张海瑞，梁 庭，洪应平，谭秋林，贾平岗，曹 群，熊继军

(中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)



无线无源压力读取系统中线性扫频源的设计

张海瑞，梁 庭，洪应平，谭秋林，贾平岗，曹 群，熊继军

(中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)

在无线无源互感耦合传感检测系统中，需要通过检测远端敏感单元的谐振频率来读取传感器的谐振信息。因此，设计一个高精度的宽带线性扫频源来满足测试系统实现稳定和精准的测试。为了解决这个问题，设计了一种基于DDS技术的高带宽线性扫频源，带宽为1～100 MHz，频率精度为0.116 Hz，最小扫频步进值为0.233 Hz，驱动能力为6 dBm。MATLAB仿真分析了线性扫频源的扫频步进值不同时对LC谐振传感器检测精度的影响。并通过实验验证了该线性扫频源在互感耦合谐振器频率读取系统中的可靠性和稳定性。

DDS；LC谐振传感器；MATLAB仿真；谐振频率；无线测量

0 引言

在很多特殊场合下应用传感器，不能直接接触测量传感器的信号[1]，特别是在一些高温、高压等恶劣环境，信号检测结构中暴露于高温环境下的引线电参数会随着高温环境的保持发生退化，从而导致参数漂移，致使器件失效。LC谐振传感器可以很好的解决这些问题，它实质上是一个由对压力、温度等敏感的电容和电感构成的谐振电路，谐振电路内部没有有源器件，无需电池供电，主要靠谐振电路中的电感线圈耦合测试天线的磁场能，并转化为电场能供其本身工作。测试天线可以无线读取传感器的电容变化引起的信号表征量(如测试端输入阻抗的实部、相位等)的变化，从而得出变化后的谐振频率，计算出电容的变化量就可得出压力、温度等参数的大小。该类传感器被广泛应用于高温环境的压力测量[2]，湿度检测[3]等领域。

由于恶劣环境的压力、温度等参数测试的需要，实现LC谐振传感器的精确测量和实时监测显得尤为重要。设计LC谐振传感器的信号检测系统具有十分重要的意义。通过网络分析仪或阻抗分析仪测试天线端输入阻抗的相位，可以对LC谐振传感器的信号进行拾取[4-5]，但网络分析仪和阻抗分析仪体积大，不易携带，在实际工程环境中使用不便，且通过阻抗相位拾取到的传感器谐振频率受耦合系数的影响[6]。熊继军研究组已经完成前端敏感头的制作和读取电路的设计和制作[7-8]，但是频率源都是由安捷伦的信号发生器生成，由于仪器的笨重和价格昂贵，并不适合在实验室以外的恶劣工业场合应用。要实现电路的小型化及真正的将无线无源互感耦合LC谐振传感器应用于更多的工业场合，研究一种高可靠性、高带宽，高精度可调的扫频源是非常必要的。

基于上述，本文设计了一个基于DDS技术的高精度高宽带的线性扫频源。该系统主要由基准时钟源模块、DDS模块、信号调理模块、FPGA控制模块及USB通信模块组成。

1 检测电路基本原理

LC谐振传感器互感耦合系统的等效电路如图1所示，其中U1为信号源，L1、R1分别为测试天线及天线的电阻，C1为串联电容，L2、C2分别为传感器端的电感线圈及可变电容，R2是LC谐振回路中的寄生电阻，M是测试天线与传感器端电感线圈的互感系数。

图中测试天线端的输入阻抗Zi为[2]：

(1)

式中：f为信号源的信号频率。

(2)

由上述分析可看出输入阻抗与传感器的谐振频率有一定的关系，通过测量输入阻抗可得出传感器的谐振频率。

本文采用图2所示的检测电路来提取传感器的谐振频率信息。信号源输出扫频信号U1，该信号与参考电压信号Uref进行混频、滤波，输出电压信号Uout。从图中分析可以得出，参考电压信号Uref为:

(3)

式中：Zi为测试天线端的输入阻抗。

则混频后的输出信号Ur为：

Ur=Uref·U1

(4)

图2 检测电路基本原理框图

由式(2)～式(4)可以看出，混频后的输出信号Ur与传感器的谐振频率f0有一定的关系，而获得此关系的关键之一是扫频信号f的扫频步进Δf。根据式(2)～式(4)使用MATLAB仿真得出Δf对LC谐振传感器相位曲线的影响，如图3所示。从图中分析可以得出，在其它条件一样时，扫频步进越小，曲线越光滑，分辨率越高，且从仿真中可知扫频源扫频步进应小于10kHz。

