CN103048538A - 射频卡综合频率测试方法和实现该方法的测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种射频卡综合频率测试方法和实现该测试方法的测试仪，该方法包括：动态可控的扫频信号源依次扫描覆盖射频卡频率的频段，所述扫频信号源经过谐波处理、信号放大和信号幅值处理后，通过谐振天线线圈发射，当射频卡放置在谐振天线线圈附近时，在所述扫频信号源与该射频卡的固有频率一致时，二者产生的谐振信号叠加到谐振天线线圈上，再通过检波电路，检测出峰值谐振点，以此作为中断信号，并由等精度测量法，测量出扫频信号源此时刻的频率值，该频率值等同于射频卡的固有频率值；本发明技术方案所提供的扫频信号源是由数字直接频率合成得来的，由单片机控制信号频率和幅度，实现动态可控，能够快速检测出射频卡频率。

Description

射频卡综合频率测试方法和实现该方法的测试仪

技术领域

本发明涉及一种射频卡频率测试方法和测试设备技术领域，确切地说是一种射频卡综合频率测试方法和测试仪。 

背景技术

射频卡又称非接触式IC卡，由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC卡片内，芯片及天线无任何外露部分。随着技术的发展，射频卡在我们生活和工作中的应用越来越广泛，如身份证、公交卡、门禁卡、购物卡、电子钱包和列车票等等。由于它的应用前景广阔，需求量巨大，但市场上流通的卡片的质量参差不齐，卡片的参数也不尽相同，甚至同一家厂家生产的不同批次的卡，它的离散性也非常大。 

为了保证质量，射频卡的生产厂家需要抽检或者全检所生产的射频卡，因此他们迫切的需要一种在不破坏卡片的情况下，能准确检测出卡片参数的仪器设备。目前，市场上有一种手动测试频率的设备，它的主要原理是利用频谱仪作为信号的激励源和显示设备，外接高频卡和低频卡对应的激励放大电路，通过手动调整激励源的频率，使信号源的频率与射频卡的固有频率一致，达到谐振状态，这时，读出频谱仪上的频率，就是射频卡的频率值。这种方法，从理论上讲，是可以准确的测出射频卡的频率。但是它的缺陷也显而易见。它的价格非常昂贵，实际测试的准确性受到激励放大电路的制约，无法发挥频谱仪的优点，最重要的是它操作复杂，效率低下，当大批量的卡需要测试时，它是无法胜任的。 

发明内容

针对上述技术缺陷问题，本发明提供一种智能化的的频率测试方法，能准确无损的检测射频卡的频率、电感、电容和品质因素（Q值），能为射频卡厂家提高产品的合格率与质量提供巨大的帮助，同时也能帮助射频卡用户检测所购买的射频卡质量的好坏。 

本发明采用的技术方案如下： 

一种射频卡综合频率测试方法，该方法包括：动态可控的扫频信号源依次扫描覆盖射频卡频率的频段，所述扫频信号源经过谐波处理、信号放大和信号幅值处理后，通过谐振天线线圈发射，当射频卡放置在谐振天线线圈附近时，在所述扫频信号源与该射频卡的固有频率一致时，二者产生的谐振信号叠加到谐振天线线圈上，再通过检波电路，检测出峰值谐振点，以此作为中断信号，并由等精度测量法，测量出扫频信号源此时刻的频率值，该频率值等同于射频卡的固有频率值。 

进一步，所述的谐波处理是采用带通滤波电路处理，所述的信号放大处理是采用低噪声放大电路处理，所述的信号幅值处理是采用自动增益控制电路处理，当扫频信号在受谐振频率不同而变化时，该自动增益控制电路将扫频信号幅值进行一致性处理。 

进一步，所述的扫频信号源是采用直接数字频率合成器产生或是采用可编程门阵列程序进行直接数字频率合成。 

进一步，所述的自动增益控制电路是由电平检测器、低通滤波器、直流放大器、电压比较器、控制电压产生器和可控增益放大器组成。 

为了解决手动测试频率的设备价格昂贵、操作复杂、效率低下的技术缺陷，本发明还提供一种射频卡综合频率测试仪，所述频率测试仪主要是由扫频信号源发生控制电路、扫频信号处理电路、信号发射电路、谐振检波电路、幅值测量电路和频率计数电路组成；所述扫频信号源发生控制电路产生扫频信号源；所述扫频信号处理电路处理扫频信号源；所述信号发射电路将处理后的扫频信号源持续发射出去；所述谐振检波电路检测出信号发射电路发射的扫频信号与射频卡频率的谐振信号的峰值谐振点；所述幅值测量电路和频率计数电路测量出峰值谐振点的频率值。 

