CN102411699A

CN102411699A - 一种用于无源传感电子标签阅读器的自适应频率跟踪系统

Info

Publication number: CN102411699A
Application number: CN2011103543256A
Authority: CN
Inventors: 沈美根; 冉立新; 皇甫江涛; 贺兰茂; 蔡旭; 郑立荣
Original assignee: WUXI INSTITUTE OF FUDAN UNIVERDITY
Current assignee: Shanghai Fuhui Information Technology Co ltd
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: CN102411699B

Abstract

本发明属于物联网感知层技术领域，具体为一种用于无源传感电子标签阅读器的自适应频率跟踪系统。该系统包括锁相环电路、驱动电路、功放电路、天线线圈和谐振电容组成的串联谐振回路、降压电阻、正弦波方波转换电路和延时电路。锁相环电路包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、电压电流转换器和流控振荡器。流控振荡器有I和Q两路正交输出，I路电压信号经驱动电路和功放电路输出至天线，Q路输出电压信号经延时电路后的输出信号CLKQ连接PFD的Data输入端。本系统能够使无源电子标签阅读器的载波频率自动跟踪天线的串联谐振频率。本发明有效解决了由于环境因素、制造工艺因素以及工作方式等引起的天线谐振频率变化导致阅读器发射功率降低从而降低系统工作距离等问题。

Description

一种用于无源传感电子标签阅读器的自适应频率跟踪系统

技术领域

本发明属于物联网感知层技术领域，具体涉及一种用于无源传感电子标签阅读器的自适应频率跟踪系统。

背景技术

无源传感电子标签属于物联网感知层关键技术之一。传感电子标签除了具有电子身份（ID）号外，还具有感知温度、湿度、压力、加速度、角度、化学、气体等外界环境物理信息。感知系统一般包括无源传感电子标签和阅读器。低频和高频段标签和阅读器之间一般通过电感耦合进行能量和信息的传递。阅读器的天线线圈和电容组成串联谐振回路而传感电子标签的天线线圈和电容组成并联谐振回路。它们的谐振频率是一致的。当标签进入阅读器的工作区域时，标签天线线圈接收到阅读器发出的电磁波，线圈就会产生感应电流，经过整流电路后产生电源电压。此电源电压激活传感标签并给标签供电。传感电子标签通过负载调制的方式把本身的电子身份信息以及外界物理环境信息传送给阅读器。阅读器的天线线圈的电压幅度会随着传感标签负载调制信号的变化而变化。阅读器通过二极管包络检波、低通滤波、放大、波形整形得到传感标签发送的电子身份信息以及环境物理信息。该系统的具体工作原理可查看专利号201010536704.2。如果电子标签和阅读器的天线线圈特性（比如线圈圈数和面积）在已定的情况下，它们之间的工作距离主要取决于阅读器的发射功率以及传感电子标签的功耗。阅读器的天线线圈和电容组成的串联谐振回路的品质因素（Q值）很高，如果阅读器的载波频率和天线线圈谐振频率不一致，这将大大降低阅读器的发射功率以至大大降低阅读器和传感电子标签间的工作距离。采用固定载波频率的阅读器就有可能发生这种情况。导致天线线圈谐振频率变化的主要因素有：天线线圈和电容的制造工艺引起的容值偏差、器件老化引起的容值变化、环境因素引起的容值变化等。采用本发明可以使阅读器的载波频率自动跟踪天线线圈的谐振频率，从而可以大大提高产品的生产率、良品率和可靠性。该发明可以采用低成本的CMOS技术来实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于无源传感电子标签阅读器的自适应频率跟踪系统，以提高产品的生产率、良品率和可靠性。

本发明提供的用于无源传感电子标签阅读器的自适应频率跟踪系统，包括锁相环电路(PLL)、驱动电路(Driver)、功放电路(PA)、天线串联谐振回路（由天线线圈L和谐振电容C组成）、降压电阻（R）、正弦波方波转换电路(S2Q)和延时电路(Delay)；其中，所述锁相环电路包括鉴频鉴相器（PFD）、电荷泵（CP）、环路滤波器（LF）、电压电流转换器（V2I）、流控振荡器（CCO）。驱动电路2、功放电路3、正弦波方波转换电路4、延时电路5中的电路由一级或多级具有不同驱动能力的反相器组成。天线线圈L一端与功放电路的输出连接，连接点为n1，天线线圈L另一端和谐振电容C一端连接，连接点为n2。谐振电容C另一端接GND。降压电阻R一端连接n2，另一端和正弦波方波转换电路4的输入端连接，连接点为n3。