图3 不同扫频步进LC谐振传感器的相位曲线仿真

2 DDS基本原理

在频率合成技术，直接频率合成技术具备许多优点，如频率范围宽、转换时间短，但是其硬件结构太复杂、设备庞大、成本高，而且难以采取有效措施抑制其输出的谐波、噪声以及寄生频率；锁相频率合成技术的优势是频率范围大，但它的劣势如频率转换时间长，难以达到很小的频率间隔等使它难以被广泛应用[10]。随着数字技术在仪器仪表和通信系统中的广泛使用，可从参考频率源产生多个频率的数字控制方法诞生了，即直接数字频率合成(DDS)。其基本架构如图4所示。该简化模型采用一个稳定时钟来驱动存储正弦波(或其它任意波形)一个或多个整数周期的可编程只读存储器(PROM)。随着地址计数器逐步执行每个存储器位置，每个位置相应的信号数字幅度会驱动DAC，进而产生模拟输出信号[11]。最终模拟输出信 号的频谱纯度主要取决于DAC。相位噪声主要来自参考时钟。DDS技术的实现依赖于高速数字电路，其工作速度主要受D/A转换器的限制[12]。

图4 DDS简化基本架构框图

在本研究中，为了更快速和更高精度的读取远端谐振传感器的谐振频率变化，选择了AD9858来完成宽带线性扫频源的设计。AD9858的扫频基本原理是在上述图4的基础上加了一个频率累加器，如图5所示。完成一次扫频，取起始频率控制字(FTW)送入相位累加器输出一个正弦波形，再根据三角频率控制字(DFTW)和三角频率倾斜斜率字(DFRRW)作用于频率累加器产生新的频率控制字，依次循环直至终止频率控制字[13]。

图5 AD9858扫频基本原理框图

作为扫频信号源的3个基本参数，这些参数是本扫频源设计中的3个关键参数，其中Δf为扫频频率步进，T为扫频周期，fs为扫频起始频率，fF为扫频终止频率。

DDS输出频率的计算如式(5)所示。式中FTW为频率控制字，SYSCLK=500 MHz为系统时钟，N=32。

(5)

根据芯片数据手册，频率控制字(FTW，在扫频中fo=fs)、三角频率控制字(DFTW)和三角频率倾斜斜率字(DFRRW)的计算公式如下：

(6)

(7)

(8)

由式(5)计算可得，本扫频源频率精度为0.116 Hz；由式(7)计算可得，频率最小步进值为0.233 Hz。

3 线性扫频源的设计与实现

本系统以DDS为核心，采用模块化设计，主要分为5个模块：基准时钟源模块、DDS模块、信号调理模块、FPGA控制模块及USB通信模块，其系统硬件组成框图如图6所示。

图6 系统硬件组成框图

系统的具体工作过程：基准时钟源模块为DDS提供参考时钟，USB给FPGA发相关指令，FPGA再控制DDS产生扫频信号，经信号调理模块后最终输出fout。

3.1 基准时钟源设计

基准时钟源模块是将10 MHz晶振的输出经过锁相倍频调理为500 MHz的基准时钟。其中晶振的相位噪声≤-135 dBc/Hz@1kHz。经过频谱分析仪Agilent N9030A-526 PXA测试的基准时钟的相位噪声为-112dBc/Hz@10 kHz。

3.2 DDS模块设计

根据图6所示的系统硬件组成框图，本模块设计选用AD9858来实现DDS功能。该模块主要由AD9858及其合适的电阻和电容组成。AD9858是一款直接数字频率合成器(DDS)，内置一个10位DAC，工作速度最高达1 GSPS。该器件采用先进的DDS技术，内置一个高速、高性能数模转换器，构成数字可编程的完整高频合成器，能够产生最高400 MHz的频率捷变模拟输出正弦波[13]。AD9858在编程时有两种工作模式，这两种工作模式由管脚SPSELECT的电平决定：高电平时，AD9858工作在并行编程模式；低电平时，AD9858工作在串行编程模式。由于AD9858工作在并行编程模式时，编程速度快，所以本设计采用并行编程模式，并根据AD9858数据手册完成了其外围设计。

AD9858的参考时钟输入采用单端输入，互补管脚通过0.1 μF的电容接地。内置DAC的输出电流Iout=20 mA时，根据数据手册RSET=39.19 V/Iout=1.9595 kΩ。

3.3 信号调理模块设计

图7为信号调理模块框图。工作过程：DDS输出信号经AD8009放大，RC低通滤波器滤波后最终输出。

图7 信号调理电路框图

AD8009完成放大功能。由数据手册知，AD9858的扫频输出是一对互补电流，需要转换为电压。有两种方法：一种是变压器耦合，优点是成本低，缺点是低频效果差；另一种是低噪声高带宽高速运算放大器，优点是带宽高，缺点是成本高。由于设计中要求低频效果好、带宽较大以及驱动能力，选着了后者，具体运放是AD8009。AD8009是一款超高速电流反馈型放大器，高驱动能力还体现在它能够提供10 dBm的输出功率(70 MHz)，无杂散动态范围(SFDR)为-38 dBc[14]。