进一步，所述扫频信号源发生控制电路是采用数字直接频率合成方式，该数字直接频率合成以单片机和现场可编程门阵列为控制核心,利用现场可编程门阵列中的N位地址存储相应的正弦表值，通过改变频率控制字K，寻址相位累加器中的波形数据，产生所需频率的正弦信号fo=fc *K/2N，或者所述扫频信号源是由数字频率合成器产生。 

进一步，所述扫频信号处理电路是由带通滤波电路、信号放大电路和自动增益控制电路组成。 

进一步，所述自动增益控制电路是由电平检测器、低通滤波器、直流放大器、电压比较器、控制电压产生器和可控增益放大器组成。 

进一步，所述的幅值测量电路为一个由二极管电路和电压跟随器组成的峰值检波电路。 

本发明与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：1、本发明技术方案所提供的扫频信号源是由数字直接频率合成得来的，由单片机控制信号频率和幅度，实现动态可控，能够快速检测出射频卡频率。 

2、本发明提供的射频卡综合频率测试仪的价格低，其精度高，准确性好，且智能化，易于操作。 

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

附图说明

图1为本发明射频卡综合频率测试仪的系统结构框图； 

图2为本发明数字直接频率合成原理框图； 

图3是本发明自动增益控制电路的组成框图； 

图4是本发明峰值检波电路原理图。 

图5是本发明等精度测量 

图6是本发明等精度测量简化 

具体实施方式

本发明提供一种射频卡综合频率测试方法，该方法包括：动态可控的扫频信号源依次扫描覆盖射频卡频率的频段，所述扫频信号源经过谐波处理、信号放大和信号幅值处理后，通过谐振天线线圈发射，当射频卡放置在谐振天线线圈附近时，在所述扫频信号源与该射频卡的固有频率一致时，二者产生的谐振信号叠加到谐振天线线圈上，再通过检波电路，检测出峰值谐振点，并以此作为中断信号，并由等精度测量法，测量出扫频信号源此时刻的频率值，该频率值等同于射频卡的固有频率值；所述的谐波处理是采用带通滤波电路处理，所述的信号放大处理是采用低噪声放大电路处理，所述的信号幅值处理是采用自动增益控制电路处理，当扫频信号在受谐振频率不同而变化时，该自动增益控制电路将扫频信号幅值进行一致性处理；所述的扫频信号源是采用直接数字频率合成器产生或是采用可编程门阵列程序进行直接数字频率合成；所述的自动增益控制电路是由电平检测器、低通滤波器、直流放大器、电压比较器、控制电压产生器和可控增益放大器组成。 

如图1所示，本发明还提供一种射频卡综合频率测试仪，该频率测试仪是由扫频信号源发生控制电路、扫频信号处理电路、信号发射电路、谐振检波电路、幅值测量电路和频率计数电路组成；所述扫频信号源发生控制电路产生扫频信号源；所述扫频信号处理电路处理扫频信号源；所述信号发射电路将处理后的扫频信号源持续发射出去；所述谐振检波电路检测出信号发射电路发射的扫频信号与射频卡频率的谐振信号的峰值谐振点；所述幅值测量电路和频率计数电路测量出峰值谐振点的频率值。所述扫频信号源发生控制电路是采用数字直接频率合成方式，该数字直接频率合成以单片机和现场可编程门阵列为控制核心,利用现场可编程门阵列中的N位地址存储相应的正弦表值，通过改变频率控制字K，寻址相位累加器中的波形数据，产生所需频率的正弦信号fo=fc *K/2N，或者所述扫频信号源是由数字频率合成器AD9850芯片产生；所述扫频信号处理电路是由带通滤波电路、信号放大电路和自动增益控制电路组成。所述自动增益控制电路是由电平检测器、低通滤波器、直流放大器、电压比较器、控制电压产生器、可控增益放大器组成。所述的幅值测量电路为一个由二极管电路和电压跟随器组成的峰值检波电路。所述的频率计数电路采用等精度频率测量法，此种测量法测量精度保持恒定，不随所测信号的变化而变化。在快速测量的要求下，要保证较高精度的测频，必须采用较高的标准频率信号。单片机受本身时钟频率和若干指令运算的限制，测频速 度较慢，无法满足高速、高精度的测频要求；而采用高集成度、高速的现场可编程门阵列FPGA为实现高速、高精度的测频提供了保证。由于系统扫频信号源是在短期内（1秒）扫过一个较宽的频段（100KHz—200KHz和10MHz—20MHz），且频率较高，所以周期法和直接测频法是不合适的。在此，本仪器选择了等精度测量法，来保证最终测量结果的准确性。 