当系统上电复位后，自适应频率跟踪系统开始工作；设流控振荡器初始的振荡频率为f1；其具有I和Q两路正交电压输出；其中I路信号经过驱动电路和功放电路至天线线圈L和谐振电容C组成的天线串联谐振回路，天线串联谐振回路串联谐振频率为f0=1/(2*π*

Figure 2011103543256100002DEST_PATH_IMAGE002

)；式中，L为天线线圈L的电感值，C为谐振电容C的电容值；谐振电容C上的电压信号经过降压电阻R后送入正弦波方波转换电路进行波形整形；整形后的方波信号CLKI输入到鉴频鉴相器的时钟输入端Clk；Q路信号经过延时电路后，其信号CLKQ输入到鉴频鉴相器的数据输入端Data；如果流控振荡器的振荡频率和天线串联谐振回路频率不一致，即信号CLKI和信号CLKQ具有不同的相位，此时，锁相环电路将调整流控振荡器的振荡频率，直至和天线串联谐振回路频率一致，也就是调整到信号CLKI和信号CLKQ的相位相同，系统完成自适应跟踪，进入锁定状态。

本发明的锁相环路中的鉴频鉴相器(PFD)采用了两个D触发器以及四个门电路；为了防止系统上电复位或时钟输入端的干扰、毛刺等因素使得整个锁相环一直处于失锁状态，本鉴频鉴相器的锁相误差范围被限制在±π/2内，这通过CLK和Data两个输入信号相与后复位两个D触发器来实现；鉴频鉴相器的输入信号为Clk和Data,输出信号为Up和Dn；当Data信号相位超前Clk信号时，Up=1，Dn=0；当Data信号相位滞后Clk信号时，Up=0，Dn=1；当Data信号和Clk信号相位一致时，Up=0，Dn=0，锁相环路进入锁定状态；在复位反馈回路中的延迟单元由四个门电路组成，主要目的是为了将输出最小脉冲宽度限定在可能造成死区的时间之上。

本发明的锁相环路中的电荷泵（CP）采用了差分电荷泵的方法；该电荷泵输入信号为鉴频鉴相器的两路输出信号Up和Dn，然后经过单端转差分形成Up、Upn和Dn、Dnn两路差分信号来控制电荷泵开关；该差分电荷泵存在两条支路，在同一时刻，两条支路中总有一条是导通的，节点n7和n8通过一个单位增益放大器连接起来，使得两支路的共模电平保持相同；因此，在锁定时，电荷泵中各节点的电压保持恒定，而不会发生周期性充放电的情况，也就不会产生电荷共享问题。

本发明的锁相环路中的环路滤波(LF)采用了三阶无源环路滤波器；考虑到环路滤波器的电阻、电容容值比较大，如果采用内置的方式，也就是在芯片内制作电阻和电容，这样会占用较大的芯片面积，增加芯片的成本，所以可以采用外置的方式，也就是采用芯片管脚外连接表面贴装的电阻、电容；环路滤波器的输出电压可能需要经过限幅来控制流控振荡器的振荡频率范围；如果流控振荡器的振荡频率偏离天线串联谐振频率过大，会使得采样的反馈信号过小而使得整个锁相环路处于失锁状态。

本发明的锁相环路中的电压电流转换电路包含电压跟随和电流镜两部分；电流镜输出的电流Iout=Vc/R2；Vc为无源环路滤波器输出的电压，R2为一固定电阻；电流输出和电压输入成线性关系。

本发明的锁相环路中的流控振荡器（CCO）主要由流控四级差动环形振荡器、振幅控制电路和差分转单端输出电路等三部分组成；差动环形振荡器产生周期振荡信号，振荡信号的幅度由振幅控制电路调节，以防止幅度噪声转变成相位噪声；差分的周期振荡信号最后经差分转单端电路驱动输出；环形振荡器的周期振荡信号通过一系列延时单元构成环路来产生，可以调节延时单元的级数来调节振荡频率；通过改变环形振荡器中延时单元负载电容的充电电流来调节振荡频率；虽然流控振荡器的电路结构比较复杂，但因其具有较高的增益线性度及较强的抗干扰能力，而得到广泛应用；四级差动环形振荡器是CCO的核心电路，它的每一级延时单元由PMOS源极耦合对（source-coupled pair）, 压控电阻（voltage-controlled resistor or VCR）负载以及调节振荡频率的负载电容组成；每个延时单元的延时大小Td与尾电流大小Itail、负载电容Cload和信号振幅Vsig的关系如下：Td ∝ Cload* Vsig/ Itail ；振幅控制电路的作用是保持输出振荡信号的幅度为常数；振幅控制电路使用一个运放和延时单元的复制电路来控制输出信号的幅度，运放控制压控电阻的阻值，保证外控电流与电阻的乘积等于参考电压Vref。

