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摘 要： 正確認(rèn)識(shí)現(xiàn)在聲表面波傳感器的新探索研究，對(duì)于現(xiàn)在新科技的應(yīng)用模式有哪些呢，本文是一篇計(jì)算機(jī)職稱論文。文章對(duì)頻率的測(cè)量在科學(xué)研究工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面都具有很重要的作用，能否得到一個(gè)準(zhǔn)確的頻率值往往決定了一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)劣。例如：現(xiàn)代很多傳感器
正確認(rèn)識(shí)現(xiàn)在聲表面波傳感器的新探索研究，對(duì)于現(xiàn)在新科技的應(yīng)用模式有哪些呢，本文是一篇計(jì)算機(jī)職稱論文。文章對(duì)頻率的測(cè)量在科學(xué)研究工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面都具有很重要的作用，能否得到一個(gè)準(zhǔn)確的頻率值往往決定了一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)劣。例如：現(xiàn)代很多傳感器輸出的信號(hào)具有準(zhǔn)數(shù)字化特征，這個(gè)特征就是信號(hào)不用進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換就可以直接輸入測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，電路的結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化，但是這個(gè)頻率信號(hào)的測(cè)量誤差是個(gè)難以解決的問(wèn)題，傳統(tǒng)的測(cè)頻法無(wú)法解決在頻率的上、下限處測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的較大誤差。
摘 要： 傳統(tǒng)的頻率測(cè)量方法不足之處較多，即使用單一測(cè)頻法在頻率的上下限處測(cè)量的誤差較大。在此設(shè)計(jì)了一種新型測(cè)頻法及其測(cè)量電路。即利用聲表面波帶通濾波器對(duì)被測(cè)頻率進(jìn)行預(yù)選，高于中界頻率的信號(hào)用測(cè)頻法，低于中界頻率的信號(hào)用側(cè)周法，試驗(yàn)結(jié)果表明新型測(cè)頻法的硬件電路在輔以高速數(shù)字器件后，系統(tǒng)測(cè)量精度比傳統(tǒng)測(cè)頻法有相對(duì)提高，具有在各個(gè)行業(yè)推廣應(yīng)用的價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 頻率測(cè)量; 聲表面波; 傳感器; 中界頻率,計(jì)算機(jī)職稱論文投稿
傳統(tǒng)的頻率測(cè)量是利用頻率計(jì)數(shù)電路[1]，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，這個(gè)規(guī)定的時(shí)間就是閘門(mén)時(shí)間，閘門(mén)時(shí)間是由雙穩(wěn)態(tài)電路提供的。測(cè)得的頻率數(shù)值[fx]，是在閘門(mén)時(shí)間[Tg]內(nèi)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)值[Nx]與閘門(mén)時(shí)間[Tg]的比值，即[fx=NxTg]。當(dāng)頻率計(jì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，被計(jì)數(shù)的信號(hào)脈沖首先通過(guò)閘門(mén)然后輸入計(jì)數(shù)器，一般狀況下，閘門(mén)的打開(kāi)與閉合與計(jì)數(shù)脈沖在端口輸入的時(shí)間是不同的。
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因此在相同的閘門(mén)時(shí)間里，頻率計(jì)數(shù)器對(duì)相同的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)，最終的顯示值是不一樣的，即有可能產(chǎn)生[±1]個(gè)脈沖誤差值[2]。[Nx]會(huì)產(chǎn)生誤差，[Tg]也會(huì)產(chǎn)生誤差，這些誤差的疊加就構(gòu)成了實(shí)際的測(cè)頻誤差。利用晶振來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)[Tg]，方法是晶振的輸出信號(hào)[fb]通過(guò)[n]級(jí)10分頻電路，即[Tg=10n×1fb]。所以，[fx=Nx/Tg=Nx×][fb10n]。最終測(cè)頻法的相對(duì)誤差[dfxfx]為：
[dfxfx=dNxNx+dfbfb] (1)
[δf=δN+δ0] (2)
式中：[δN=dNxNx=±1Nx]是示值的相對(duì)誤差，也叫量化誤差;[δf=dfxfx]是被測(cè)頻率信號(hào)的相對(duì)誤差;[δ0=df0f0]是晶體振蕩器的頻率準(zhǔn)確度，可以用來(lái)表示頻率信號(hào)的穩(wěn)定程度。
