摘   要： 介紹了AIN薄膜體聲波（FBAR）傳感器以及信號(hào)處理電路的原理，著重設(shè)計(jì)了傳感器的頻率檢測電路。頻率檢測電路采用VHDL語言對(duì)各個(gè)電路子模塊編寫相應(yīng)的代碼，并利用Quartus9.0完成了仿真。仿真結(jié)果表明，相對(duì)精度為10-6，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)想，滿足了FBAR傳感器的要求。
關(guān)鍵詞： FBAR； 信號(hào)處理； VHDL

    近年來，隨著射頻無線通信技術(shù)和半導(dǎo)體工藝的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的傳感器也正向微型化、智能化、信息化轉(zhuǎn)變。以薄膜體聲波諧振FBAR(Film Bulk Acoustic Wave)技術(shù)為基礎(chǔ)的微質(zhì)量傳感器因其具有體積小、頻率覆蓋范圍廣、頻帶寬、Q值高、帶外抑制高(大約50 dB)、功率容量大、溫度系數(shù)小、可與半導(dǎo)體工藝兼容等優(yōu)勢，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
    傳統(tǒng)的FBAR質(zhì)量傳感器由FBAR器件和信號(hào)處理電路組成。在實(shí)際應(yīng)用中，為了使微質(zhì)量傳感器方便使用，需要設(shè)計(jì)出一塊包含了信號(hào)處理和信號(hào)數(shù)字量讀取并輸出的電路[1]。由于FBAR微質(zhì)量傳感器的信號(hào)頻率為1 GHz~2 GHz甚至更高，普通的CMOS電路直接對(duì)該頻率信號(hào)進(jìn)行采集處理難度比較大，且難以保證精度。目前通常采用對(duì)頻率信號(hào)先用N分頻電路進(jìn)行分頻，使FBAR的輸出頻率降至CMOS電路可以處理的頻率，再進(jìn)行信號(hào)讀取。本文采用雙通道結(jié)構(gòu)，模擬與數(shù)字相結(jié)合的方法進(jìn)行信號(hào)的處理,先利用模擬電路進(jìn)行信號(hào)的處理，再利用數(shù)字電路對(duì)處理過的信號(hào)進(jìn)行周期或者頻率的讀取。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
    根據(jù)Rayleigh理論,機(jī)電系統(tǒng)的諧振本質(zhì)上是系統(tǒng)中動(dòng)能和勢能的平衡，在FBAR表面加載一定微擾量的物質(zhì)后，原先的能量平衡被破壞，為了實(shí)現(xiàn)新的平衡，諧振頻率必然降低，通過FBAR諧振頻率的變化可以反推出加載在表面微擾量的大小。根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電路采用雙通道結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)FBAR振蕩器，其中一路作為參考，另外一路作為傳感器吸附微小質(zhì)量，由兩個(gè)振蕩頻率的差值可推算得到微小質(zhì)量的變化。采用差分的方式可以消除FBAR工作環(huán)境因素的不利影響，同時(shí)可靠性和檢測精度也會(huì)得到提高[2]。

    FBAR微質(zhì)量傳感電路由振蕩、混頻、濾波、波形整形、頻率檢測、顯示六部分組成。在具體的設(shè)計(jì)中先利用正反饋原理，采用電容式反饋?zhàn)孎BAR起振,將質(zhì)量變化的物理量轉(zhuǎn)化為正弦頻率的電信號(hào)，經(jīng)過Motorola的MC1596混頻器的混頻，然后濾波，最后通過搭建的整形電路進(jìn)行整形就可得到一個(gè)方波信號(hào)。頻率檢測是為了準(zhǔn)確地檢測這個(gè)方波信號(hào)的頻率。
2 FPGA功能模塊
    在頻率檢測的模塊中，以QuartusⅡ?yàn)殚_發(fā)工具，分別對(duì)頻率檢測的各個(gè)模塊進(jìn)行了VHDL描述。通過仿真驗(yàn)證其功能都得到了實(shí)現(xiàn)，最后的頂層設(shè)計(jì)仿真也說明頻率檢測是符合要求的。頻率檢測先把經(jīng)過模擬電路處理好的信號(hào)送入量程選擇模塊，選擇相應(yīng)的檔位，一路信號(hào)送入小數(shù)點(diǎn)產(chǎn)生模塊，另外一路信號(hào)送入計(jì)數(shù)時(shí)鐘和閘門產(chǎn)生模塊；經(jīng)過對(duì)石英晶振和被測信號(hào)的二分頻產(chǎn)生計(jì)數(shù)時(shí)鐘和閘門信號(hào)，再送入周期測量模塊測出被測信號(hào)的周期，按照需要還可以把信號(hào)送入除法器得到頻率；最后通過選擇器來選擇周期或者頻率并送入相對(duì)應(yīng)小數(shù)點(diǎn)的模塊，最終送入顯示模塊。其電路框圖如圖2所示。