流控振荡器的振荡频率范围为天线谐振中心频率的±20%；天线谐振频率可以是125KHz低频或13.56MHz高频。

本发明中的驱动电路、功放电路、延时电路都采用了反相器的结构；它们的差别在于它们具有不同的MOS管的宽长比来满足不同电路的性能。

本发明的正弦波方波转换电路为一自偏置推挽式反相器放大器。

本发明的天线可以为线绕线圈（用于125KHz载波频率）或者PCB线圈（用于13.56MHz载波频率）。

本发明能够有效解决由于环境因素、制造工艺因素以及工作方式等引起的天线谐振频率变化导致阅读器发射功率降低从而降低系统工作距离等问题。该自适应频率跟踪系统大大提高了产品的生产率、良品率和可靠性。

附图说明

图 1 为本发明的自适应频率跟踪系统电路图。

图 2 为本发明的鉴频鉴相器电路图。

图 3 为本发明的电荷泵和环路滤波电路图。

图 4 为本发明的电压电流转换电路图。

图 5 为本发明的流控振荡器、延时单元、幅度控制电路图。

具体实施方式

用于无源传感电子标签阅读器的自适应频率跟踪系统如图1。自适应频率跟踪系统由锁相环电路1、驱动电路2、功放电路3、正弦波方波转换电路4、延时电路5、天线线圈L、谐振电容C、降压电阻R组成。其中锁相环电路包括鉴频鉴相器（PFD）11、电荷泵（CP）12、电压电流转换器（V2I）13、流控振荡器（CCO）14、环路滤波器（LF）15。

锁相环电路中的鉴频鉴相器（PFD）11如图2。该电路包括两个带复位功能的D触发器U1和U2、一个2输入或门U3、一个2输入与门U4、两个2输入与非门U5和U6。U1的D端输入端接高电平，Clk端连接输入信号Data，Reset端连接U3的输出Rst，Q端输出信号Up。U2的D端输入端接高电平，Clk端连接输入信号Clk，Reset端连接U3的输出Rst，Q端输出信号Dn。U3的输入端分别接U5的输出端n4和U4的输出端n6。U4的输入端分别连接Data和Clk，输出端n6连接U3的一个输入端。U5的一个输入端连接低有效复位信号Rstn，另外一个输入端连接U6的输出端n5。U6的一个输入端连接Up，另外一个输入端连接Dn。U4的作用是使该鉴频鉴相器的锁相范围限定在±π/2内，保证锁相环在上电复位、时钟输入有毛刺等情况下都能够进入锁定状态。

锁相环电路中的电荷泵（CP）12如图3。充电电流由Vbias1和PMOS管MP1决定，放电电流由Vbias2和NMOS管MN1决定。PMOS管MP2、MP3，NMOS管MN2、MN3为充放电开关。当Up=1,Dn=0时，PMOS管MP2截止，PMOS管MP3导通，NMOS管MN3截止，NMOS管MN2导通，电流对环路滤波器进行充电，环路滤波节点n7电压上升。当Up=0,Dn=1时，PMOS管MP2导通，PMOS管MP3截止，NMOS管MN3导通，NMOS管MN2截止，电流对环路滤波进行放电，环路滤波节点n7电压下降。当Up=0,Dn=0时，PMOS管MP2导通，PMOS管MP3截止，NMOS管MN3截止，NMOS管MN2导通，环路滤波节点n7电压处于保持状态。图3中，PMOS管MP1的S端接VDD，G端接Vbias1，PMOS管MP1的D端与PMOS管 MP2的S端连接，连接点为节点n9，PMOS管MP2的G端接Up, D端接节点n8。PMOS管MP3的S端接节点n9，G端接Upn, D端接节点n7。NMOS管MN1的S端接GND，G端接Vbias2, D端接节点n10。NMOS管MN2的S端接节点n10，G端接Dnn, D端接节点n8。即节点n8是PMOS管MP2的D端与NMOS管MN2的D端的连接点， NMOS管MN3的S端接节点n10，G端接Dn, D端接节点n7。单位增益放大器U7的输入端接节点n7，输出端接节点n8。节点n10为NMOS管MN1的 D端与NMOS管MN2的S端、NMOS管MN3的S端的连接点。