由式(2)可得，，被測(cè)頻率的相對(duì)誤差由兩方面內(nèi)容構(gòu)成。即系統(tǒng)石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度和量化誤差組成。量化誤差與兩個(gè)因素相關(guān)：被測(cè)信號(hào)的頻率值得上下限和雙穩(wěn)態(tài)電路的輸出閘門(mén)時(shí)間。在某一頻率[fx]的值不變的情況下，閘門(mén)時(shí)間[Tg]越大，誤差值越小，閘門(mén)時(shí)間[Tg]越短，誤差值越大。如果取閘門(mén)時(shí)間[Tg]為某一定值時(shí)，測(cè)量值[fx]越大，誤差越小，測(cè)量值[fx]越小，誤差就越大。在檢測(cè)過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)頻率值較低的信號(hào)測(cè)量精度較低，頻率值較高的信號(hào)測(cè)量值較高的情況。系統(tǒng)的測(cè)頻結(jié)果與頻率信號(hào)的高低有直接關(guān)系。為了避免出現(xiàn)以上的情況，本文設(shè)計(jì)了一種利用表面聲波器件的新式測(cè)頻法。
1 新型測(cè)頻法原理
外界的物理量可以影響聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)[3]傳感器輸出頻率的數(shù)值。表面聲波傳感器的固有頻率達(dá)到了百兆Hz量級(jí)，這個(gè)頻率太高，因此很難被頻率計(jì)精準(zhǔn)測(cè)量，只有通過(guò)成比例的降低頻率才能精準(zhǔn)測(cè)量。本文的被測(cè)量是表面聲波傳感器在進(jìn)行了差動(dòng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)之后輸出的頻率。這個(gè)頻率在經(jīng)過(guò)混頻電路之后就處于0～1 MHz之間。這個(gè)頻率范圍是可以精準(zhǔn)測(cè)量的。為了在頻率的兩端都有較高的測(cè)量精度和較低的測(cè)量誤差，本文設(shè)計(jì)了利用表面聲波帶通濾波器的新式頻率測(cè)量方法。帶通濾波器對(duì)于通過(guò)的信號(hào)有較強(qiáng)的選擇能力，只有信號(hào)的頻率在通頻帶內(nèi)的信號(hào)才能無(wú)失真的通過(guò)。在此可以按照頻率的高低來(lái)設(shè)計(jì)兩個(gè)聲表面帶通濾波器，設(shè)計(jì)方式主要是在插指換能器的密度上按事先計(jì)算的結(jié)果來(lái)排成不同的密度，聲波在諧振腔內(nèi)的振動(dòng)頻率由于換能器的密度不同而不同。這樣最終輸出的頻率就根據(jù)插指的密度不同而不同，整個(gè)系統(tǒng)只要2個(gè)帶通濾波器就可以了。將來(lái)如果想要實(shí)現(xiàn)精度更高的系統(tǒng)，可以考慮多個(gè)帶通濾波器的情況，這樣帶通濾波器的設(shè)計(jì)難度會(huì)增加。
頻率信號(hào)的測(cè)量方式有兩類，高頻段可以測(cè)頻以及低頻段可以測(cè)周期。至于何時(shí)測(cè)頻以及何時(shí)測(cè)周期則要看測(cè)量?jī)x器的中界頻率[2][f0]。高于中界頻率的頻率應(yīng)該選用測(cè)頻法，低于中界頻率的頻率應(yīng)該選用測(cè)周期的方法。其中，中界頻率[f0=fcT];[fc]為測(cè)周期時(shí)儀器計(jì)數(shù)脈沖的頻率;[T]為直接測(cè)量頻率時(shí)規(guī)定的閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間。利用兩個(gè)帶寬分別是[f0，fmax]和[fmin，f0]的聲表面波帶通濾波器[SAWF1]與[SAWF2]就可以判斷頻率信號(hào)的數(shù)值[4]，實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。其中，[fmax]與[fmin]分別是表面聲波傳感器里的敏感元件[SAWR1]輸出信號(hào)的頻率[f1]的上限值與下限值。[f1]信號(hào)是前端傳感器懸臂梁上表面敏感元件的輸出信號(hào)。因?yàn)閇f1]頻率較高，直接對(duì)信號(hào)[f1]測(cè)量誤差較大，于是選擇傳感器[SAWR1]與[SAWR2]輸出信號(hào)的差頻結(jié)果[Δf]進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)[Δf]的測(cè)量可以知道外界加速度的具體數(shù)值，通過(guò)對(duì)[SAWR1]輸出的信號(hào)[f1]的測(cè)量，通過(guò)測(cè)量值可以判斷頻率的高低并確定適合的測(cè)頻法。由圖1可見(jiàn)，帶通濾波器[SAWF1]可以讓高于中界頻率的頻率信號(hào)通過(guò)[5]，而[SAWF2]可以讓低于中界頻率的頻率信號(hào)通過(guò)。當(dāng)[f1>f0]時(shí)，[SAWF1]輸出高電平并同時(shí)觸發(fā)三態(tài)與門(mén)1。被測(cè)信號(hào)[Δf]經(jīng)過(guò)放大整形后變成了一系列的窄脈沖并輸入到三態(tài)與門(mén)1。晶體振蕩器輸出的正弦信號(hào)(頻率為[fc]，周期為[Tc])，經(jīng)k次分頻、整形后得到周期為[T1=kTc]的窄脈沖，以此脈沖觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)電路1，從雙穩(wěn)態(tài)電路的輸出端即得到所需要的寬度為基準(zhǔn)時(shí)間[T1]的脈沖信號(hào)即閘門(mén)時(shí)間脈沖，該信號(hào)一路輸入到三態(tài)與門(mén)1，一路輸入到與門(mén)1。