一種聲表面波諧振器型無線傳感器傳感回波頻率的測試電路的製作方法

2023-11-04 05:18:17 4

一種聲表面波諧振器型無線傳感器傳感回波頻率的測試電路的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種聲表面波諧振器型無線傳感器傳感回波頻率的測試電路，其特徵在於將下變頻後的回波信號高次倍頻，再採用傅立葉變換數字處理方法測出傳感回波頻率。最簡單方法是採用取樣前信號飽和放大電路，使信號畸變，產生高次諧波，實現信號高次倍頻化。本發明的優點是在不加長信號取樣時間長度時，可以較大改進DFT測頻精度。
【專利說明】一種聲表面波諧振器型無線傳感器傳感回波頻率的測試電 路

【技術領域】
[0001] 本發明涉及聲表面波諧振器領域，具體而言，涉及一種聲表面波諧振器型無線傳 感器傳感回波頻率的測試電路。

【背景技術】
[0002] 聲表面波諧振器是利用在壓電基片上製作的叉指換能器和周期反射柵陣等金屬 電極結構形成聲表面波諧振腔，基於（逆）壓電效應實現電學諧振的無源電子元件，已在現 代電子技術得到廣泛應用。
[0003]由於聲表面波諧振器的固有諧振頻率會被所處環境溫度影響而產生微弱變化 (圖1)，其變化幅度主要取決於壓電基片溫度特性。檢測此頻率變化就可推知環境溫度的 改變，即聲表面波諧振器具有輸出準數位訊號的溫度傳感功能。
[0004]由於聲表面波器件的叉指換能器，能直接連接天線，收發無線電波，具有無線通信 功能，所以聲表面波諧振器是最簡單的無線無源傳感器件。
[0005]同樣，採用特殊設計的壓電基片結構，聲表面波諧振器的固有諧振頻率會被所處 環境中某一種應力影響而產生微弱變化，就構成對該應力敏感的傳感器。由於聲表面波諧 振器溫度傳感器已有商品，故本發明以溫度傳感器作為代表，說明本發明的具體實現。
[0006]聲表面波無線溫度傳感器系統，基於超高頻電磁波反向散射探測機理，採用聲表 面波諧振器作為溫度敏感元件，具有小型無源和全天候應用特點，能應用於智能電網、食品 安全等民用領域，實現聯網實時監測相關環境溫度，將在未來物聯網發展中發揮其獨特作 用。
[0007]基於聲表面波諧振器的無線傳感系統由應答器和閱讀器組成（圖2)。
[0008]應答器僅由聲表面波諧振器和天線封裝而成（圖3)，其中電感作用是阻抗匹配和 防幹擾。它被同頻脈衝激勵時，會被動發射回波（圖4,下稱為傳感回波）。
[0009]閱讀器是一個簡化雷達，功能有二：一是主動發射激勵載波（頻率為f〇)脈衝，二 是接收傳感器回波並測量其頻率fc。當激勵載波頻率f〇與傳感諧振器諧振頻率fc十分相 近時，會產生較強傳感回波，極限時（f〇 =fc)，回波幅度最大，且延續時間最長。
[0010] 系統工作原理如下：閱讀器主動發射一個激勵載波（頻率f〇)脈衝，應答器天線 接收後饋電到聲表面波諧振器，使其產生受迫振蕩，並發回激勵脈衝響應回波（圖4左部波 形），同時儲存電磁波能量在聲表面波諧振器內。激勵脈衝發射完後，應答器的聲表面波諧 振器將以其固有諧振頻率fc向外發射其儲存的電磁波能量，形成諧振器傳感響應回波（圖 4右部波形）。應答器傳感響應回波為一幅度哀減的調幅商頻 /[目號，由於此回波商頻頻率是 受環境溫度影響的聲表面波諧振器的固有特徵，已攜帶環境溫度參量的影響，所以閱讀器 接收回波後經過處理即可得到環境溫度參量實時值，完成待測環境溫度無線傳感功能。 [0011] 傳感回波頻率測試方法雖是成熟的電路技術，但由於傳感回波是短時脈衝信號， 要得到實用化的頻率測試精度，需要對測試電路優化和改進，主要有如下幾類考慮。
[0012] 採用雷達原理的無線傳感系統，工作頻率至少數MHz，甚至採用（2. 4?5)GHz的 ISM頻段，下變頻變換可以減低測試電路難度，所以下變頻是必要的。下變頻變換時，待測頻 率被下移一固定頻率值（fc，由穩定頻率源提供，穩頻精度大於測頻系統要求，即不影響頻 率測量精度）後成為一中頻信號，此信號頻率絕對變化值與溫度的關係維持不變。也就是 說，傳感回波頻率溫度特性依然相同於應答器溫度靈敏度特性。
[0013] 數位技術是現代信息化的基礎，數位訊號處理已成為標準技術廣泛應用於各類測 試系統。信號取樣方法和離散傅立葉變換（DFT)是信號時域與頻域特性的紐帶，在數字信 號處理中起著關鍵作用。
[0014] 由此，通用閱讀器由天線、發射單元、接收單元和控制部分構成（圖4)，其中接收 單元由前置放大、高速取樣和數位訊號處理等亞單元組成。
[0015] 數位訊號處理亞單元用於取樣信號序列的數位化處理，最常用的是離散傅立葉變 換，取樣頻率一般為待測最高頻率的數倍，可以獲得取樣序列信號頻譜，實現短時脈衝回波 頻率測試。
[0016] 由DFT理論得知，頻率解析度（即傅立葉頻率標度間隔）是離散時間序列長度的 倒數，如採樣IOus信號，頻率解析度即為100kHz。說明如下：
[0017]設回波頻率f,取樣速率fs，取樣時長Ts，總取樣點數為：
[0018]N=Ts*fs
[0019] 頻率測試解析度df為
[0020] df=fs/N= 1/Ts
[0021] 對於短時信號，Ts很短，例如聲表面波諧振器無線傳感器的有效傳感回波長度一 般IOus左右，故頻率測試解析度僅IOOkHz，對常用溫度遙測的傳感器（應答器溫度靈敏度 約lOkHz/K)，造成的溫度測試誤差為+/_5°C，實用困難。
[0022] 有些測試者認為採用多次測量可以減小測量誤差，這是不科學的，因為多次測量 只能減小隨機誤差，而DFT變換測頻方法的誤差是方法誤差，採用多次測量是無法避免的。 詳細說明如下。
[0023] 如上述，DFT的頻率標度是由取樣時間長度Ts確定的，頻標間隔為1/Ts，DFT結果 只能記為標度值之一，即DFT方法測頻精度不小於頻標間隔。
[0024] 例如，某設備採用下變頻技術，待測頻率範圍為（0.5?1.5)MHz，應答器晶片 溫度係數為+lOkHz/K，傳感回波取樣時長Ts為10us，相應頻標間隔為0. 1MHz，設頻標 為0. 5MHz，0. 6MHz，0. 7MHz。。。。1.5MHz。若待測環境溫度為30度時，回波頻率實際值 為1.062MHz，該設備採用DFT方法測得的結果記為I. 1MHz，若系統測試狀態穩定，即每 次DFT變換得到的值都為I.IMHz。當環境溫度上升到38度時，傳感回波頻率實際值也上 升為I. 142MHz，該設備測得結果也只能記為I. 1MHz，多次測試後，DFT變換得到的值都為 I. 1MHz。也就是說，溫度30度和38度，得到的DFT結果是一樣的，說明設備測試精確度再 好，或重複更多次測量，也受限於DFT方法。
[0025] 提高DFT方法測頻精度的主要途徑是加大取樣時長，如增加應答器接收激勵信號 能量、提高應答器晶片Q值和加大回波測試信噪比等。


