CN104316761A - 一种声表面波谐振器型无线传感器传感回波频率的测试电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声表面波谐振器型无线传感器传感回波频率的测试电路，其特征在于将下变频后的回波信号高次倍频，再采用傅里叶变换数字处理方法测出传感回波频率。最简单方法是采用取样前信号饱和放大电路，使信号畸变，产生高次谐波，实现信号高次倍频化。本发明的优点是在不加长信号取样时间长度时，可以较大改进DFT测频精度。

Description

一种声表面波谐振器型无线传感器传感回波频率的测试电路

技术领域

本发明涉及声表面波谐振器领域，具体而言，涉及一种声表面波谐振器型无线传感器传感回波频率的测试电路。

背景技术

声表面波谐振器是利用在压电基片上制作的叉指换能器和周期反射栅阵等金属电极结构形成声表面波谐振腔，基于(逆)压电效应实现电学谐振的无源电子元件，已在现代电子技术得到广泛应用。

由于声表面波谐振器的固有谐振频率会被所处环境温度影响而产生微弱变化(图1)，其变化幅度主要取决于压电基片温度特性。检测此频率变化就可推知环境温度的改变，即声表面波谐振器具有输出准数字信号的温度传感功能。

由于声表面波器件的叉指换能器，能直接连接天线，收发无线电波，具有无线通信功能，所以声表面波谐振器是最简单的无线无源传感器件。

同样，采用特殊设计的压电基片结构，声表面波谐振器的固有谐振频率会被所处环境中某一种应力影响而产生微弱变化，就构成对该应力敏感的传感器。由于声表面波谐振器温度传感器已有商品，故本发明以温度传感器作为代表，说明本发明的具体实现。

声表面波无线温度传感器系统，基于超高频电磁波反向散射探测机理，采用声表面波谐振器作为温度敏感元件，具有小型无源和全天候应用特点，能应用于智能电网、食品安全等民用领域，实现联网实时监测相关环境温度，将在未来物联网发展中发挥其独特作用。

基于声表面波谐振器的无线传感系统由应答器和阅读器组成(图2)。

应答器仅由声表面波谐振器和天线封装而成(图3)，其中电感作用是阻抗匹配和防干扰。它被同频脉冲激励时，会被动发射回波(图4，下称为传感回波)。

阅读器是一个简化雷达，功能有二：一是主动发射激励载波(频率为f0)脉冲，二是接收传感器回波并测量其频率fc。当激励载波频率f0与传感谐振器谐振频率fc十分相近时，会产生较强传感回波，极限时(f0＝fc)，回波幅度最大，且延续时间最长。

系统工作原理如下：阅读器主动发射一个激励载波(频率f0)脉冲，应答器天线接收后馈电到声表面波谐振器，使其产生受迫振荡，并发回激励脉冲响应回波(图4左部波形)，同时储存电磁波能量在声表面波谐振器内。激励脉冲发射完后，应答器的声表面波谐振器将以其固有谐振频率fc向外发射其储存的电磁波能量，形成谐振器传感响应回波(图4右部波形)。应答器传感响应回波为一幅度衰减的调幅高频信号，由于此回波高频频率是受环境温度影响的声表面波谐振器的固有特征，已携带环境温度参量的影响，所以阅读器接收回波后经过处理即可得到环境温度参量实时值，完成待测环境温度无线传感功能。

传感回波频率测试方法虽是成熟的电路技术，但由于传感回波是短时脉冲信号，要得到实用化的频率测试精度，需要对测试电路优化和改进，主要有如下几类考虑。

采用雷达原理的无线传感系统，工作频率至少数MHz，甚至采用(2.4～5)GHz的ISM频段，下变频变换可以减低测试电路难度，所以下变频是必要的。下变频变换时，待测频率被下移一固定频率值(fc，由稳定频率源提供，稳频精度大于测频系统要求，即不影响频率测量精度)后成为一中频信号，此信号频率绝对变化值与温度的关系维持不变。也就是说，传感回波频率温度特性依然相同于应答器温度灵敏度特性。

数字技术是现代信息化的基础，数字信号处理已成为标准技术广泛应用于各类测试系统。信号取样方法和离散傅里叶变换(DFT)是信号时域与频域特性的纽带，在数字信号处理中起着关键作用。