在三態(tài)與門(mén)1導(dǎo)通期間[6]，被測(cè)頻率[Δf]與閘門(mén)時(shí)間[T1]為與的關(guān)系，即[Δf]只有在[T1]時(shí)間內(nèi)能通過(guò)三態(tài)與門(mén)1，并輸入到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。雙穩(wěn)態(tài)電路的輸出信號(hào)一路輸入到了與門(mén)1，與門(mén)1的另一個(gè)輸入信號(hào)是SAWF1的輸出信號(hào)[f1]，當(dāng)[f1>f0]時(shí)，[f1]、[T1]為與的關(guān)系，與門(mén)1輸出高電平信號(hào)并觸發(fā)計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作，計(jì)數(shù)器在[T1]時(shí)間內(nèi)對(duì)[Δf]進(jìn)行計(jì)數(shù)，假設(shè)計(jì)數(shù)值為[N1]，則[Δf=N1T1]。根據(jù)[Δf]的值可以推算出外界加速度的大小。同理，當(dāng)[f1 2 分頻、計(jì)數(shù)以及顯示模塊的設(shè)計(jì)
被測(cè)信號(hào)的頻率介于0～1 MHz，相對(duì)數(shù)字電路器件來(lái)說(shuō)信號(hào)的頻率稍高。電路各個(gè)元器件都有傳輸延遲的現(xiàn)象，高頻信號(hào)在測(cè)量中就會(huì)產(chǎn)生一些誤差，這些誤差體現(xiàn)在計(jì)數(shù)環(huán)節(jié)，譯碼環(huán)節(jié)及數(shù)碼顯示環(huán)節(jié)上。利用D觸發(fā)器具有分頻的特性，在正式測(cè)量前對(duì)信號(hào)進(jìn)行降頻，這樣可以得到一個(gè)頻率相對(duì)較低的信號(hào)。這樣的信號(hào)在后續(xù)的測(cè)量過(guò)程中不會(huì)帶有太大的誤差。
圖2是后續(xù)電路，包括顯示、分頻和計(jì)數(shù)3個(gè)環(huán)節(jié)。頻率降低的原理是通過(guò)D觸發(fā)器對(duì)輸入被測(cè)信號(hào)首先進(jìn)行兩分頻，這樣可以得到輸入信號(hào)頻率一半的被測(cè)信號(hào)。電路的結(jié)構(gòu)是把D觸發(fā)器的端口[Q]與D觸發(fā)器的置位端口D直接連接從而構(gòu)成兩分頻電路。觸發(fā)器輸出端的輸出信號(hào)再送到10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS192D的UP端口，這個(gè)信號(hào)的頻率很高達(dá)到了1 MHz，所以必須用6個(gè)數(shù)碼管來(lái)顯示被測(cè)結(jié)果。低位計(jì)數(shù)器的C0端口和高一位的UP端口連接，這樣就可以顯示6位10進(jìn)制數(shù)字。電路圖里J1的功能是對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行清零操作，以保證測(cè)量開(kāi)始時(shí)數(shù)碼管都顯示0。整體電路如圖2所示。3 試驗(yàn)結(jié)果及精度分析
利用Multisim 10軟件對(duì)測(cè)頻電路進(jìn)行分析。分析過(guò)程為選取1 MHz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，首先進(jìn)行2分頻，整體電路里的頻率計(jì)XFC1對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，顯示示值為500 kHz。使用軟件自帶的示波器對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)， 由圖3、圖4可得2分頻后的信號(hào)頻率約為被測(cè)信號(hào)頻率的一半。測(cè)試數(shù)據(jù)證明所設(shè)計(jì)的兩分頻電路滿足測(cè)量的要求。從表1可以看出，系統(tǒng)在測(cè)量時(shí)在低頻段的誤差幾乎為0，只有在高頻段才出現(xiàn)了誤差。信號(hào)源輸出的頻率為500 kHz時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量頻率為499 kHz，絕對(duì)誤差是1 Hz。信號(hào)源輸出的頻率為1 000 kHz時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量頻率為997 kHz，絕對(duì)誤差是3 Hz。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文提出的基于頻率選擇的測(cè)頻法在誤差控制上得到了提高，但是還有一些問(wèn)題尚需解決，例如下一步可以考慮測(cè)量理論的具體實(shí)現(xiàn)。利用智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)新型頻率測(cè)量方法，首先要考慮選用哪種芯片，在電路中還要選取具體的雙穩(wěn)態(tài)電路和相應(yīng)的觸發(fā)器。電路中的濾波與放大電路也要設(shè)計(jì)合理，只有所有的因素滿足系統(tǒng)的需要，整個(gè)系統(tǒng)才能體現(xiàn)出設(shè)計(jì)目標(biāo)。