锁相环电路中的环路滤波器（LF）15如图3。此滤波器为三阶无源环路滤波器。电阻R1一端连接环路滤波器输出节点n7，另一端和电容C1的一端连接于节点n11，电容C1的另一端接GND，电容C2的两端分别连接节点n7和GND。

锁相环电路中的电压电流转换器(V2I)13如图4。U8为一运放。Vc为锁相环环路滤波器的输出电压。Vf为反馈电压信号。Vbias3 为运放U8的输出,Vbias4为一偏置电压。当电路处于稳态时，Vc=Vf。所以流过PMOS管MP4和MP6的电流为I=Vc/R2。PMOS管MP5和MP7为PMOS管MP4和MP6的镜像电流源，所以Iout=I=Vc/R2。图4中运放U8的负极输入为Vc，正极输入为Vf，输出端Vbias3连接至PMOS管MP4和MP5的栅极。PMOS管MP4的S端接VDD，G端接Vbias3,D端接节点n12。PMOS管MP6的S端接节点n12，G端接Vbias4,D端接Vf。电阻R2的一端连接Vf,一端连接GND。PMOS管MP5的S端接VDD，G端接Vbias3,D端接节点n13。PMOS管MP7的S端接节点n13，G端接Vbias4,D端接Iout。即节点n12是PMOS管MP4的D端与PMOS管MP6的S端连接点，节点n13是PMOS管MP5的D端与PMOS管MP7的S端连接点。

锁相环路中的流控振荡器（CCO）14如图5所示，包括流控四级差动环形振荡器、振幅控制电路和差分转单端输出电路等三部分。流控四级差分环形振荡器由四级具有相同电路结构的延时单元DL1、DL2、DL3、DL4组成。A1、A2为差分转单端电路。B1、B2为缓冲器。DL1的正输入端IN10连接DL4的负输出端以及A1的负输入端，DL1的负输入端IN20连接DL4的正输出端以及A1的正输入端。DL2的正输入端IN11连接DL1的正输出端，DL2的负输入端IN21连接DL1的负输出端。DL3的正输入端IN12连接DL2的正输出端以及A2的正输入端，DL3的负输入端IN22连接DL2的负输出端以及A2的负输入端。DL4的正输入端IN13连接DL3的正输出端，DL4的负输入端IN23连接DL3的负输出端。A1的输出端Qp连接B1的输入端。A2的输出端Ip连接B2的输入端。B1的输出端连接输出脚Q，B2的输出端连接输出脚I。

延时单元141中PMOS管MP9为电流控制PMOS管。PMOS管MP11和MP12为PMOS输入源极耦合对。VR1和VR2为电压控制可变电阻。C3和C4为延时单元的负载电容。PMOS管MP9的S端接VDD，G端接电流控制信号Icon, D端接节点n16。PMOS管MP11的S端接节点n16，G端接输入信号IN1(+),D端接输出信号OUT2(-)。PMOS管MP12的S端接节点n16，G端接输入信号IN2(-), D端接输出信号OUT1(+)。VR1的一端接输出信号OUT2（-），一端接GND，电压控制端连接幅度控制电路142的U13运放A1的输出Vc1。VR2的一端接输出信号OUT1（+），一端接GND，电压控制端连接幅度控制电路142的U13运放A1的输出Vc1。C3的一端接输出信号OUT2（-），一端接GND。C4的一端接输出信号OUT1（+），一端接GND。幅度控制电路142在不同的电流Icon控制下，节点n15点的电压幅度和Vref相等。图中U13为一运放A1，VR0为一电压控制可变电阻，其电路结构和VR1、VR2相同。PMOS管MP8的S端接VDD，G端接电流控制信号Icon, D端接节点n14。 PMOS管MP10的S端接节点n14，G端接参考幅度电平Vref, D端接节点n15。运放U13的正输入端接节点n15，负输入端接Vref，输出端接电压控制可变电阻的电压控制端。VR0的一端接n15，一端接GND，电压控制端接运放U13的输出Vc1。其中，节点n14是PMOS管MP8的 D端与PMOS管MP10的S端的连接点，节点n15是PMOS管MP10的D端与运放U13的正输入端的连接点，节点n16是PMOS管MP9的D端与PMOS管MP11的S端的连接点。

图1中的驱动电路2、功放电路3、正弦波方波转换电路4、延时电路5中的电路由一级或多级具有不同驱动能力的反相器组成。天线线圈L一端与功放电路的输出连接，连接点为n1，天线线圈L另一端和谐振电容C一端连接，连接点为n2。谐振电容C另一端接GND。降压电阻R一端连接n2，另一端和正弦波方波转换电路4的输入端连接，连接点为n3。