【發明內容】

[0026] 正如現有技術所述，DFT方法的頻率標度是由取樣時間長度Ts確定的，對於實際 測試，加長信號取樣長度困難極大。下面再仔細研究頻率解析度，能否找到提高測試精度的 其他途徑。
[0027]DFT頻標間隔，僅與取樣時間長度Ts有關，與待測頻率無關，即DFT絕對測試精度 不變。由此，待測頻率越高，相對測試精度也越好。
[0028] 設想，如果將待測頻率倍頻後，DFT得到同樣的頻率測試精度，換算回基頻，相當於 提高了基頻測試精度。例如在上述系統中，環境溫度30度時，回波頻率實際值為I. 062MHz， 基頻取樣後，DFT測頻得I.IMHz，誤差+0. 038MHz;三次倍頻後，DFT測頻為3. 2MHz，換算為 基頻I. 07MHz，誤差+0. 008MHz;五次倍頻後，DFT測頻為5. 3MHz，換算為基頻I. 06MHz，誤 差-0. 002MHz，對應溫度示值誤差僅-0. 2°C。當環境溫度上升為38度時，五次倍頻後測得 基頻換算值為I. 14MHz，誤差-0. 002MHz，對應溫度示值誤差僅-0. 2°C。明顯提高了測試精 度。
[0029] 由此，只要將待測短時信號倍頻後再進行DFT處理，測頻精度會較大提高，提高程 度隨倍頻次數加大。
[0030] 信號倍頻方法很多，本發明特別推薦採用取樣前信號飽和放大電路，使信號畸變， 產生高次諧波，實現信號高次倍頻。採用信號過載使其諧波化的技術，電路簡單易行。
[0031] 基於上述理由，本發明採用的技術方案為：
[0032] -種聲表面波諧振器型無線傳感器傳感回波頻率的測試電路，其特徵在於將下變 頻後的回波信號高次倍頻，再採用傅立葉變換數字處理方法測出傳感回波頻率。最簡單方 法是採用取樣前信號飽和放大電路，使信號畸變，產生高次諧波，實現信號高次倍頻化。
[0033] 本發明的優點是在不加長信號取樣時間長度時，可以較大改進DFT測頻精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1溫度檢測用聲表面波諧振器諧振頻率的溫度特性。
[0035] 圖2聲表面波諧振器型溫度傳感系統。
[0036] 圖3聲表面波諧振器型溫度傳感應答器電路。
[0037] 圖4聲表面波諧振器型溫度傳感系統應答器回波。
[0038] 圖5通用聲表面波諧振器型溫度傳感系統閱讀器框圖。
[0039] 圖6採用本發明的聲表面波諧振器型溫度傳感系統閱讀器框圖。
[0040] 圖7採用本發明的閱讀器中信號諧波產生部分的實施例。
[0041] 圖8理想單頻正弦波諧波化前後波形（局部放大）。
[0042] 圖9理想單頻正弦波諧波化後的取樣信號。
[0043] 圖10理想單頻正弦波諧波化後的傅立葉頻譜。
[0044] 圖11回波諧波化後取樣信號（實施例）。
[0045] 圖12回波諧波化後取樣信號的傅立葉頻譜（實施例）。

