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FBARzhendangqi，qizhongyiluzuoweicankao，lingwaiyiluzuoweichuanganqixifuweixiaozhiliang
，youlianggezhendangpinlvdechazhiketuisuandedaoweixiaozhiliangdebianhua。caiyongchafendefangshikeyixiaochuFBAR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。

benshejitongguomonidianluheshuzidianludejiehe
，shixianleweizhiliangchuanganqibazhiliangxiangpinlvdezhuanhuan，bingnengzhunquedixianshichugaixinhaodepinlvhuozhezhouqi。tongguoduisuoshejidedianludefangzhenheshiyan，yanzhengleqikexingxing。

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