一種聲表面波諧振器型無(wú)線傳感器傳感回波頻率的測(cè)試電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種聲表面波諧振器型無(wú)線傳感器傳感回波頻率的測(cè)試電路，其特征在于將下變頻后的回波信號(hào)高次倍頻，再采用傅里葉變換數(shù)字處理方法測(cè)出傳感回波頻率。最簡(jiǎn)單方法是采用取樣前信號(hào)飽和放大電路，使信號(hào)畸變，產(chǎn)生高次諧波，實(shí)現(xiàn)信號(hào)高次倍頻化。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在不加長(zhǎng)信號(hào)取樣時(shí)間長(zhǎng)度時(shí)，可以較大改進(jìn)DFT測(cè)頻精度。
【專利說(shuō)明】一種聲表面波諧振器型無(wú)線傳感器傳感回波頻率的測(cè)試電 路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聲表面波諧振器領(lǐng)域，具體而言，涉及一種聲表面波諧振器型無(wú)線傳 感器傳感回波頻率的測(cè)試電路。

【背景技術(shù)】
[0002] 聲表面波諧振器是利用在壓電基片上制作的叉指換能器和周期反射柵陣等金屬 電極結(jié)構(gòu)形成聲表面波諧振腔，基于（逆）壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電學(xué)諧振的無(wú)源電子元件，已在現(xiàn) 代電子技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。
[0003]由于聲表面波諧振器的固有諧振頻率會(huì)被所處環(huán)境溫度影響而產(chǎn)生微弱變化 (圖1)，其變化幅度主要取決于壓電基片溫度特性。檢測(cè)此頻率變化就可推知環(huán)境溫度的 改變，即聲表面波諧振器具有輸出準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)的溫度傳感功能。
[0004]由于聲表面波器件的叉指換能器，能直接連接天線，收發(fā)無(wú)線電波，具有無(wú)線通信 功能，所以聲表面波諧振器是最簡(jiǎn)單的無(wú)線無(wú)源傳感器件。
[0005]同樣，采用特殊設(shè)計(jì)的壓電基片結(jié)構(gòu)，聲表面波諧振器的固有諧振頻率會(huì)被所處 環(huán)境中某一種應(yīng)力影響而產(chǎn)生微弱變化，就構(gòu)成對(duì)該應(yīng)力敏感的傳感器。由于聲表面波諧 振器溫度傳感器已有商品，故本發(fā)明以溫度傳感器作為代表，說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)。
[0006]聲表面波無(wú)線溫度傳感器系統(tǒng)，基于超高頻電磁波反向散射探測(cè)機(jī)理，采用聲表 面波諧振器作為溫度敏感元件，具有小型無(wú)源和全天候應(yīng)用特點(diǎn)，能應(yīng)用于智能電網(wǎng)、食品 安全等民用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)環(huán)境溫度，將在未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中發(fā)揮其獨(dú)特作 用。
[0007]基于聲表面波諧振器的無(wú)線傳感系統(tǒng)由應(yīng)答器和閱讀器組成（圖2)。
[0008]應(yīng)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 防干擾。它被同頻脈沖激勵(lì)時(shí)，會(huì)被動(dòng)發(fā)射回波（圖4,下稱為傳感回波）。
