產生頻率參考信號。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]針對本發明的示範性實施例的詳細說明，現在將參考所附圖式，其中:
[0007]圖1展示根據各種實施例的頻率參考產生器的框圖；
[0008]圖2展示根據各種實施例的頻率參考產生器的另一實例的框圖；及
[0009]圖3展示根據各種實施例的用於產生頻率參考信號的方法的流程圖。
[0010]符號及命名法
[0011]遍及以下說明及權利要求書使用特定術語來指特定系統組件。如所屬領域的技術人員將了解，公司可以不同名稱提及一組件。本文件不打算區分在名稱但非功能上不同的組件。在以下論述中及在權利要求書中，術語「包含(including) 」及「包括(comprising)」是以開放式方式使用的，且因此應解釋為意指「包含但不限於…」。此外，術語「耦合(couple或couples) 」打算意指間接或直接連接。因此，如果第一裝置耦合到第二裝置，那麼所述連接可通過直接連接或通過經由其它裝置及連接的間接連接。
【具體實施方式】
[0012]以下論述針對於本發明的各種實施例。雖然這些實施例中的一或多者可為優選的，但所揭示的實施例不應被解釋為或以其它方式用作限制包含權利要求書的本發明的範圍。另外，所屬領域的技術人員將理解，以下說明具有廣泛應用，且對任一實施例的論述僅意欲為所述實施例的示範性的，且不打算暗示包含權利要求書的本發明的範圍限於所述實施例。
[0013]石英增強的光聲頻譜(QEPAS)涉及使用光學能量來激發材料(舉例來說，氣體)中的分子吸收狀態以測量所述材料的傳輸/吸收頻譜。分子吸收狀態可對應於在材料的頻譜中測量的吸收線。經激發狀態可呈各種形式(舉例來說，分子圍繞軸的旋轉或分子內的原子的振動)且可取決於氣體分子的結構。經激發狀態還可為能量相依的，其取決於激發能量的頻率或波長而轉化。舉例來說，光學激發可與氣體分子的振動狀態一致且在較高能量/頻率下發生。旋轉狀態可在較低能量/頻率下發生。添加到氣體分子的能量可接著由於所誘發分子振動而形成氣體內的壓力波。所述壓力波可接著由聲學檢測器(例如換能器、調諧音叉或懸臂)檢測。
[0014]光學能量可由一或若干雷射器產生且可使其掃掠通過一頻率範圍。通過使激發能量掃掠通過一頻率範圍，可在所述範圍內對材料執行頻譜分析。氣體在所述範圍中的任何特性吸收線可通過QEPAS方法來測量。基於QEPAS的頻譜系統可為無源的(聲學檢測器可檢測壓力波)或有源的(聲學檢測器由系統電刺激且可檢測由於壓力波引起的振動頻率的改變)。
[0015]除光學激發之外，經修改QEPAS系統還可採用射頻(RF)信號來刺激(舉例來說)氣體分子的激發。經修改QEPAS系統可實施如同光學激發的相同檢測方案中的許多檢測方案。基於RF的QEPAS由於激發束的較低頻率及能量而可替代振動機制誘發氣體中的旋轉機制。對旋轉激發的一個益處為所誘發壓力波的強度可強於由光學激發狀態誘發的壓力波。較強壓力波又可接著被更容易地檢測。另外，RF的使用非常適於多個或單個矽集成電路(IC)晶片中的實施方案。IC產生的RF信號的使用可允許完整的基於QEPAS的頻譜儀縮小為單個印刷電路板可安裝的裝置。除執行頻譜分析之外，此裝置還可用於產生可比常規晶體振蕩器更準確的頻率參考信號(很像電子器件中所使用的時鐘信號)。
[0016]本文中揭示一種使用經修改QEPAS技術來產生頻率參考信號的系統、裝置及方法。經修改QEPAS技術可使用射頻(RF)能量來激發氣體在所述氣體的吸收線處或周圍的分子。經激發氣體可產生可由聲學檢測器檢測的壓力波，所述壓力波又在聲學檢測器的諧振頻率下產生電信號。那些信號可接著經分析以確定吸收線的頻率，所述頻率可接著用作頻率參考信號。
[0017]圖1展示根據如本文中所論述的各種實施例的頻率參考產生器100的框圖。頻率參考產生器100包括集成池102及頻率參考產生單元104。集成池102可含有氣體及聲學檢測器。所述聲學檢測器可為(舉例來說)換能器、懸臂或調諧音叉，且可耦合到頻率參考產生單元104。所述氣體可為展現電磁(EM)頻譜的毫米、雷達及太赫茲(THz)範圍內的旋轉振動吸收機制的任一氣體。旋轉吸收機制可對應於材料傳輸頻譜中的吸收線。舉例來說，水展示處於183.31GHz的強吸收線，其可對應於旋轉激發機制。