由此，通用阅读器由天线、发射单元、接收单元和控制部分构成(图4)，其中接收单元由前置放大、高速取样和数字信号处理等亚单元组成。

数字信号处理亚单元用于取样信号序列的数字化处理，最常用的是离散傅里叶变换，取样频率一般为待测最高频率的数倍，可以获得取样序列信号频谱，实现短时脉冲回波频率测试。

由DFT理论得知，频率分辨率(即傅里叶频率标度间隔)是离散时间序列长度的倒数，如采样10us信号，频率分辨率即为100kHz。说明如下：

设回波频率f，取样速率fs，取样时长Ts，总取样点数为：

N＝Ts*fs

频率测试分辨率df为

df＝fs/N＝1/Ts

对于短时信号，Ts很短，例如声表面波谐振器无线传感器的有效传感回波长度一般10us左右，故频率测试分辨率仅100kHz，对常用温度遥测的传感器(应答器温度灵敏度约10kHz/K)，造成的温度测试误差为+/-5℃，实用困难。

有些测试者认为采用多次测量可以减小测量误差，这是不科学的，因为多次测量只能减小随机误差，而DFT变换测频方法的误差是方法误差，采用多次测量是无法避免的。详细说明如下。

如上述，DFT的频率标度是由取样时间长度Ts确定的，频标间隔为1/Ts，DFT结果只能记为标度值之一，即DFT方法测频精度不小于频标间隔。

例如，某设备采用下变频技术，待测频率范围为(0.5～1.5)MHz，应答器芯片温度系数为+10kHz/K，传感回波取样时长Ts为10us，相应频标间隔为0.1MHz，设频标为0.5MHz，0.6MHz，0.7MHz。。。。1.5MHz。若待测环境温度为30度时，回波频率实际值为1.062MHz，该设备采用DFT方法测得的结果记为1.1MHz，若系统测试状态稳定，即每次DFT变换得到的值都为1.1MHz。当环境温度上升到38度时，传感回波频率实际值也上升为1.142MHz，该设备测得结果也只能记为1.1MHz，多次测试后，DFT变换得到的值都为1.1MHz。也就是说，温度30度和38度，得到的DFT结果是一样的，说明设备测试精确度再好，或重复更多次测量，也受限于DFT方法。

提高DFT方法测频精度的主要途径是加大取样时长，如增加应答器接收激励信号能量、提高应答器芯片Q值和加大回波测试信噪比等。

发明内容

正如现有技术所述，DFT方法的频率标度是由取样时间长度Ts确定的，对于实际测试，加长信号取样长度困难极大。下面再仔细研究频率分辨率，能否找到提高测试精度的其他途径。

DFT频标间隔，仅与取样时间长度Ts有关，与待测频率无关，即DFT绝对测试精度不变。由此，待测频率越高，相对测试精度也越好。

设想，如果将待测频率倍频后，DFT得到同样的频率测试精度，换算回基频，相当于提高了基频测试精度。例如在上述系统中，环境温度30度时，回波频率实际值为1.062MHz，基频取样后，DFT测频得1.1MHz，误差+0.038MHz；三次倍频后，DFT测频为3.2MHz，换算为基频1.07MHz，误差+0.008MHz；五次倍频后，DFT测频为5.3MHz，换算为基频1.06MHz，误差-0.002MHz，对应温度示值误差仅-0.2℃。当环境温度上升为38度时，五次倍频后测得基频换算值为1.14MHz，误差-0.002MHz，对应温度示值误差仅-0.2℃。明显提高了测试精度。

由此，只要将待测短时信号倍频后再进行DFT处理，测频精度会较大提高，提高程度随倍频次数加大。

信号倍频方法很多，本发明特别推荐采用取样前信号饱和放大电路，使信号畸变，产生高次谐波，实现信号高次倍频。采用信号过载使其谐波化的技术，电路简单易行。

基于上述理由，本发明采用的技术方案为：

一种声表面波谐振器型无线传感器传感回波频率的测试电路，其特征在于将下变频后的回波信号高次倍频，再采用傅里叶变换数字处理方法测出传感回波频率。最简单方法是采用取样前信号饱和放大电路，使信号畸变，产生高次谐波，实现信号高次倍频化。

本发明的优点是在不加长信号取样时间长度时，可以较大改进DFT测频精度。

附图说明

图1温度检测用声表面波谐振器谐振频率的温度特性。

图2声表面波谐振器型温度传感系统。

图3声表面波谐振器型温度传感应答器电路。

图4声表面波谐振器型温度传感系统应答器回波。

图5通用声表面波谐振器型温度传感系统阅读器框图。

图6采用本发明的声表面波谐振器型温度传感系统阅读器框图。

图7采用本发明的阅读器中信号谐波产生部分的实施例。

图8理想单频正弦波谐波化前后波形(局部放大)。

图9理想单频正弦波谐波化后的取样信号。

图10理想单频正弦波谐波化后的傅里叶频谱。

图11回波谐波化后取样信号(实施例)。

图12回波谐波化后取样信号的傅里叶频谱(实施例)。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明是一种声表面波谐振器型无线传感器传感回波频率的测试电路，其特征在于将下变频后的回波信号高次倍频，再采用傅里叶变换数字处理方法测出传感回波频率。最简单方法是采用取样前信号饱和放大电路，使信号畸变，产生高次谐波，实现信号高次倍频化。