如图2所示，为了无损伤检测射频卡的频率、Q值、电容和电感等参数，本发明运用数字直接频率合成（以下简称DDS）和锁相环（以下简称PLL）技术，采用高性能的A/D转换器，以FPGA和ARM（为一种性能高、成本低和能耗省的微处理器，简称ARM）为控制与处理模块，研究设计了集低频频段（80KHz-200KHz）和高频频段（10MHz—20MHz）于一体的综合频率测试仪。该测试仪通过可控的扫频信号源扫过覆盖高低频射频卡频率的区域，输出的扫频信号通过带通滤波电路、低噪声放大电路和自动增益控制电路后，由谐振天线线圈发射出去，当射频卡放到发射天线线圈附近，扫频的信号源扫描到与射频卡的固有频率一致时，二者产生谐振，谐振信号叠加到发射天线线圈上，通过检波电路，检测出谐振点，并以此作为中断信号，中止扫频信号源的步进，并由等精度测量法，测量出扫频信号源此时刻的频率值，该值可认为等同于射频卡的固有频率值。另外，由于不同Q值的射频卡在谐振时，产生的谐振波形幅值是不一样的，也即其谐振带带宽不一致，通过检测出谐振带宽和谐振频点，就可以计算出射频卡线圈的Q值。 

其中，本发明信号源设计方案中采用数字直接频率合成器（DDS），DDS以单片机和FPGA为控制核心,利用FPGA中的N位地址存储相应的正弦表值，通过改变频率控制字K，寻址相位累加器中的波形数据，以产生所需频率的正弦信号fo=fc *K/2N，如图2所示。该方案频率比较稳定，抗干扰能力强。DDS扫频信号源产生一定范围的扫频信号时，信号的幅度会随着频率的升高而减小，而为了检测卡的Q值时，是需要扫频信号幅度的变化量尽量小，甚至固定不变，这就要求扫频信号必须经过一定的自动增益控制，使其保持一个稳定的幅度，不随频率的改变而变化。如图3所示，自动增益控制电路可以看成由反馈控制器和（控制）对象两部分组成，其中反馈控制器由电平检测器、低通滤波器、直流放大器、电压比较器和控制电压产生器组成，被控对象是可控增益放大器。 

可控增益放大器的输入信号就是AGC电路的输入信号u_i=U_imcosωt，其输出信号u_o=U_omcosωt，其增益为 

$A_u=\frac{U_{\mathrm{om}}}{U_{\mathrm{im}}}$

增益A_u受控制电压u_c的控制，控制电压u_c是由电压比较器产生的误差电压u_e经控制电压 产生器变换后得到的。也可以直接用误差电压u_e控制可控增益放大器的增益。 

由图3可以看出，自动增益控制电路是一个反馈控制系统，其工作过程如下： 

（1） 当输入信号u_i较小时，输出信号u_o的幅度U_om也较小，经电平检测器、低通滤波器、直流放大器的输出信号加到电压比较器上的电压u₊也比较小。在许多实际应用场合，往往规定u₊必须大于或等于u_r，而当u₊＜u_r时，u₊不能改变比较器的输出电压，也就不可能产生控制电压u_c去控制可控增益放大器的增益，相当于此时自动增益控制环路不工作。也就是说，当u₊＜u_r时，u_e＝u_c＝0，在这种情况下，u_r称为比较器的门限电压。 

（2）当输入信号u_i振幅增大使输出信号的振幅增大时，相应的直流放大器输出电压u₊也增大，当u₊大于或等于基准电压，即当u₊≥u_r时，比较器的输出误差电压u_e将改变，控制电压u_c将随之改变，并控制可控增益放大器的增益，此时环路启动，可控增益放大器的增益随输出信号的增大而降低，从而使输出信号减小；反之，当输入电压u_i减小使输出电压u_o减小时，环路产生的控制信号u_c将使可控增益放大器的增益A_u增加。可见，通过环路的控制作用，无论输入电压u_i增加或减小，输出信号电平u_o仅在较小的范围内变化，从而保持在输入信号变化的情况下输出信号基本稳定，达到自动增益控制（AGC）或自动电平控制（ALC）的目的。 

本发明在幅值测量方案的设计中，针对高低频段不用的特点采用峰值检波法，如图4所示，用二极管电路和电压跟随器组成的峰值检波电路。此电路能够检测的信号频率范围很宽，被测信号频率低时检波的纹波较大，通过增加小电容和大电容并联构成的电容池可以滤除纹波，但二极管的管压降必然会带来一定误差。解决办法是在此电路中的二极管使用高频二极管，就可大大提高测量范围的频率上限，但是此电路只适合于测量中高频率段的信号。因此它用来检测10M—20MHz频段内的信号幅值。对于低频频段，则采用真有效值芯片AD637检测。所谓“真正有效值”亦称真均方根值。交流电压有效值定义为VRMS=（U2）1/2，借助TRMS/DC转换器对输入电压进行“平方—取平均值—开平方”运算，就能获得交流电压的有效值。在输入有效值为1V时1%误差的带宽可达到200KHZ。频率计数方案的设计中，由于系统扫频信号源是在短期内（1秒）扫过一个较宽的频段（100KHz—200KHz和10MHz—20MHz），且频率较高，所以本测试仪选择了等精度测量法，来保证最终测量结果的准确性。 

