CN1647374A - 用于追踪谐振频率的改进方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于通过一个单一通道追踪一个或者多个电谐振结构(11，21)的谐振频率的设备，包括一个与这个或者每个谐振结构(11，21)相关的可变频率振荡器(13，23)，其提供覆盖相关的谐振结构的可能谐振频率范围的可变频率的一个激励信号。耦合装置(2)用来将这个或者每个频率振荡器(13，23)与所述谐振结构相连。一个I型混频器(15，25)用于每个振荡器(13，23)以形成一个同步检测器，每个I型混频器(15，25)的第一输入(15a，25a)被连接在与它相关的振荡器(13，23)上，其第二输入(15b，25b)被连接在耦合装置(2)上，这个或者每个I型混频器(15，25)将来自与之相关的可变频率振荡器(13，23)的激励信号和由谐振结构响应这个或者每个激励信号所产生的一个响应信号相混合。这个或者每个I型混频器(15，25)的输出被滤波以去掉激励信号和响应信号的和的产物，因此仅仅保留信号的一个调幅成分，其接着在一个控制回路中被处理以追踪这个或者每个谐振结构的谐振频率。

Description

用于追踪谐振频率的改进方法和设备

本发明涉及用于追踪电谐振结构，特别是那些远离驱动和感应电子设备安装的结构的谐振频率的改进方法。

国际专利申请号no.WO 98/21818公开了一个用于追踪电谐振结构的谐振频率的系统，其中，一个可变频率振荡器通过一个双向RF传输线与谐振结构相连接，该振荡器产生一个激励信号，该信号覆盖目标谐振结构的可能谐振频率范围的可变频率。被该谐振结构反射的激励信号的比例和消耗的比例将依赖于该激励信号的频率和该谐振结构的谐振频率的差额，而该传输线包括一个定向耦合器，它产生一个与来自谐振结构的反射信号成比例的定向耦合信号。定向耦合信号是由一个处理器调节的，以向可变频率振荡器的输入提供一个反馈信号，这样的以至于该激励信号的平均频率被持续的产生，以追踪该谐振结构的变化着的谐振频率。

该装置在采用SAW(表面声波)设备作为传感单元进行非接触式扭距测量中有特别的应用。然而，很多这样的应用通过当一个扭距被应用时一个谐振器处于拉长状态同时第二个谐振器处于压缩状态，来使用附加到一个旋转轴上的两个SAW。这带来第一个装置的谐振频率减小同时第二个的会增大。两个装置通常会有一个存在于两者间的1MHz的标称差，因此由于扭距，该系统的输出是一个差频，它随着应用的扭距在1MHz附近变化。然而，为了与现有技术的追踪系统联合使用，在轴上的这两个传感器必须通过两对非接触的旋转耦合传输线电气地连接在装置的固定片上。使用两对耦合器是有缺点的，机械设备的大小和复杂性会增加，从而成本增加。此外，旋转耦合的传输线能装载SAW谐振器，并因此改变它的频率。因为系统是差动的，当两对都等量地改变各自的传感响应，则该影响会被消除，但是如果这两个通道不是完全一致的，则造成一个获取的读取上的错误。

现有技术的设备有着更更进一步的缺点，定向耦合器的需求增加了设备的复杂度。

根据本发明的一个方面，提供了一种追踪电谐振结构的谐振频率方法，包括以下步骤：利用一个覆盖谐振结构的可能谐振频率的可变频率的一个参考信号激励谐振结构，将一个来自谐振结构的响应信号与参考信号相混合，滤掉混合的响应信号和参考信号以从合成信号中去除和的产物(sum products)，并在一个控制回路中利用作为结果的响应信号的调幅成分来追踪谐振结构的谐振频率。

本发明还提供了一种用于追踪电谐振结构的谐振频率的设备，包括一个提供一个覆盖所述谐振结构的可能谐振频率的可变频率的一个激励信号的可变频率振荡器，连接所述的可变频率振荡器和所述谐振结构的耦合装置，一个构成一个同步检测器的I型混频器，该检测器具有连接在所述振荡器的第一输入和连接到该耦合装置的第二输入，该I型混频器将来自可变频率振荡器的激励信号和由谐振结构响应该激励信号产生的的一个响应信号相混合，一个连接在I型混频器的输出的滤波器，它过滤I型混频器的输出以去除响应信号和参考信号的和的产物，因此仅仅保留该信号的调幅成分，以及处理经过滤波的信号以追踪谐振结构的谐振频率的处理装置。

