应用于硅微谐振式传感器的等精度频率计设计.pdf

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1、80传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2014年第33卷第4期应用于硅微谐振式传感器的等精度频率计设计李琰，李森林(中国计量学院机电工程学院，浙江杭州310018)摘要：针对传统频率测量中存在的弊端，利用等精度测频原理，采用现场可编程门阵列(FPGA)设计实现了等精度频率计。通过FPGA对同步门的控制，使被测信号和标准信号在闸门时间内同步，消除了量化误差，提高了测量精度，实现了在整个测试频段内测量精度不随被测信号频率的高低而发生变化，即实现了等精度测量。实验证明：采用该频率计测量标准信号频率的相对误差数量级为10一，测量谐振式传感器在

2、温漂下的输出频率的变化稳定在±1Hz，而且实现了谐振式传感器在红外辐射下频率的动态跟踪。关键词：等精度频率计；现场可编程门阵列；同步门控制；谐振式传感器中图分类号：TN710文献标识码：A文章编号：1000-9787(2014)04-0080-03'D～esi●Rnoinequa’lprecl●sl●Ontnrequencymet·erappli‘ed1t-osiliconmicro．resonantsensorLIYah，LISen—lin(CollegeofElectromechanicalEngineering，ChinaJiliangUniversity，Hangzhou31001

3、8，China)Abstract：Aimingatthedisadvantagesoftraditionalfrequencymeasurement，usingequalprecisionfrequencymeasurementprinciple，adoptingfieldprogrammablegatearray(FPGA)，designandachieveequalprecisionfrequencymeter．Themeasuredsignalandstandardsignalinthegatetimearesynchronizedbycontrollingthesynchronou

4、sgateusingFPGAeliminatequantizationerrorsandimprovemeasurementprecisionwhichdoesn’1changewiththefrequencyofthemeasuredsignalinthewholemeasurementfrequencysegment，thatmeansequalprecisionmeasurementisrealized．Experimentalresultsshowthattheorderofmagnitudeofrelativeerrorsbymeasuringstandardsignalsfre

5、quenceadoptingthedesignedfrequencymeteris10一，andchangeofoutputfrequencyofresonantsensorsisstablizedin±1Hzundertheconditionoftemperaturedrifts，anddynamicfrequencytrackingundertheinfraredradiationisalsoimplemented．Keywords：equalprecisionfrequencymeter；fieldprogrammablegatearay(FPGA)；controllingsynch

6、ronousgate；resonantsensor0引言精度差异很大；2)相邻2次测量之间需要清零间断，难以近几年来，随着MEMS技术的不断发展与完善，传感实现动态快速测量；3)在测频法和测周法的频率衔接点附器逐步趋向小型化和集成化。硅微谐振式传感器因其体积近存在着测量精度的跳变；4)测量范围有限。这些问题小、质量轻、精度高、响应快、长期稳定性好以及与Ic工艺制约了测量结果的精度，降低了测试系统的稳定性。本文兼容，易批量生产等优点⋯得到了越来越广泛的应用，其利用等精度测频原理J，结合FPGA技术，设计了等精度频输出信号为频率信号，而频率信号的测量精度的提高依赖率计，有效地解决了测量范围和精

7、度的问题。于频率计精度的提高。1硅微谐振式传感器传统频率计的设计一般有2种实现方案：一种是采用谐振式传感器是一种以频率变化来反映外界非电学信专用芯片，其特点是简单易行，但这种芯片的测频范围有号的换能器。本实验室设计的硅微谐振式传感器采用电热限，而且测量精度会受到芯片本身的限制无法满足高精度激励，压阻检测。敏感元件为微桥，微桥采用双层结测量的要求；另一种方案是以单片机为主再附加一些逻辑构，采用红外吸收薄膜材料，上层为等离子