如前述，信号倍频方法很多，本发明特别推荐采用取样前信号饱和放大电路，使信号畸变，产生高次谐波，实现信号高次倍频。采用信号过载使其谐波化的技术，电路简单易行。下面以采用信号过载使其谐波化的技术的实用例来说明本发明细节。

图7为采用本发明电路的阅读器中信号谐波化部分的实施例。图中IFP、IFN为下变频部分混频器输出的中频差分信号，经过运放U1转化为单端信号，通过设置R1、R2、R3、R4的值使得中频信号饱和，实现待测信号谐波化。

由于U1输出信号饱和，超出了ADC采样电平要求，U2用于调节电平使谐波化信号满足采样要求。R5、R6用于调节峰峰值，R7、R8用于调节直流偏置。

图8～图10为采用理想单频信号模拟来说明本发明采用的信号谐波化测频机制。单频信号为正弦波，中心频率1.025MHz，取样速率17Mb/s，其谐波为基频和三、五、七次三个奇次谐波合成：

sin(2πft)+0.25sin(6πft)+0.0815sin(10πft))+0.0163sin(14πft)

图8表示单频正弦波谐波化前后波形的差异，谐波化的信号，矩形度明显增大。

图9为取样后脉冲波形，取样时长20us，对应傅里叶频标50kHz。图10为傅里叶变换频谱，得到基频、三次、五次和七次频谱峰，前三个峰对应频率值分别为：1.05MHz，1.033MHz，1.030MHz，其频标误差分别为：+/-25kHz,+/-8.3kHz,+/-5kHz.显然，信号谐波化后测试精度提高明显。

由于必须对信号的高次谐波有效取样，采用本发明时，数字化处理子系统的取样频率理应提高，至少为三次谐波频率的一倍以上。如要检测五次谐波，取样频率至少为待测信号频率的十倍。由于采用了下变频技术，以及现今高速取样技术的发展，以上问题容易解决。

图11～图12为采用本发明电路的试验样机测试结果。试验样机中采用了饱和放大使波形畸变的信号谐波化方法，具体电路部分如图7。当然，使信号谐波化的方法有许多，都可以实现本发明，本实施例只是一种较为简便的方法。

现有一433MHz谐振器，20℃时固有谐振频率为433.0MHz，温度系数+10kHz/K。阅读器采用下变频接收，本振频率432.0MHz，取样速率16.7785MHz，取样时长17.88us(取样点数301点)，系统测频的频率分辨率为0.0559MHz。图11为回波谐波化取样信号，图12为回波谐波化取样信号傅里叶频谱，下表小结了十次测量数据：

测量序	基频(MHz)	三次谐波(MHz)	五次谐波(MHz)
				1	1.1186	1.0999	1.1074
2	1.1186	1.0999	1.0962
				3	1.1186	1.1071	1.0987
4	1.1186	1.0999	1.0962
				5	1.1186	1.0999	1.1074
6	1.1186	1.0999	1.0962
				7	1.1186	(1.0813)	1.1074
8	1.1186	1.0999	1.1074
				9	1.1186	(1.0813)	1.0962
10	1.1186	(1.0813)	1.1074
				均值	1.1186	1.1009	1.10205
系统误差	0.028	0.0093	0.0056
				随机误差	0	0.0027	0.0018
总误差	0.028	0.0099	0.0060

由于谐波分量幅度小于基频幅度，易受干扰，故在处理数据时，应以基频测量值为基准，舍弃超过其系统误差的谐波测量值(例如上表中第二列第7，9，10行)。

多次测量，可减小随机误差，但系统误差(半频标)不会减小，而且当系统正常时，系统误差是主要的。

由上表五次谐波值，现测得回波频率1.102+432.0＝433.102MHz，与20℃时的谐振频率相差+102kHz，对应温升10.2℃，即温度传感器应答器所处地点的温度约为30℃，误差+/-0.6℃。

如不采用本发明电路，差频为118.6kHz，相当于12℃，即温度传感器阅读器所处地点的温度约为～32℃，但测试误差大到+/-3℃，实用性差。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例和附图并不是用来限定本发明创造，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (2)

1.一种声表面波谐振器型无线传感器传感回波频率的测试电路，其特征在于：将下变频后的回波信号高次倍频，再采用傅里叶变换数字处理方法测出传感回波频率。

2.根据权利要求1所述的测试电路，其特征在于：采用取样前信号饱和放大电路，使信号畸变，产生高次谐波，实现信号高次倍频化。