[0018]頻率參考產生單元104可基於含納於集成池102中的氣體的吸收線產生頻率參考信號。頻率參考信號的產生可包含產生並調製發射到集成池102中的RF信號的頻率參考產生單元104。頻率參考產生單元104可使用頻率調製(FM)、頻移鍵控(FSK)或兩者的組合調製RF信號。可使RF信號掃掠通過一頻率範圍以檢測氣體的吸收線。一旦已檢測到氣體的吸收線，頻率參考產生單元104便可產生反饋信號以控制產生RF信號的頻率因此以鎖定並跟蹤氣體的吸收線。可從發射RF信號的頻率確定的吸收線的中心頻率可用作頻率參考信號，例如fosc。
[0019]圖2展示根據如本文中所論述的各種實施例的頻率參考產生器100的另一實例的框圖。頻率產生器100包括集成池102及頻率參考產生單元104。集成池102包括聲學檢測器206及氣體，例如水蒸氣。聲學檢測器206可為換能器、懸臂或調諧音叉(列舉幾個實例)且可用於檢測由於氣體的經激發狀態引起的集成池102中的壓力改變。集成池102中的氣體可展現處於在EM頻譜的毫米、雷達及THz頻率中的各種頻率的特性吸收線。這些頻率範圍內的吸收線可對應於氣體中的分子的旋轉激發狀態。
[0020]頻率參考產生單元104可進一步包括RF產生與調製單元202、RF發射器204、接收器208及反饋控制件210。RF產生與調製單元202可產生並調製由RF發射器204發射到集成池102中的RF信號。可最初使RF信號掃掠通過一頻率範圍，因此檢測氣體的吸收線。吸收線可由於環境因素(即，集成池102的溫度及壓力)而並不總是處於同一頻率。因此，可由RF產生與調製單元202首先掃掠通過所關注的吸收線周圍的頻率範圍以找出吸收線。為了幫助氣體的吸收線的檢測及最終跟蹤，可在發射RF信號時採用調製方案，例如FM或FSK。如果使用FM，那麼可使RF信號掃掠通過吸收線周圍的頻率範圍但以可對應於聲學檢測器的諧振頻率的頻率調製所述展現。
[0021]如果使用FSK調製方案，那麼RF產生與調製單元202可產生分離固定頻率範圍的兩個RF信號或音調。兩個音調之間的分離可使得兩個音調在吸收線的半寬度、半最大值點處與氣體的吸收線相交。通過相應地分離兩個音調，兩個音調可在最大斜率點處與吸收線相交。使用最大斜率點可賦予頻率參考產生單元104對鎖定並跟蹤氣體的吸收線的最穩健控制。可以50%工作循環交替發射兩個音調。
[0022]如上文所論述，RF能量可由氣體吸收。氣體分子可接著開始經歷旋轉振動。所誘發旋轉振動可接著產生氣體中的壓力波，所述壓力波可由聲學檢測器206(例如懸臂或調諧音叉)檢測。由於氣體的吸收線具有比奇異函數大的某一寬度，因此壓力波的強度可在RF信號的頻率移動跨越吸收線的頻率時變化。壓力波強度可處於吸收線的中心頻率處的最大值。
[0023]如果在對應於聲學檢測器206的諧振頻率的頻率下產生壓力波，那麼聲學檢測器206可開始在所述頻率下振動。由於壓電效應，聲學檢測器206可接著由於所誘發振動而產生電脈衝。此外，聲學檢測器206可耦合到接收器208。
[0024]RF發射器204及聲學檢測器206可彼此緊密接近。另外，RF發射器204可能不包含經設計天線。如此，RF信號可從與RF發射器204相關聯的固有偶極子輻射。在不使用經設計天線的情況下，RF信號可以在偶極子處起始併集中的單波瓣樣式從RF發射器204向外傳播。通過將聲學檢測器206置於與偶極子緊密接近處，RF發射器204將顯現為聲學檢測器206的點源，此可取消對RF束整形及引導的需要。或者，經設計天線可與RF發射器204包含在一起以整形並引導RF束朝向聲學檢測器206。如果RF發射器204與聲學檢測器206並不彼此緊密接近，那麼可實施整形並引導RF束。RF發射器與聲學檢測器206之間的分離距離可足以允許聲學檢測器206移動且在不與RF發射器204接觸的情況下振動。另外，所述分離距離可為頻率相依的，其可涉及聲學檢測器206移動的位移量。