【具體實施方式】
[0046] 以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0047] 本發明是一種聲表面波諧振器型無線傳感器傳感回波頻率的測試電路，其特徵在 於將下變頻後的回波信號高次倍頻，再採用傅立葉變換數字處理方法測出傳感回波頻率。 最簡單方法是採用取樣前信號飽和放大電路，使信號畸變，產生高次諧波，實現信號高次倍 頻化。
[0048] 如前述，信號倍頻方法很多，本發明特別推薦採用取樣前信號飽和放大電路，使信 號畸變，產生高次諧波，實現信號高次倍頻。採用信號過載使其諧波化的技術，電路簡單易 行。下面以採用信號過載使其諧波化的技術的實用例來說明本發明細節。
[0049] 圖7為採用本發明電路的閱讀器中信號諧波化部分的實施例。圖中IFP、IFN為下 變頻部分混頻器輸出的中頻差分信號，經過運放Ul轉化為單端信號，通過設置RUR2、R3、 R4的值使得中頻信號飽和，實現待測信號諧波化。
[0050] 由於Ul輸出信號飽和，超出了ADC採樣電平要求，U2用於調節電平使諧波化信號 滿足採樣要求。R5、R6用於調節峰峰值，R7、R8用於調節直流偏置。
[0051]圖8?圖10為採用理想單頻信號模擬來說明本發明採用的信號諧波化測頻機制。 單頻信號為正弦波，中心頻率I. 025MHZ，取樣速率17Mb/s，其諧波為基頻和三、五、七次三 個奇次諧波合成：
[0052]sin(2πft) +0. 25sin(6πft) +0. 0815sin(10πft)) +0. 0163sin(14πft)
[0053] 圖8表示單頻正弦波諧波化前後波形的差異，諧波化的信號，矩形度明顯增大。
[0054] 圖9為取樣後脈衝波形，取樣時長20us，對應傅立葉頻標50kHz。圖10為傅裡 葉變換頻譜，得到基頻、三次、五次和七次頻譜峰，前三個峰對應頻率值分別為：1. 〇5MHz， I. 033MHz，I. 030MHz，其頻標誤差分別為：+/-25kHz，+/-8. 3kHz，+/-5kHz.顯然，信號諧波 化後測試精度提高明顯。
[0055] 由於必須對信號的高次諧波有效取樣，採用本發明時，數位化處理子系統的取樣 頻率理應提高，至少為三次諧波頻率的一倍以上。如要檢測五次諧波，取樣頻率至少為待測 信號頻率的十倍。由於採用了下變頻技術，以及現今高速取樣技術的發展，以上問題容易解 決。
[0056] 圖11?圖12為採用本發明電路的試驗樣機測試結果。試驗樣機中採用了飽和放 大使波形畸變的信號諧波化方法，具體電路部分如圖7。當然，使信號諧波化的方法有許多， 都可以實現本發明，本實施例只是一種較為簡便的方法。
[0057] 現有一 433MHz諧振器，20°C時固有諧振頻率為433. 0MHz，溫度係數+10kHz/K。閱 讀器採用下變頻接收，本振頻率432. 0MHz，取樣速率16. 7785MHz，取樣時長17.88us(取樣 點數301點），系統測頻的頻率解析度為0. 0559MHz。圖11為回波諧波化取樣信號，圖12 為回波諧波化取樣信號傅立葉頻譜，下表小結了十次測量數據：
[0058]

【權利要求】
1. 一種聲表面波諧振器型無線傳感器傳感回波頻率的測試電路，其特徵在於：將下變 頻後的回波信號高次倍頻，再採用傅立葉變換數字處理方法測出傳感回波頻率。
2. 根據權利要求1所述的測試電路，其特徵在於：採用取樣前信號飽和放大電路，使信 號畸變，產生高次諧波，實現信號高次倍頻化。
【文檔編號】G01R23/02GK104316761SQ201410580124
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】夏前亮, 陳培杕, 劉眾, 胡建學, 孫建萍 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所