[0009]閱讀器是一個(gè)簡(jiǎn)化雷達(dá)，功能有二：一是主動(dòng)發(fā)射激勵(lì)載波（頻率為f〇)脈沖，二 是接收傳感器回波并測(cè)量其頻率fc。當(dāng)激勵(lì)載波頻率f〇與傳感諧振器諧振頻率fc十分相 近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)傳感回波，極限時(shí)（f〇 =fc)，回波幅度最大，且延續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。
[0010] 系統(tǒng)工作原理如下：閱讀器主動(dòng)發(fā)射一個(gè)激勵(lì)載波（頻率f〇)脈沖，應(yīng)答器天線 接收后饋電到聲表面波諧振器，使其產(chǎn)生受迫振蕩，并發(fā)回激勵(lì)脈沖響應(yīng)回波（圖4左部波 形），同時(shí)儲(chǔ)存電磁波能量在聲表面波諧振器內(nèi)。激勵(lì)脈沖發(fā)射完后，應(yīng)答器的聲表面波諧 振器將以其固有諧振頻率fc向外發(fā)射其儲(chǔ)存的電磁波能量，形成諧振器傳感響應(yīng)回波（圖 4右部波形）。應(yīng)答器傳感響應(yīng)回波為一幅度哀減的調(diào)幅商頻 /[目號(hào)，由于此回波商頻頻率是 受環(huán)境溫度影響的聲表面波諧振器的固有特征，已攜帶環(huán)境溫度參量的影響，所以閱讀器 接收回波后經(jīng)過(guò)處理即可得到環(huán)境溫度參量實(shí)時(shí)值，完成待測(cè)環(huán)境溫度無(wú)線傳感功能。 [0011] 傳感回波頻率測(cè)試方法雖是成熟的電路技術(shù)，但由于傳感回波是短時(shí)脈沖信號(hào)， 要得到實(shí)用化的頻率測(cè)試精度，需要對(duì)測(cè)試電路優(yōu)化和改進(jìn)，主要有如下幾類考慮。
[0012] 采用雷達(dá)原理的無(wú)線傳感系統(tǒng)，工作頻率至少數(shù)MHz，甚至采用（2. 4?5)GHz的 ISM頻段，下變頻變換可以減低測(cè)試電路難度，所以下變頻是必要的。下變頻變換時(shí)，待測(cè)頻 率被下移一固定頻率值（fc，由穩(wěn)定頻率源提供，穩(wěn)頻精度大于測(cè)頻系統(tǒng)要求，即不影響頻 率測(cè)量精度）后成為一中頻信號(hào)，此信號(hào)頻率絕對(duì)變化值與溫度的關(guān)系維持不變。也就是 說(shuō)，傳感回波頻率溫度特性依然相同于應(yīng)答器溫度靈敏度特性。
[0013] 數(shù)字技術(shù)是現(xiàn)代信息化的基礎(chǔ)，數(shù)字信號(hào)處理已成為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各類測(cè) 試系統(tǒng)。信號(hào)取樣方法和離散傅里葉變換（DFT)是信號(hào)時(shí)域與頻域特性的紐帶，在數(shù)字信 號(hào)處理中起著關(guān)鍵作用。
[0014] 由此，通用閱讀器由天線、發(fā)射單元、接收單元和控制部分構(gòu)成（圖4)，其中接收 單元由前置放大、高速取樣和數(shù)字信號(hào)處理等亞單元組成。
[0015] 數(shù)字信號(hào)處理亞單元用于取樣信號(hào)序列的數(shù)字化處理，最常用的是離散傅里葉變 換，取樣頻率一般為待測(cè)最高頻率的數(shù)倍，可以獲得取樣序列信號(hào)頻譜，實(shí)現(xiàn)短時(shí)脈沖回波 頻率測(cè)試。
[0016] 由DFT理論得知，頻率分辨率（即傅里葉頻率標(biāo)度間隔）是離散時(shí)間序列長(zhǎng)度的 倒數(shù)，如采樣IOus信號(hào)，頻率分辨率即為100kHz。說(shuō)明如下：
[0017]設(shè)回波頻率f,取樣速率fs，取樣時(shí)長(zhǎng)Ts，總?cè)狱c(diǎn)數(shù)為：
[0018]N=Ts*fs
[0019] 頻率測(cè)試分辨率df為
[0020] df=fs/N= 1/Ts