一个根据本发明用来追踪一个谐振频率的设备和方法具有这样的优点，它能使多个谐振结构连接在一起，并通过一个单一通道进行询问，可是，同时消除使用一个定向耦合器的需求。

更优选的是，通过该耦合装置将来自振荡器的参考信号与来自具有覆盖谐振结构的可能谐振频率的第二可变频率振荡器的第二参考信号进行混合，该第一和第二谐振结构有一个标称差频，并且之后用所述混合信号激励所述第一和第二谐振结构。然后，将所述第一和第二谐振结构的合成响应信号与第一参考信号混合、利用一个滤波器最好是采用一个低通滤波器对混合的信号进行滤波，并且在一个控制回路中的使用结果信号以追踪第一谐振结构的谐振频率，此外还利用一个分离的混频器将所述第一和第二谐振结构的合成响应信号与第二参考信号相混合、对混合信号进行滤波并且在一个控制回路中使用结果信号以追踪第二谐振结构的谐振频率。这样，就可以追踪通过一个单一通道并行连接的一对结构的谐振频率。两个信号与谐振结构的耦合最好是通过采用连接在耦合装置的输入上的加法器来实现。

一个阻抗例如一个电阻最好被提供振荡器和谐振结构之间，特别是振荡器和耦合装置之间。此外，这个或者每个信号源最好有一个低输出阻抗，它有着抑止这个或者每个参考信号的任意调幅的优点。

在该发明的特别优选的实施例中，为这个或者每个信号源提供一个Q型混频器用于，它的一个输入被通过一个移相器与信号源相连，该移相器将在第一输入接收到的参考信号进行最优为90度的移位，它的另一个输入被与耦合装置相连接以传递响应信号。这个或者每个Q型混频器的输出相同地被滤波以去除输入信号的和的产物，因此仅仅保留响应信号的调幅成分。然后该信号的平方与相关的I型混频器输出的经过滤波的信号的平方相加，然后被处理以追踪相关的谐振结构的谐振频率。这样，由在耦合装置的输入中信号的相位延迟产生的被追踪的频率中的错误被消除。

平方及求和运算可以通过采用A/D转换器和合适的数字处理装置被数字地计算，它还可以计算经过解调的信号的第一谐波振幅，产生用于控制信号源的载波频率的编码。作为选择的，模拟信号平方装置可以被采用，例如一个其输入被连接的混频器。

当然，也可以理解为系统可以被扩充以追踪多于两个结构，例如SAW设备的谐振频率。对于此类多谐振结构，在每个设备间最好有一个至少1MHz的标称频差。

为了能使发明较好的被理解，这里会叙述一些相关的实施例，通过实例的形式给出，并做注释以辅助附图，其中：

图1是一个体现发明适合追踪一个单一结构的谐振频率的一个系统的一个简化的略图；

图2是一个体现发明的系统的略图，该系统适合追踪两个谐振结构的谐振频率；

图3是一个依照一个可选实施例的系统的略图，该系统包括具有I和Q同步检测器的两个谐振结构。

首先参考图1，这里示出了一个体现发明的系统的简化的略图。信号源3的输出被直接与一个混频器5的一个输入5a相连，并通过一个电阻4与一个耦合装置2的输入相连。耦合装置2的输入也与混频器5的第二输入5b相连。耦合装置最好采取旋转的非接触式耦合器的形式，但是其它耦合装置也同样可以，信号源3采取一个带有一个在谐振器1带宽内的中心频率的高频振荡器的形式，它被再次进行在谐振器带宽内的偏移内的调频。

