谐振式传感器高精度频率测量技术研究*

王 健，杨 挺

（航天长征火箭技术有限公司传感器与系统集成事业部 北京 100076）

引 言

随着MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）传感器成本的下降和性能的提升，传统传感器逐渐被淘汰，MEMS 传感器被越来越多的应用于各领域。石英振梁压力传感器、石英振梁加速度传感器、硅谐振压力传感器以及硅振梁加速度传感器等谐振式传感器一般采用自激振荡电路，用频率的变化表征物理量的变化，对频率测量技术提出了更高的要求。例如，压力传感器在某些应用领域需要在20ms的响应时间内达到1ppm 的相对频率精度；加速度传感器在某些应用领域需要在5ms 的响应时间达到1ppm 的相对频率精度。现有的基于单片机的测频方案，利用单片机内部的定时器，基准频率最高只能到60MHz，频率测量精度不能满足要求。因此，有必要研制一种高精度、快响应的频率测量技术。本文提出一种基于FPGA 的测频方案，它具有测量精度高、易于多路扩展、算法易于移植等优点，可满足谐振式传感器的应用需求。

1 硬件架构

硬件系统由晶振、FPGA（Field Programmable Gate Array）和电源模块组成，其中，晶振选用高精度温补晶振（全温区频率稳定性1ppm），FPGA 选用Altera 的Cyclone 系列（内部PPL 模块可以倍频到400MHz），如图1 所示。

由于基于FPGA 的测频算法需要通过边沿检测的时序逻辑电路实现，因此，要将被测信号转换为方波信号。另外，被测信号电平要满足FPGA 的接口电平，该硬件系统利用转换芯片将被测信号转换为3.3V 的方波信号。

基准时钟越高，频率测量精度越高，但需要满足的时序约束也越严格，应该根据需要的频率测量精度选择合适的基准频率。……