[0021] 對(duì)于短時(shí)信號(hào)，Ts很短，例如聲表面波諧振器無(wú)線傳感器的有效傳感回波長(zhǎng)度一 般IOus左右，故頻率測(cè)試分辨率僅IOOkHz，對(duì)常用溫度遙測(cè)的傳感器（應(yīng)答器溫度靈敏度 約lOkHz/K)，造成的溫度測(cè)試誤差為+/_5°C，實(shí)用困難。
[0022] 有些測(cè)試者認(rèn)為采用多次測(cè)量可以減小測(cè)量誤差，這是不科學(xué)的，因?yàn)槎啻螠y(cè)量 只能減小隨機(jī)誤差，而DFT變換測(cè)頻方法的誤差是方法誤差，采用多次測(cè)量是無(wú)法避免的。 詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0023] 如上述，DFT的頻率標(biāo)度是由取樣時(shí)間長(zhǎng)度Ts確定的，頻標(biāo)間隔為1/Ts，DFT結(jié)果 只能記為標(biāo)度值之一，即DFT方法測(cè)頻精度不小于頻標(biāo)間隔。
[0024] 例如，某設(shè)備采用下變頻技術(shù)，待測(cè)頻率范圍為（0.5?1.5)MHz，應(yīng)答器芯片 溫度系數(shù)為+lOkHz/K，傳感回波取樣時(shí)長(zhǎng)Ts為10us，相應(yīng)頻標(biāo)間隔為0. 1MHz，設(shè)頻標(biāo) 為0. 5MHz，0. 6MHz，0. 7MHz。。。。1.5MHz。若待測(cè)環(huán)境溫度為30度時(shí)，回波頻率實(shí)際值 為1.062MHz，該設(shè)備采用DFT方法測(cè)得的結(jié)果記為I. 1MHz，若系統(tǒng)測(cè)試狀態(tài)穩(wěn)定，即每 次DFT變換得到的值都為I.IMHz。當(dāng)環(huán)境溫度上升到38度時(shí)，傳感回波頻率實(shí)際值也上 升為I. 142MHz，該設(shè)備測(cè)得結(jié)果也只能記為I. 1MHz，多次測(cè)試后，DFT變換得到的值都為 I. 1MHz。也就是說(shuō)，溫度30度和38度，得到的DFT結(jié)果是一樣的，說(shuō)明設(shè)備測(cè)試精確度再 好，或重復(fù)更多次測(cè)量，也受限于DFT方法。
[0025] 提高DFT方法測(cè)頻精度的主要途徑是加大取樣時(shí)長(zhǎng)，如增加應(yīng)答器接收激勵(lì)信號(hào) 能量、提高應(yīng)答器芯片Q值和加大回波測(cè)試信噪比等。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0026] 正如現(xiàn)有技術(shù)所述，DFT方法的頻率標(biāo)度是由取樣時(shí)間長(zhǎng)度Ts確定的，對(duì)于實(shí)際 測(cè)試，加長(zhǎng)信號(hào)取樣長(zhǎng)度困難極大。下面再仔細(xì)研究頻率分辨率，能否找到提高測(cè)試精度的 其他途徑。
[0027]DFT頻標(biāo)間隔，僅與取樣時(shí)間長(zhǎng)度Ts有關(guān)，與待測(cè)頻率無(wú)關(guān)，即DFT絕對(duì)測(cè)試精度 不變。由此，待測(cè)頻率越高，相對(duì)測(cè)試精度也越好。
[0028] 設(shè)想，如果將待測(cè)頻率倍頻后，DFT得到同樣的頻率測(cè)試精度，換算回基頻，相當(dāng)于 提高了基頻測(cè)試精度。例如在上述系統(tǒng)中，環(huán)境溫度30度時(shí)，回波頻率實(shí)際值為I. 062MHz， 基頻取樣后，DFT測(cè)頻得I.IMHz，誤差+0. 038MHz;三次倍頻后，DFT測(cè)頻為3. 2MHz，換算為 基頻I. 07MHz，誤差+0. 008MHz;五次倍頻后，DFT測(cè)頻為5. 3MHz，換算為基頻I. 06MHz，誤 差-0. 002MHz，對(duì)應(yīng)溫度示值誤差僅-0. 2°C。當(dāng)環(huán)境溫度上升為38度時(shí)，五次倍頻后測(cè)得 基頻換算值為I. 14MHz，誤差-0. 002MHz，對(duì)應(yīng)溫度示值誤差僅-0. 2°C。明顯提高了測(cè)試精 度。