在该系统的运作上，SAW谐振器1被来自信号源3的参考信号激励。SAW谐振器1的阻抗会迅速的随着它的谐振点周围的频率变化，并会与电阻4形成一个潜在的分压器，因此当谐振器1的阻抗与电阻4的阻抗相比高时，在电阻4的两端就会有一个最小限度的电压降，反之，当谐振器1的阻抗与电阻4的阻抗相比低时，在电阻4的两端就会有一个巨大的电压降，在电阻1的两端就会有一个最小限度的电压降。这样，SAW1的针对参考信号的响应的幅度，就如从耦合装置2所看到的在混频器5第二输入5b，在信号源3的频率被调制时也会变化。通过采用一个低输出阻抗的信号源3，提供给混频器的第一输入5a的信号源3的输出的幅度调制会被抑止。结果，作为一个同步检测器的混频器5会通过它的输出线5c输出一个信号，该信号会是来自信号源3的驱动信号和谐振器1的经过调幅的响应信号的和。然后一个低通滤波器6被采用来去掉信号的和的产物，仅仅保留该信号的调幅成分，它之后能被用于一个控制回路中以按照WO98/21818中描述的方式追踪SAW设备1的谐振频率。

在一个未阐述的该实施例的一个扩展中，一个缓冲器被插入电阻4的前端，这就进一步降低了参考信号的寄生调幅。

图2的略图示出了如何将图1中的系统连接在一起并通过一个通道查询具有比方说1Mhz的标称频差的两个SAW谐振器，所述通道只需要一个耦合装置。两个SAW设备11，21被并行排列并连接在耦合装置2上，该耦合装置依次连接在一个加法器20的输出上。加法器20的一个输入连接在第一混频器15的一个输入15b，并通过第一电阻14连接在产生第一参考信号的第一信号源13上，第一信号源也直接与第一混频器15的另外一个输入15a相连。加法器20的另外一个输入被连接在第二混频器25的一个输入25b，并通过第二电阻24与产生第二参考信号的第二信号源23相连，第二信号源也直接与第二混频器25的另外一个输入25a相连。信号源13，23中每一个都采用一个带有一个在其相关的谐振器11，21的带宽内的中心频率的高频振荡器的形式，它被再次进行在其相关的谐振器11，21带宽内的偏移的调频。耦合装置最好再次采取一个旋转的非接触式耦合器，但是其他耦合装置也可以采用。

于是系统的每半个部分都按照所述与图1相关的描述相同的方式运作，来自第一信号源13的参考信号激励第一SAW11，来自第二信号源23的参考信号激励第二SAW21。来自两个SAW11，21的调幅响应信号会通过耦合装置2反馈，合并的信号通过加法器20反馈给第一和第二混频器15，25的输入15b，25b。在第一混频器15上，合并的响应信号与来自第一信号源13的参考信号混合，和的产物再被连接在第一混频器15的输出15c上的第一低通滤波器16去掉。此外，由于在两个SAW间的标称频差，以及由于由每个SAW设备11，21造成的幅度调制会在相同的基频和谐频上，第一低通滤波器16的输出能容易地采用一种本领域的技术人员共知的方法被电气地处理以分离来自第一SAW11的响应的调幅成分。这能被用于一个用在第一信号源13上的控制回路以追踪第一SAW11的谐振频率。

相似地，在第二混频器25上，合并的响应信号与来自第二信号源23的参考信号混合，和的产物再被连接在第二混频器25的输出25c上的第二低通滤波器26去掉。由于第一和第二SAW11，21间的标称频差，第二低通滤波器26的输出能被电气地处理以分离来自第二SAW21的响应的调幅成分。这能被用于一个用在第二信号源23上的控制回路以追踪第二SAW21的谐振频率。

例如，如果SAW设备11，21有200MHz和201MHz的标称频率，假定标称频差为1MHz，由每个SAW设备造成的幅度调制在5kHz，二级谐频在10kHz，它们就会被由两个各自有200MHz FM和201MHz FM的频率的信号源13，23产生的参考信号所激励。当200MHz FM信号被与来自SAW11，21的幅度调制的200，201MHz复合的响应信号相混合时，由于200MHz SAW的激励，由调制产生的差积会是5kHz信号，由201MHz设备导致的调制被偏移了1MHz因此容易被滤除。相似地，当201MHz FM信号被与复合的响应信号相混合时，由200MHz SAW造成的调制也能容易的被滤除。