[0025]接收器208可分析從聲學檢測器206接收的信號以確定何時已檢測到氣體的吸收線。由於聲學檢測器206可僅在氣體正吸收RF能量(意味著發射RF信號的頻率正由氣體吸收)時產生信號，因此分析器將需要確定何時已檢測到吸收線的中心頻率。當使用FM調製時，接收器208可使用峰值檢測方法分析所接收信號。峰值檢測方法可在RF激發能量通過吸收線的中心頻率時分析所接收信號的強度。對應於最大吸收的中心頻率可產生聲學檢測器206中的最強響應。當RF激發能量移動經過吸收線的中心頻率時，所接收信號的強度可減小。接著，可使用處於吸收線的中心頻率周圍的各種RF激發能量的所接收信號強度來確定發生吸收線的中心頻率的頻率。還可使用與不同激發能量相關聯的各種信號強度作為反饋。
[0026]當使用FSK調製時，接收器208可將與兩個音調相關聯的所接收信號的強度彼此進行比較。當兩個音調的所接收信號強度相等時，兩個音調可騎跨吸收線的中心頻率，使得兩個音調之間的中點頻率與吸收線的中心頻率對應。當滿足此條件時,可能檢測到吸收線。與兩個音調相關聯的所接收信號的強度之間的相對差還可由反饋控制單元210用於驅動RF產生與調製單元202。
[0027]反饋控制單元210可耦合到接收器208且可產生驅動RF產生與調製單元202產生並發射的頻率的反饋控制信號。針對FM調製，反饋控制單元210可使用處於吸收線的中心頻率周圍的頻率的信號強度來調整將RF激發能量發射到集成池102中的一或若干頻率。在所接收信號強度波動時，信號之間的差可產生用於驅動RF產生與調製單元202的控制信號。
[0028]當使用FSK調製時，反饋控制單元210可使用對應於兩個音調的所接收信號的強度的相對差來產生控制信號。與兩個音調相關聯的所接收信號強度的差可產生確定應將兩個音調的頻率調整多少及在何種方向(較高或較低頻率)上進行調整的控制信號。舉例來說，如果音調2處於比音調I高的頻率，那麼控制信號可為與音調2相關聯的所接收信號強度減去與音調I相關聯的所接收信號強度。當與音調I相關聯的信號比與音調2相關聯的信號強時，所述差可為負的，此暗示應將頻率調整而更低。當音調2比音調I強時，接著可發生相反情況。
[0029]一旦已檢測到並鎖定到中心頻率，接著頻率參考產生器100便可輸出處於等於吸收線的中心頻率的頻率的頻率的頻率參考信號。此外，由於反饋控制單元210，頻率參考信號可為不變的。通過使用在EM頻譜的毫米、雷達及太赫茲區域中的RF頻率，可在一或多個集成電路(IC)中的矽上製造頻率參考產生單元104的各種組件。集成池102可經構造使得其可安裝到形成頻率參考產生單元104的一或多個1C，從而形成印刷電路板(PCB)可安裝的裝置。
[0030]圖3展示根據如本文中所論述的各種實施例的用於產生頻率參考信號的方法300的流程圖。方法300可由上文所論述的裝置及系統實施以產生頻率參考信號，例如圖1的f0SCO方法300在步驟302處以在含納於集成池中的聲學檢測器處發射RF信號開始，所述集成池進一步含有氣體。所述RF信號可在由RF發射器204發射到集成池102中之前由RF產生與調製單元202產生並調製。另外或替代地，可使RF信號掃掠通過一頻率範圍，其中可遇到含納於集成池102中的氣體的吸收線。
[0031]方法300在步驟304處以由聲學檢測器檢測通過由於RF信號的吸收引起的氣體的激發而產生的壓力波繼續。所述壓力波可由於氣體的分子吸收RF信號的能量而形成。由氣體吸收能量可致使氣體以旋轉方式振動。此意味著，氣體的吸收線可與同氣體相關聯的激發機制(即，旋轉激發)一致，此將誘發氣體的吸收分子的旋轉。旋轉分子可接著產生可由聲學檢測器(例如懸臂或調諧音叉)檢測的壓力波。所述壓力波可致使聲學檢測器在其諧振頻率下振動。聲學檢測器可由於其振動而產生電脈衝或信號。
[0032]方法300在步驟306處以基於激發氣體的RF信號的頻率產生頻率參考信號結束。由聲學檢測器206檢測的壓力波可經分析以確定何時已檢測到氣體吸收線的中心頻率。一旦已檢測到中心頻率，頻率參考產生器100便可使用吸收線的中心頻率作為頻率參考。
