傳統的FBAR質量傳感器由FBAR器(qi)件(jian)和(he)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)電(dian)路(lu)組(zu)成(cheng)。在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，為(wei)了(le)使(shi)微(wei)質(zhi)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)方(fang)便(bian)使(shi)用(yong)，需(xu)要(yao)設(she)計(ji)出(chu)一(yi)塊(kuai)包(bao)含(han)了(le)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)和(he)信(xin)號(hao)數(shu)字(zi)量(liang)讀(du)取(qu)並(bing)輸(shu)出(chu)的(de)電(dian)路(lu)[1]。由於FBAR微質量傳感器的信號頻率為1 GHz~2 GHz甚至更高，普通的CMOS電路直接對該頻率信號進行采集處理難度比較大
，且難以保證精度。目前通常采用對頻率信號先用N分頻電路進行分頻，使FBAR的輸出頻率降至CMOS電路可以處理的頻率，再進行信號讀取。本文采用雙通道結構，模擬與數字相結合的方法進行信號的處理,先利用模擬電路進行信號的處理
，再利用數字電路對處理過的信號進行周期或者頻率的讀取。

1 係統構成

根據Rayleigh理論,機電係統的諧振本質上是係統中動能和勢能的平衡，在FBAR表麵加載一定微擾量的物質後，原先的能量平衡被破壞，為了實現新的平衡，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麵微擾量的大小。根據這個原理設計的信號處理電路結構如圖1所示。該電路采用雙通道結構，利用兩個FBAR振(zhen)蕩(dang)器(qi)，其(qi)中(zhong)一(yi)路(lu)作(zuo)為(wei)參(can)考(kao)，另(ling)外(wai)一(yi)路(lu)作(zuo)為(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)吸(xi)附(fu)微(wei)小(xiao)質(zhi)量(liang)
，由(you)兩(liang)個(ge)振(zhen)蕩(dang)頻(pin)率(lv)的(de)差(cha)值(zhi)可(ke)推(tui)算(suan)得(de)到(dao)微(wei)小(xiao)質(zhi)量(liang)的(de)變(bian)化(hua)。采(cai)用(yong)差(cha)分(fen)的(de)方(fang)式(shi)可(ke)以(yi)消(xiao)除(chu)FBAR工作環境因素的不利影響
，同時可靠性和檢測精度也會得到提高[2]。

FBAR微質量傳感電路由振蕩、混頻
、濾波、波形整形、頻率檢測、顯示六部分組成。在具體的設計中先利用正反饋原理，采用電容式反饋讓FBAR起振,將質量變化的物理量轉化為正弦頻率的電信號，經過Motorola的MC1596混hun頻pin器qi的de混hun頻pin
，然ran後hou濾lv波bo，最zui後hou通tong過guo搭da建jian的de整zheng形xing電dian路lu進jin行xing整zheng形xing就jiu可ke得de到dao一yi個ge方fang波bo信xin號hao。頻pin率lv檢jian測ce是shi為wei了le準zhun確que地di檢jian測ce這zhe個ge方fang波bo信xin號hao的de頻pin率lv。

2 FPGA功能模塊

在頻率檢測的模塊中，以QuartusⅡ為開發工具
，分別對頻率檢測的各個模塊進行了VHDL描(miao)述(shu)。通(tong)過(guo)仿(fang)真(zhen)驗(yan)證(zheng)其(qi)功(gong)能(neng)都(dou)得(de)到(dao)了(le)實(shi)現(xian)
，最(zui)後(hou)的(de)頂(ding)層(ceng)設(she)計(ji)仿(fang)真(zhen)也(ye)說(shuo)明(ming)頻(pin)率(lv)檢(jian)測(ce)是(shi)符(fu)合(he)要(yao)求(qiu)的(de)。頻(pin)率(lv)檢(jian)測(ce)先(xian)把(ba)經(jing)過(guo)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)處(chu)理(li)好(hao)的(de)信(xin)號(hao)送(song)入(ru)量(liang)程(cheng)選(xuan)擇(ze)模(mo)塊(kuai)，選(xuan)擇(ze)相(xiang)應(ying)的(de)檔(dang)位(wei)，一(yi)路(lu)信(xin)號(hao)送(song)入(ru)小(xiao)數(shu)點(dian)產(chan)生(sheng)模(mo)塊(kuai)，另(ling)外(wai)一(yi)路(lu)信(xin)號(hao)送(song)入(ru)計(ji)數(shu)時(shi)鍾(zhong)和(he)閘(zha)門(men)產(chan)生(sheng)模(mo)塊(kuai)
；經(jing)過(guo)對(dui)石(shi)英(ying)晶(jing)振(zhen)和(he)被(bei)測(ce)信(xin)號(hao)的(de)二(er)分(fen)頻(pin)產(chan)生(sheng)計(ji)數(shu)時(shi)鍾(zhong)和(he)閘(zha)門(men)信(xin)號(hao)

，再(zai)送(song)入(ru)周(zhou)期(qi)測(ce)量(liang)模(mo)塊(kuai)測(ce)出(chu)被(bei)測(ce)信(xin)號(hao)的(de)周(zhou)期(qi)
，按(an)照(zhao)需(xu)要(yao)還(hai)可(ke)以(yi)把(ba)信(xin)號(hao)送(song)入(ru)除(chu)法(fa)器(qi)得(de)到(dao)頻(pin)率(lv)；最後通過選擇器來選擇周期或者頻率並送入相對應小數點的模塊，最終送入顯示模塊。