[0029] 由此，只要將待測(cè)短時(shí)信號(hào)倍頻后再進(jìn)行DFT處理，測(cè)頻精度會(huì)較大提高，提高程 度隨倍頻次數(shù)加大。
[0030] 信號(hào)倍頻方法很多，本發(fā)明特別推薦采用取樣前信號(hào)飽和放大電路，使信號(hào)畸變， 產(chǎn)生高次諧波，實(shí)現(xiàn)信號(hào)高次倍頻。采用信號(hào)過(guò)載使其諧波化的技術(shù)，電路簡(jiǎn)單易行。
[0031] 基于上述理由，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0032] -種聲表面波諧振器型無(wú)線傳感器傳感回波頻率的測(cè)試電路，其特征在于將下變 頻后的回波信號(hào)高次倍頻，再采用傅里葉變換數(shù)字處理方法測(cè)出傳感回波頻率。最簡(jiǎn)單方 法是采用取樣前信號(hào)飽和放大電路，使信號(hào)畸變，產(chǎn)生高次諧波，實(shí)現(xiàn)信號(hào)高次倍頻化。
[0033] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在不加長(zhǎng)信號(hào)取樣時(shí)間長(zhǎng)度時(shí)，可以較大改進(jìn)DFT測(cè)頻精度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1溫度檢測(cè)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(tǒng)。
[0036] 圖3聲表面波諧振器型溫度傳感應(yīng)答器電路。
[0037] 圖4聲表面波諧振器型溫度傳感系統(tǒng)應(yīng)答器回波。
[0038] 圖5通用聲表面波諧振器型溫度傳感系統(tǒng)閱讀器框圖。
[0039] 圖6采用本發(fā)明的聲表面波諧振器型溫度傳感系統(tǒng)閱讀器框圖。
[0040] 圖7采用本發(fā)明的閱讀器中信號(hào)諧波產(chǎn)生部分的實(shí)施例。
[0041] 圖8理想單頻正弦波諧波化前后波形（局部放大）。
[0042] 圖9理想單頻正弦波諧波化后的取樣信號(hào)。
[0043] 圖10理想單頻正弦波諧波化后的傅里葉頻譜。
[0044] 圖11回波諧波化后取樣信號(hào)（實(shí)施例）。
[0045] 圖12回波諧波化后取樣信號(hào)的傅里葉頻譜（實(shí)施例）。

【具體實(shí)施方式】
[0046] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0047] 本發(fā)明是一種聲表面波諧振器型無(wú)線傳感器傳感回波頻率的測(cè)試電路，其特征在 于將下變頻后的回波信號(hào)高次倍頻，再采用傅里葉變換數(shù)字處理方法測(cè)出傳感回波頻率。 最簡(jiǎn)單方法是采用取樣前信號(hào)飽和放大電路，使信號(hào)畸變，產(chǎn)生高次諧波，實(shí)現(xiàn)信號(hào)高次倍 頻化。
[0048] 如前述，信號(hào)倍頻方法很多，本發(fā)明特別推薦采用取樣前信號(hào)飽和放大電路，使信 號(hào)畸變，產(chǎn)生高次諧波，實(shí)現(xiàn)信號(hào)高次倍頻。采用信號(hào)過(guò)載使其諧波化的技術(shù)，電路簡(jiǎn)單易 行。下面以采用信號(hào)過(guò)載使其諧波化的技術(shù)的實(shí)用例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明細(xì)節(jié)。
[0049] 圖7為采用本發(fā)明電路的閱讀器中信號(hào)諧波化部分的實(shí)施例。圖中IFP、IFN為下 變頻部分混頻器輸出的中頻差分信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放Ul轉(zhuǎn)化為單端信號(hào)，通過(guò)設(shè)置RUR2、R3、 R4的值使得中頻信號(hào)飽和，實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)諧波化。