[0033]頻率參考產生器100還可用於已知及未知氣體樣本的頻譜分析。通過併入用於移除氣體樣本及將氣體樣本導入到集成池102中的機構，頻率參考產生器102可用於分析各種氣體樣本並產生上文所論述的頻率範圍的傳輸頻譜。相同方法300可經實施以確定所測量樣本中的氣體的吸收線及濃度。
[0034]另外，頻率參考產生器還可通過測量吸收線的中心頻率的移動而用作溫度與壓力傳感器。吸收線的頻率的改變可與壓力及溫度的不同組合相關。
[0035]以上論述意欲說明本發明的原理及各種實施例。一旦完全了解以上揭示內容，所屬領域的技術人員便將顯而易見眾多變化及修改。打算所附權利要求書解釋為囊括所有此類變化及修改。
【權利要求】
1.一種用於產生頻率參考的裝置，其包括: 頻率參考產生單元，其耦合到集成池以基於由所述集成池中的聲學檢測器檢測的射頻RF產生的壓力波來產生頻率參考信號。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述集成池含有氣體。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中所述頻率參考產生單元進一步包括耦合到RF發射器的RF產生與調製組件。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中藉助頻移鍵控方案調製RF信號。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述聲學檢測器產生對應於所述經檢測壓力波的電信號。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中所述頻率參考產生單元進一步包括用以分析檢測到所述壓力波的頻率的接收器。
7.根據權利要求1所述的裝置，其中所述頻率參考產生單元進一步包括用以基於檢測到所述壓力波的所述頻率調整產生所述RF信號的頻率的反饋模塊。
8.根據權利要求1所述的裝置，其中所述聲學檢測器為懸臂。
9.根據權利要求1所述的裝置，其中所述聲學檢測器為調諧音叉。
10.一種用於產生頻率參考的系統，其包括: 聲學檢測器，其含納於集成池中，所述集成池進一步含有氣體； 射頻RF產生與調製單元，其耦合到RF發射器以產生並調製RF信號； 所述RF發射器，其用以將所述RF信號發射到所述集成池中，其中所述RF信號導致所述氣體中的狀態改變，所述狀態改變致使所述聲學檢測器振動 '及 接收器，其耦合到所述聲學檢測器以檢測所述聲學檢測器的所述振動的改變。
11.根據權利要求10所述的系統，其進一步包括用以基於所述聲學檢測器的振動頻率的經檢測改變調整發射所述RF信號的頻率的反饋模塊。
12.根據權利要求10所述的系統，其中所述RF產生與調製單元藉助頻率調製方案調製所述RF信號。
13.根據權利要求10所述的系統，其中所述RF產生與調製單元藉助頻移鍵控方案調製所述RF信號。
14.根據權利要求10所述的系統，其中含納於所述集成池中的所述氣體為水蒸氣。
15.根據權利要求10所述的系統，其中所述聲學檢測器為換能器。
16.根據權利要求10所述的系統，其中所述聲學檢測器為懸臂。
17.一種用於產生頻率參考信號的方法，其包括: 在含納於集成池中的聲學檢測器處發射射頻RF信號，所述集成池進一步含有氣體； 由所述聲學檢測器檢測通過由於所述RF信號的吸收引起的所述氣體的激發而產生的壓力波；及 基於激發所述氣體的所述RF信號的頻率產生頻率參考信號。
18.根據權利要求17所述的方法，其進一步包括基於激發所述氣體的所述RF信號的所述頻率的反饋調整發射所述RF信號的頻率。
19.根據權利要求17所述的方法，其進一步包括使所述RF信號掃掠通過一頻率範圍以定位發生所述氣體的所述激發的所述頻率。
20.根據權利要求17所述的方法，其進一步包括藉助頻移鍵控方案調製所述RF信號。
【文檔編號】G01N29/036GK104251880SQ201410273372
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年6月18日 優先權日:2013年6月25日
【發明者】賈安戈·特朗布利, 菲利普·米歇爾·納多 申請人:德州儀器公司