Claims

1.一种用于无源传感电子标签阅读器的自适应频率跟踪系统，其特征在于该系统包括锁相环电路，驱动电路，功放电路，由天线线圈L和谐振电容C组成的天线串联谐振回路，降压电阻R，正弦波方波转换电路，和延时电路；其中，所述锁相环电路包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、电压电流转换器、流控振荡器；驱动电路、功放电路、正弦波方波转换电路、延时电路分别由一级或多级具有不同驱动能力的反相器组成；天线线圈L一端与功放电路的输出连接，连接点为n1，天线线圈L另一端和谐振电容C一端连接，连接点为n2；谐振电容C另一端接GND；降压电阻R一端连接n2，另一端和正弦波方波转换电路的输入端连接，连接点为n3；

当系统上电复位后，自适应频率跟踪系统开始工作；设流控振荡器初始的振荡频率为f1；其具有I和Q两路正交电压输出，其中I路信号经过驱动电路和功放电路至天线线圈L和谐振电容C组成的天线串联谐振回路，天线串联谐振回路串联谐振频率为f0=1/(2*π* )；谐振电容C上的电压信号经过降压电阻R后送入正弦波方波转换电路进行波形整形；整形后的方波信号CLKI输入到鉴频鉴相器的时钟输入端Clk；Q路信号经过延时电路后，其信号CLKQ输入到鉴频鉴相器的数据输入端Data；如果流控振荡器的振荡频率和天线串联谐振回路频率不一致，即信号CLKI和信号CLKQ具有不同的相位，此时，锁相环电路调整流控振荡器的振荡频率，直至和天线串联谐振回路频率一致，即调整到信号CLKI和信号CLKQ相位相同，系统完成自适应跟踪，进入锁定状态。

2.根据权利要求1所述的自适应频率跟踪系统，其特征在于所述的鉴频鉴相器包括两个带复位功能的D触发器U1和U2、一个2输入或门U3、一个2输入与门U4、两个2输入与非门U5和U6；其中，U1的D端输入端接高电平，Clk端连接输入信号Data，Reset端连接U3的输出Rst，Q端输出信号Up；U2的D端输入端接高电平，Clk端连接输入信号Clk，Reset端连接U3的输出Rst，Q端输出信号Dn；U3的输入端分别接U5的输出端n4和U4的输出端n6；U4的输入端分别连接Data和Clk，输出端n6连接U3的一个输入端；U5的一个输入端连接低有效复位信号Rstn，另外一个输入端连接U6的输出端n5；U6的一个输入端连接Up，另外一个输入端连接Dn；U4用于使该鉴频鉴相器的锁相范围限定在±π/2内。

3.根据权利要求1所述的自适应频率跟踪系统，其特征在于所述的流控振荡器包括流控四级差动环形振荡器、振幅控制电路和差分转单端输出电路三部分；差动环形振荡器产生周期振荡信号，振荡信号的幅度由振幅控制电路调节，以防止幅度噪声转变成相位噪声；差分的周期振荡信号最后经差分转单端电路驱动输出；环形振荡器的周期振荡信号通过一系列延时单元构成环路来产生，调节延时单元的级数来调节振荡频率；通过改变环形振荡器中延时单元负载电容的充电电流来调节其振荡频率的振荡器。

4.根据权利要求3所述的自适应频率跟踪系统，其特征在于所述的流控四级差动环形振荡器包括四级具有相同电路结构的延时单元DL1、DL2、DL3、DL4，差分转单端电路A1、A2，缓冲器B1、B2；其中，DL1的正输入端IN10连接DL4的负输出端以及A1的负输入端，DL1的负输入端IN20连接DL4的正输出端以及A1的正输入端；DL2的正输入端IN11连接DL1的正输出端，DL2的负输入端IN21连接DL1的负输出端；DL3的正输入端IN12连接DL2的正输出端以及A2的正输入端，DL3的负输入端IN22连接DL2的负输出端以及A2的负输入端；DL4的正输入端IN13连接DL3的正输出端，DL4的负输入端IN23连接DL3的负输出端；A1的输出端Qp连接B1的输入端，A2的输出端Ip连接B2的输入端；B1的输出端连接输出脚Q，B2的输出端连接输出脚I。

5.根据权利要求4所述的自适应频率跟踪系统，其特征在于流控振荡器的振荡频率范围为天线谐振中心频率的±20%。