等精度测频方法是在直接测频方法的基础上发展起来的。它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此，避除了对被测信号计数所产生±1个字误差，并且达到了在整个测试频段的等精度测量。其测频原理如图2所示。在测量过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数。首先给出闸门开启信号(预置闸门上升沿)，此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。然后预置闸门关闭信号(下降沿)到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。由图5可以看出，实际闸门时间t与预置闸门时间t1并不严格相等，但差值不超过被测信号的一个周期。 

等精度测频的实现方法可简化为图6所示。CNT1和CNT2是两个可控计数器，标准频率信号从CNT1的时钟输入端CLK输入；经整形后的被测信号从CNT2的时钟输入端CLK输入。当预置门控信号为高电平时，经整形后的被测信号的上升沿通过D触发器的Q端同时启动CNT1和CNT2。CNT1、CNT2同时对标准频率信号和经整形后的被测信号进行计数，分别为NS与NX。当预置门信号为低电平的时候，后而来的被测信号的上升沿将使两个计数器同时关闭，所测得的频率为(FS/NS)*NX。则等精度测量方法测量精度与预置门宽度的标准频率有关，与被测信号的频率无关。在预置门时间和常规测频闸门时间相同而被测信号频率不同的情况下，等精度测量法的测量精度不变。 

本发明保护范围不限于上述实施例，凡是依据本发明技术原理所作的显而易见的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种射频卡综合频率测试方法，其特征在于，该方法包括：动态可控的扫频信号源依次扫描覆盖射频卡频率的频段，所述扫频信号源经过谐波处理、信号放大和信号幅值处理后，通过谐振天线线圈发射，当射频卡放置在谐振天线线圈附近时，在所述扫频信号源与该射频卡的固有频率一致时，二者产生的谐振信号叠加到谐振天线线圈上，再通过检波电路，检测出峰值谐振点，以此作为中断信号，并由等精度测量法，测量出扫频信号源此时刻的频率值，该频率值等同于射频卡的固有频率值。

2.根据权利要求1所述的射频卡综合频率测试方法，其特征在于，所述的谐波处理是采用带通滤波电路处理，所述的信号放大处理是采用低噪声放大电路处理，所述的信号幅值处理是采用自动增益控制电路处理，当扫频信号在受谐振频率不同而变化时，该自动增益控制电路将扫频信号幅值进行一致性处理。

3.根据权利要求2所述的射频卡综合频率测试方法，其特征在于，所述的扫频信号源是采用直接数字频率合成器产生或是采用可编程门阵列程序进行直接数字频率合成。

4.根据权利要求3所述的射频卡综合频率测试方法，其特征在于，所述的自动增益控制电路是由电平检测器、低通滤波器、直流放大器、电压比较器、控制电压产生器和可控增益放大器组成。

5.一种实现权利要求1所述测试方法的射频卡综合频率测试仪，其特征在于，所述频率测试仪主要是由扫频信号源发生控制电路、扫频信号处理电路、信号发射电路、谐振检波电路、幅值测量电路和频率计数电路组成；

所述扫频信号源发生控制电路产生扫频信号源；

所述扫频信号处理电路处理扫频信号源；

所述信号发射电路将处理后的扫频信号源持续发射出去；

所述谐振检波电路检测出信号发射电路发射的扫频信号与射频卡频率的谐振信号的峰值谐振点；

所述幅值测量电路和频率计数电路测量出峰值谐振点的频率值。

6.根据权利要求5所述的射频卡综合频率测试仪，其特征在于，所述扫频信号源发生控制电路是采用数字直接频率合成方式，该数字直接频率合成以单片机和现场可编程门阵列为控制核心,利用现场可编程门阵列中的N位地址存储相应的正弦表值，通过改变频率控制字K，寻址相位累加器中的波形数据，产生所需频率的正弦信号fo=fc *K/2N，或者所述扫频信号源是由数字频率合成器产生。

7.根据权利要求6所述的射频卡综合频率测试仪，其特征在于，所述扫频信号处理电路是由带通滤波电路、信号放大电路和自动增益控制电路组成。

8.根据权利要求7所述的射频卡综合频率测试仪，其特征在于，所述自动增益控制电路是由电平检测器、低通滤波器、直流放大器、电压比较器、控制电压产生器、可控增益放大器组成。

9.根据权利要求8所述的射频卡综合频率测试仪，其特征在于，所述的幅值测量电路为一个由二极管电路和电压跟随器组成的峰值检波电路。

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