[0050] 由于Ul輸出信號(hào)飽和，超出了ADC采樣電平要求，U2用于調(diào)節(jié)電平使諧波化信號(hào) 滿足采樣要求。R5、R6用于調(diào)節(jié)峰峰值，R7、R8用于調(diào)節(jié)直流偏置。
[0051]圖8?圖10為采用理想單頻信號(hào)模擬來(lái)說(shuō)明本發(fā)明采用的信號(hào)諧波化測(cè)頻機(jī)制。 單頻信號(hào)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(gè)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后波形的差異，諧波化的信號(hào)，矩形度明顯增大。
[0054] 圖9為取樣后脈沖波形，取樣時(shí)長(zhǎng)20us，對(duì)應(yīng)傅里葉頻標(biāo)50kHz。圖10為傅里 葉變換頻譜，得到基頻、三次、五次和七次頻譜峰，前三個(gè)峰對(duì)應(yīng)頻率值分別為：1. 〇5MHz， I. 033MHz，I. 030MHz，其頻標(biāo)誤差分別為：+/-25kHz，+/-8. 3kHz，+/-5kHz.顯然，信號(hào)諧波 化后測(cè)試精度提高明顯。
[0055] 由于必須對(duì)信號(hào)的高次諧波有效取樣，采用本發(fā)明時(shí)，數(shù)字化處理子系統(tǒng)的取樣 頻率理應(yīng)提高，至少為三次諧波頻率的一倍以上。如要檢測(cè)五次諧波，取樣頻率至少為待測(cè) 信號(hào)頻率的十倍。由于采用了下變頻技術(shù)，以及現(xiàn)今高速取樣技術(shù)的發(fā)展，以上問(wèn)題容易解 決。
[0056] 圖11?圖12為采用本發(fā)明電路的試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)樣機(jī)中采用了飽和放 大使波形畸變的信號(hào)諧波化方法，具體電路部分如圖7。當(dāng)然，使信號(hào)諧波化的方法有許多， 都可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，本實(shí)施例只是一種較為簡(jiǎn)便的方法。
[0057] 現(xiàn)有一 433MHz諧振器，20°C時(shí)固有諧振頻率為433. 0MHz，溫度系數(shù)+10kHz/K。閱 讀器采用下變頻接收，本振頻率432. 0MHz，取樣速率16. 7785MHz，取樣時(shí)長(zhǎng)17.88us(取樣 點(diǎn)數(shù)301點(diǎn)），系統(tǒng)測(cè)頻的頻率分辨率為0. 0559MHz。圖11為回波諧波化取樣信號(hào)，圖12 為回波諧波化取樣信號(hào)傅里葉頻譜，下表小結(jié)了十次測(cè)量數(shù)據(jù)：
[0058]

【權(quán)利要求】
1. 一種聲表面波諧振器型無(wú)線傳感器傳感回波頻率的測(cè)試電路，其特征在于：將下變 頻后的回波信號(hào)高次倍頻，再采用傅里葉變換數(shù)字處理方法測(cè)出傳感回波頻率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試電路，其特征在于：采用取樣前信號(hào)飽和放大電路，使信 號(hào)畸變，產(chǎn)生高次諧波，實(shí)現(xiàn)信號(hào)高次倍頻化。
【文檔編號(hào)】G01R23/02GK104316761SQ201410580124
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】夏前亮, 陳培杕, 劉眾, 胡建學(xué), 孫建萍 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所