2.1量程選擇模塊
    量程選擇模塊主要實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期測量的計(jì)數(shù)器，用被測信號(hào)周期作為閘門的長度，用晶振時(shí)鐘作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘，根據(jù)所記的數(shù)值來選擇量程編號(hào)。該模塊采用7位 BCD計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。把被測信號(hào)進(jìn)行二分頻然后送入到計(jì)數(shù)器的清零端，即可實(shí)現(xiàn)被測信號(hào)的二分頻為低電平進(jìn)行計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),在被測信號(hào)的二分頻為高電平時(shí)清零。7位BCD計(jì)數(shù)器主要輸出2路信號(hào)，一個(gè)為進(jìn)位信號(hào)count，另外一個(gè)為標(biāo)志每一位BCD數(shù)zeros[6,0]是否為0,根據(jù)zeros[6,0]通過簡單的組合邏輯譯碼電路即可選擇量程編號(hào)。輸出結(jié)果通過寄存器鎖存，當(dāng)計(jì)數(shù)器清零時(shí)，結(jié)果仍然保存在寄存器中。寄存器中的數(shù)據(jù)通過一個(gè)組合邏輯的譯碼電路顯示出最終所需要的量程編號(hào)。
    從圖3所示仿真波形可見， 當(dāng)被測信號(hào)的頻率為25 kHz時(shí)得到量程5，符合前面的分析。

2.2時(shí)鐘和閘門模塊
     時(shí)鐘信號(hào)可能是晶振時(shí)鐘或者晶振時(shí)鐘的10分頻，閘門信號(hào)可能是待測信號(hào)的10分頻、102分頻、103分頻、104分頻、105分頻、106分頻。而閘門信號(hào)的分頻問題可用量程估計(jì)模塊所用的zeros[6,0]解決。例如zeros(2)代表7位 BCD計(jì)數(shù)器的百位是否為0。假如要實(shí)現(xiàn)103分頻，則zeros(2)為高電平占100個(gè)計(jì)數(shù)周期，zeros(2)為低電平占900個(gè)周期。時(shí)鐘信號(hào)是晶振時(shí)鐘或者晶振時(shí)鐘的10分頻，晶振時(shí)鐘的10分頻可通過1個(gè)模為10的計(jì)數(shù)器輕松實(shí)現(xiàn)。
    時(shí)鐘和閘門模塊仿真波形如圖4所示。圖中被測信號(hào)的頻率為25 kHz,輸出的時(shí)鐘為10 MHz，輸出的閘門信號(hào)gate寬度為40 ms。

2.3 周期計(jì)數(shù)模塊
    周期計(jì)數(shù)模塊使用一個(gè)7位BCD計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的穩(wěn)定輸出，采用2個(gè)寄存器來實(shí)現(xiàn)。通過前1個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)清零不鎖存數(shù)據(jù)，后1個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)清零鎖存數(shù)據(jù)[3]。最終實(shí)現(xiàn)了不輸出中間計(jì)數(shù)結(jié)果、只穩(wěn)定輸出最終結(jié)果的目的。周期計(jì)數(shù)模塊仿真波形如圖5所示。