2.1量程選擇模塊

liangchengxuanzemokuaizhuyaoshixianyigezhouqiceliangdejishuqi，yongbeicexinhaozhouqizuoweizhamendechangdu，yongjingzhenshizhongzuoweijishushizhong，genjusuojideshuzhilaixuanzeliangchengbianhao。gaimokuaicaiyong7位 BCD計數器計數。把被測信號進行二分頻然後送入到計數器的清零端，即可實現被測信號的二分頻為低電平進行計數器計數,在被測信號的二分頻為高電平時清零。7位BCD計數器主要輸出2路信號
，一個為進位信號count
，另外一個為標誌每一位BCD數zeros[6,0]是否為0,根據zeros[6,0]通(tong)過(guo)簡(jian)單(dan)的(de)組(zu)合(he)邏(luo)輯(ji)譯(yi)碼(ma)電(dian)路(lu)即(ji)可(ke)選(xuan)擇(ze)量(liang)程(cheng)編(bian)號(hao)。輸(shu)出(chu)結(jie)果(guo)通(tong)過(guo)寄(ji)存(cun)器(qi)鎖(suo)存(cun)
，當(dang)計(ji)數(shu)器(qi)清(qing)零(ling)時(shi)，結(jie)果(guo)仍(reng)然(ran)保(bao)存(cun)在(zai)寄(ji)存(cun)器(qi)中(zhong)。寄(ji)存(cun)器(qi)中(zhong)的(de)數(shu)據(ju)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)組(zu)合(he)邏(luo)輯(ji)的(de)譯(yi)碼(ma)電(dian)路(lu)顯(xian)示(shi)出(chu)最(zui)終(zhong)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)量(liang)程(cheng)編(bian)號(hao)。

2.2時鍾和閘門模塊

時鍾信號可能是晶振時鍾或者晶振時鍾的10分頻，閘門信號可能是待測信號的10分頻、102分頻、103分頻、104分頻
、105分頻、106分頻。而閘門信號的分頻問題可用量程估計模塊所用的zeros[6,0]解決。例如zeros(2)代表7位 BCD計數器的百位是否為0。假如要實現103分頻
，則zeros(2)為高電平占100個計數周期
，zeros(2)為低電平占900個周期。時鍾信號是晶振時鍾或者晶振時鍾的10分頻，晶振時鍾的10分頻可通過1個模為10的計數器輕鬆實現。

2.3 周期計數模塊

周期計數模塊使用一個7位BCD計數來實現計數的穩定輸出，采用2個寄存器來實現。通過前1個寄存器實現清零不鎖存數據，後1個寄存器實現清零鎖存數據[3]。最終實現了不輸出中間計數結果、隻穩定輸出最終結果的目的。

當閘門信號分別為100 ?滋s和10 μs時，因為被測信號經過二分頻才產生閘門信號，所以被測信號為50 μs和5 μs，圖5中的相應的輸出值為49.9μs和4.9 λs
，兩者的誤差都不大。
[page]

2.4 除法器模塊

除法器模塊的任務是周期到頻率的轉換。為了保證精度
，決定輸出結果也采用7位BCD數。這樣被除數就需要達到1013。因為前麵為了使計數都達到106~107，閘門的寬度經過不同程度的分頻，時間都在0.1 s~1 s
，除法器可以采用時序較慢的時序邏輯電路。這就意味著可以把除法運算轉化成減法運算
，相當於1013減去多少個閘門時間T[4]。因為高7位隻是借位
，實際發生變化的是低7位。因此
，為了實現除法運算
，需要一個7位減法器來運算低7位被除數減去除數T
，需要一個減法計數器來保存被除數高7位BCD數，還需要一個7位 BCD加法器來保存做過的減法運算的次數。

這裏還涉及了一個狀態轉換，於是采用了狀態機這個概念。狀態機相當於一個電路控製係統
，負責寄存器的被除數和除數的加載
、清零以及計數器的清零和計數等功能[5]。狀態s0表示就緒狀態，負責各個寄存器和計數器的清零和加載。s0持續一個晶振周期後自動轉換到s1。在s1狀態下
，做減法運算，直到7位 BCD減法計數器為0，代表被除數高7位全部借完，此時狀態s1結束，轉為狀態s2，即把7 位 BCD加法器的結果輸出到寄存器B。

狀態機先從001(s0)經過1個周期的等待無條件地轉換到010(s1)；當zeros產生高電平
，即借位完畢時再轉換到100(s2)並輸出結果。

2.5 小數點模塊

 由於精度的要求，改變了閘門的大小，使讀數始終保持106~107，這就需要小數模塊來實現讀數的準確化。因為假如讀數都是4×106，如果沒有小數點的選擇，將不知道這個數到底表示多大的周期或者頻率。小數點的顯示與量程的選擇其實是一一對應的。例如0.01 μs，小數點控製位顯示0000100。在周期模式裏，小數對應方式為：量程0對應0000001
，量程1對應0000010，量程2對應0000100
，量程3對應0001000，量程4對應0010000
，量程5對應0100000，量程6對應1000000，量程7對應1111111。在頻率模式下，小數對應方式為：量程0對應1111111，量程1對應1000000，量程2對應0100000

，量程3對應0010000，量程4對應0001000
，量程5對應0000100，量程6對應0000010
，量程7對應0000001。

本ben設she計ji通tong過guo模mo擬ni電dian路lu和he數shu字zi電dian路lu的de結jie合he
，實shi現xian了le微wei質zhi量liang傳chuan感gan器qi把ba質zhi量liang向xiang頻pin率lv的de轉zhuan換huan，並bing能neng準zhun確que地di顯xian示shi出chu該gai信xin號hao的de頻pin率lv或huo者zhe周zhou期qi。通tong過guo對dui所suo設she計ji的de電dian路lu的de仿fang真zhen和he實shi驗yan，驗yan證zheng了le其qi可ke行xing性xing。

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