所述与图1和2相关的实施例的缺点是，能够被利用由同步检测器生成的解调信号所追踪的实际频率会微微不同于SAW设备的谐振频率，并且该差异的数量会依赖于在耦合装置的输入端的信号的相位延迟。在一些情况下，保证相位延迟的高稳定性可能很困难，它会导致在谐振频率的测量中的随机错误。图3示出了发明的第三个实施例，其中通过在一个IQ混频器中混合每个信号源参考信号与响应信号并生成作为在IQ混频器30，40的I(同相)和Q(积分端)输出端的信号的平方和的解调信号，相位延迟影响会被消除。这是通过采用带有一个分别与每个信号源13，23相连的附加Q混频器对32，42的图2的系统来实现的。

与第一信号源13连接的第一Q混频器32的一个输入被通过一个90度移相器31与第一信号源13相连，以便接收来自第一信号源13的参考信号的一个经过相位偏移的版本。第一Q混频器32的另外一个输入与加法器20相连，以便接收来自SAW设备11，21的响应信号。然后第一Q混频器32的输出在进行平方前被采用一个低通滤波器33进行滤波，然后与被滤波和平方的基于同相参考信号的第一混频器15的输出相加。于是，这两个信号的平方和不依赖输入信号的相位延迟。

采用环路混频器34，35和如图3所示的加法器，信号的平方及相加可以通过模拟设备来实现。另外可以选择地，低通滤波器16，33的输出能采用A/D转换器转换为数字信号并被一个数字处理器进行该信号的平方及相加。除了执行平方及相加功能，数字处理器也能计算经过解调的信号的第一谐波幅度并生成编码，该编码能控制被用作信号源的数字合成器的载波频率。

当然，也可以这样理解，第二Q混频器42，移相器41和低通滤波器43会与第二信号源23相连。

Claims (20)

1.一种用于追踪一个电谐振结构的谐振频率的方法，包括步骤：用一个覆盖该谐振结构的可能谐振频率的一个可变频率的一个参考信号来激励谐振结构，将来自谐振结构的响应信号和参考信号相混合，对混合的响应信号和参考信号进行滤波以去掉合成信号的和的产物，以及在一个控制回路中使用作为结果的响应信号的调幅成分以追踪谐振结构的谐振频率。

2.一种根据权利要求1的方法，进一步包括步骤：将来自所述振荡器的参考信号和覆盖第二谐振结构的可能谐振频率的一个可变频率的第二参考信号相加，第一和第二谐振结构有着一个标称差频，利用所述混合信号激励所述第一和第二谐振结构，以及将所述第一和第二谐振结构的复合响应信号与第一参考信号相混合，对混合信号进行滤波并在一个控制回路中利用结果信号追踪第一谐振结构的谐振频率，将所述第一和第二谐振结构的复合响应信号与第二参考信号相混合，对混合信号进行滤波并在一个控制回路中利用结果信号追踪第二谐振结构的谐振频率。

3.一种根据权利要求1或者2的方法，其中使用一个低通滤波器来对这个或者每个混合响应信号和参考信号进行滤波。

4.一种根据以上任何一个权利要求的方法，包括进一步的步骤，使用一个低输出阻抗的信号源来抑制这个或者每个参考信号的调幅。

5.一种根据以上任意一个权利要求中的方法，其中这个或者每个参考信号在激励这个或者每个谐振结构之前经过一个阻抗。

6.一种根据以上任意一个权利要求中的方法，针对这个或者每个参考信号包括进一步的步骤，将响应信号与这个或者每个参考信号的一个移相版本相混合，对所述混合信号进行滤波，将滤波后的同相的和移相后的混合响应和参考信号进行平方，将相关的平方后的信号相加并在一个控制回路中利用该结果以提供相关谐振结构的谐振频率的一个相位补偿追踪。