    當(dāng)閘門信號(hào)分別為100 ?滋s和10 μs時(shí)，因?yàn)楸粶y信號(hào)經(jīng)過二分頻才產(chǎn)生閘門信號(hào)，所以被測信號(hào)為50 μs和5 μs，圖5中的相應(yīng)的輸出值為49.9μs和4.9 λs，兩者的誤差都不大。
2.4 除法器模塊
    除法器模塊的任務(wù)是周期到頻率的轉(zhuǎn)換。為了保證精度，決定輸出結(jié)果也采用7位BCD數(shù)。這樣被除數(shù)就需要達(dá)到1013。因?yàn)榍懊鏋榱耸褂?jì)數(shù)都達(dá)到106~107，閘門的寬度經(jīng)過不同程度的分頻，時(shí)間都在0.1 s~1 s，除法器可以采用時(shí)序較慢的時(shí)序邏輯電路。這就意味著可以把除法運(yùn)算轉(zhuǎn)化成減法運(yùn)算，相當(dāng)于1013減去多少個(gè)閘門時(shí)間T[4]。因?yàn)楦?位只是借位，實(shí)際發(fā)生變化的是低7位。因此，為了實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算，需要一個(gè)7位減法器來運(yùn)算低7位被除數(shù)減去除數(shù)T，需要一個(gè)減法計(jì)數(shù)器來保存被除數(shù)高7位BCD數(shù)，還需要一個(gè)7位 BCD加法器來保存做過的減法運(yùn)算的次數(shù)。除法器的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

    這里還涉及了一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，于是采用了狀態(tài)機(jī)這個(gè)概念。狀態(tài)機(jī)相當(dāng)于一個(gè)電路控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)寄存器的被除數(shù)和除數(shù)的加載、清零以及計(jì)數(shù)器的清零和計(jì)數(shù)等功能[5]。狀態(tài)s0表示就緒狀態(tài)，負(fù)責(zé)各個(gè)寄存器和計(jì)數(shù)器的清零和加載。s0持續(xù)一個(gè)晶振周期后自動(dòng)轉(zhuǎn)換到s1。在s1狀態(tài)下，做減法運(yùn)算，直到7位 BCD減法計(jì)數(shù)器為0，代表被除數(shù)高7位全部借完，此時(shí)狀態(tài)s1結(jié)束，轉(zhuǎn)為狀態(tài)s2，即把7 位 BCD加法器的結(jié)果輸出到寄存器B。
    圖7所示為除法器的仿真波形?？梢钥吹?，狀態(tài)機(jī)先從001(s0)經(jīng)過1個(gè)周期的等待無條件地轉(zhuǎn)換到010(s1)；當(dāng)zeros產(chǎn)生高電平，即借位完畢時(shí)再轉(zhuǎn)換到100(s2)并輸出結(jié)果。

2.5 小數(shù)點(diǎn)模塊
    由于精度的要求，改變了閘門的大小，使讀數(shù)始終保持106~107，這就需要小數(shù)模塊來實(shí)現(xiàn)讀數(shù)的準(zhǔn)確化。因?yàn)榧偃缱x數(shù)都是4×106，如果沒有小數(shù)點(diǎn)的選擇，將不知道這個(gè)數(shù)到底表示多大的周期或者頻率。小數(shù)點(diǎn)的顯示與量程的選擇其實(shí)是一一對(duì)應(yīng)的。例如0.01 μs，小數(shù)點(diǎn)控制位顯示0000100。在周期模式里，小數(shù)對(duì)應(yīng)方式為：量程0對(duì)應(yīng)0000001，量程1對(duì)應(yīng)0000010，量程2對(duì)應(yīng)0000100，量程3對(duì)應(yīng)0001000，量程4對(duì)應(yīng)0010000，量程5對(duì)應(yīng)0100000，量程6對(duì)應(yīng)1000000，量程7對(duì)應(yīng)1111111。在頻率模式下，小數(shù)對(duì)應(yīng)方式為：量程0對(duì)應(yīng)1111111，量程1對(duì)應(yīng)1000000，量程2對(duì)應(yīng)0100000，量程3對(duì)應(yīng)0010000，量程4對(duì)應(yīng)0001000，量程5對(duì)應(yīng)0000100，量程6對(duì)應(yīng)0000010，量程7對(duì)應(yīng)0000001。小數(shù)點(diǎn)仿真波形如圖8所示。

    由圖可知，5 MHz的被測信號(hào)的周期為0.2 s,實(shí)驗(yàn)所得為0.199 999 9s，相對(duì)誤差為1×10-6。
    本設(shè)計(jì)通過模擬電路和數(shù)字電路的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了微質(zhì)量傳感器把質(zhì)量向頻率的轉(zhuǎn)換，并能準(zhǔn)確地顯示出該信號(hào)的頻率或者周期。通過對(duì)所設(shè)計(jì)的電路的仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性。
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