RC低通滤波器设计中[15]，R为50 Ω,截止频率fH为100 MHz，由式(9)可得C为31.8 pF。最终信号调理电路如图8所示。

(9)

3.4 FPGA模块设计

FPGA控制模块是产生相应控制逻辑来完成对AD9858的编程，其控制流程如图9所示。

图9 FPGA控制流程图

最终，扫频源输出电压Vout在一个扫频周期T内随时间变化关系如式(10)所示。

(10)

式中：A为输出电压最大值；fs为扫频起始频率；Δf为扫频步进；Δt为时间步进；int()为商取整函数；t∈[0，T]为时间；φ为初相位。

图10为f0=10 MHz时频谱分析仪Agilent N9030A-526 PXA测得的频谱图。测试时为了防止对仪器造成伤害，对输入信号进行了30 dB衰减，由图中测得的信号功率计算得，扫频源输出信号功率约为6 dBm。

图10 频谱分析仪测得的频谱图

3.5 USB通信模块设计

USB通信部分的功能是将上位机指令下发，实现对线性扫频源的控制。本模块采用USB接口芯片CY7C68013A，其内核是一个增强型8051单片机，并含有USB协议相关的各种模块。上位机通过PE口来发送启动测试、停止测试等命令。

4 测试和分析

为测试扫频源输出的可靠性和精确度，使用频谱分析仪Agilent N9030A-526 PXA进行了测试。线性扫频源的电路板如图11所示。

图11 频源电路板

线性扫频源输出扫频范围为20～30 Hz，扫频周期为20 s，扫频步进为1kHz的正弦扫频信号时，频谱分析仪测得的如图12所示。由图12(a)分析可知，扫频源实际输出是20～30 Hz；同样从图12(b)中分析可得，扫频源实际扫频步进为1 kHz。

图13是本线性扫频源在相同扫频范围相同扫频周期不同的扫频步进1 kHz、10 kHz、20 kHz、50 kHz和100 kHz时，在LC无线无源压力传感器测试系统得到的相位测试曲线。从图中显然易见，在其它条件一样时，扫频步进越小，曲线越光滑，分辨率越高。

(a)全局扫频图

(b)部分扫频图图12 扫频源在20～30 MHz的全局和部分扫频图

图13 扫频源在不同步进下的相位测试曲线图

5 结语

本文介绍了无线无源LC谐振传感器的基本原理和直接频率合成技术(DDS)的理论模型，通过MATLAB仿真获得了扫频源的扫频步进小于10kHz，为扫频源的设计提供了关键参数，最终完成了基于DDS的线性扫频源的设计，该系统实现了1～100MHz线性扫频源的设计，并通过频谱分析仪Agilent N9030A-526 PXA得到验证。MATLAB仿真结果与实验结果表明，本线性扫频源具有测量精度高、可靠性强、电路简单等特点。

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Design of Linear Sweep Source Used in Readout System for Wireless Passive Pressure Sensor

ZHANG Hai-rui,LIANG Ting,HONG Ying-ping,TAN Qiu-lin,JIA Ping-gang,CAO Qun,XIONG Ji-jun

(Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In the wireless passive mutual inductance coupling sensing detection system,it needs to detect the resonance frequency of the remote sensing element to read sensor resonance information. Therefore,to design a high precision broadband linear sweep frequency source is to satisfy test system that achieve stable and accurate test. In order to solve this problem,a high bandwidth based on DDS technology of linear sweep source was designed. Its bandwidth is 1～100 MHz,its frequency accuracy is 0.116 Hz,the minimum sweep frequency step value is 0.233 Hz,and its driving ability is 6 dBm. MATLAB simulation analyzes the influence of LC resonant sensor detection precision when it is different sweep frequency step values of linear sweep frequency source. And the linear sweep frequency source is verified by experiment that is reliability and stable in the mutual inductance coupling resonator frequency readout system.

DDS; LC resonant sensor; MATLAB simulation; resonant frequency; wireless measurement

国家杰出青年科学基金项目(51425505)；国家自然科学基金项目(61471324)

2014-12-25 收修改稿日期：2015-06-30

TN98

A

1002-1841(2015)09-0023-05

张海瑞(1988—)，硕士研究生，主要从事动态测试技术及压力传感器方面的研究。E-mail：zhanghairuinuc@163.com 熊继军(1971—)，教授，博士生导师，博士，主要研究方向为传感器技术、微纳器件与系统研究。 E-mail：xiongjijunnuc@126.com