7.一种根据权利要求6的方法，其中参考信号经过90的移相。

8.一种用于追踪一个电谐振结构的谐振频率的设备，包括一个提供一个覆盖所述谐振结构的可能谐振频率的可变频率的一个激励信号的可变频率振荡器，将所述可变频率振荡器与所述谐振结构相连接的耦合装置，形成一个同步检测器的一个I型混频器，该同步检测器具有连接于所述振荡器的第一输入，和连接于耦合装置的第二输入，I型混频器混合来自可变频率振荡器的激励信号和由谐振结构响应激励信号产生的一个响应信号，一个连接在I型混频器输出的滤波器，其对I型混频器的输出进行滤波以去掉激励信号和响应信号的和的产物，因此仅仅保留信号的调幅成分，以及对滤波后的信号进行处理以追踪谐振结构的谐振频率的处理装置。

9.一种根据权利要求8的设备，用于追踪一对有一个标称差频的电谐振结构的谐振频率，还包括连接在耦合装置上的第二可变频率振荡器，所述第一可变频率振荡器提供覆盖第一谐振结构的可能谐振频率的可变频率的一个激励信号，所述第二可变频率振荡器提供覆盖第二谐振结构的可能谐振频率的可变频率的一个激励信号，第二I型混频器形成一个与第二振荡器相关的同步检测器，其具有连接于第二振荡器的第一输入，和连接于耦合装置的第二输入，以混合来自第二振荡器的激励信号和一个从第一和第二谐振结构接收的复合响应信号，以及连接在第二I型混频器的输出的第二滤波器，它对该输出信号进行滤波。

10.一种根据权利要求9的设备，其中所述第一和第二谐振结构被并行连接。

11.一种根据权利要求9或权利要求10的设备，进一步包括一个加法器，其第一和第二输入分别连接在第一和第二振荡器上，并且一个输出连接在耦合装置上。

12.一种根据权利要求8到11中任意一个的设备，其中这个或者每个滤波器为一个低通滤波器。

13.一种根据权利要求8到12中任意一个的设备，还包括一个连接在这个或者每个振荡器和耦合装置之间的阻抗，这个或者每个I型混频器的第一输入被连接在其相关的振荡器和其阻抗之间，这个或者每个I型混频器的第二输入被连接在相关的阻抗和耦合装置之间。

14.一种根据权利要求8到13中任意一个的设备，进一步包括一个与这个或者每个振荡器相关的一个Q型混频器，它具有通过移相装置的方式连接在与其相关的振荡器上的第一输入，和连接在耦合装置上的第二输入，以便这个或者每个Q型混频器混合来自其相关的振荡器的激励信号的一个移相版本和响应信号，一个连接在这个或者每个Q型混频器的输出的滤波器，其去掉移相的激励信号和响应信号的和的产物，以便仅仅保留该信号的调幅成分，并进一步包括与这个或者每个振荡器相相关的装置，用于对来自与这个或者每个振荡器相关的I型和Q型混频器的经过滤波的信号进行平方然后求和，所述处理装置处理来自I型和Q型混频器的经过滤波的信号的平方和，从而相位延迟效应被消除。

15.一种根据权利要求14的设备，其中这个或者每个移相装置将信号进行90度的移相。

16.一种根据权利要求14或者15的设备，其中所述用于对所述信号进行平方及求和的装置包括连接在这个或者每个I型混频器的经过滤波的输出的第一模拟信号平方装置，连接在这个或者每个Q型混频器的经过滤波的输出的第二模拟信号平方装置，以及一个与这个或者每个I型和Q型混频器相关的加法器，其具有连接在相关的第一和第二平方装置的输出上的第一和第二输入。

17.一种根据权利要求16的设备，其中每个所述模拟信号平方装置包括一个混频器，其具有一起连接在其相关的滤波器的输出的第一和第二输入。

18.一种根据权利要求14或者15的设备，其中所述用于对所述信号进行平方和求和的装置包括一个数字处理器，每个连接在一个模数转换器上的滤波器的输出依次连接在一个数字处理器的输入。

19.一种根据权利要求18的设备，其中这个或者每个数字处理器也计算经过解调的信号的第一谐波幅度并生成用于控制信号源的载波频率的编码。

20.一种根据权利要求8到19中任意一个的设备，其中该耦合装置为一个旋转的非接触耦合器。

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