2 掃頻激振原理及電路設計

2.1 掃頻激振原理

掃頻激振技術是用一串連續變化的頻率信號掃頻輸出去激振振弦傳感器的激振線圈。當信號的頻率和振弦的固有頻率相近時，振弦能迅速達到共振狀態，從而可靠起振。振弦起振后，其在線圈中產生的感應電勢的頻率即是振弦的固有頻率。由于激振信號的頻率用軟件控制方便，所以只要知道振弦固有頻率的大致范圍(通常對一種已知傳感器固有頻率的大致范圍是確定的），就可用這個頻率附近的激振信號去激發它，使振弦很快起振。

2.2 掃頻激振電路的設計

相比其他系列單片機，PIC系列單片機開發環境優越，精簡的指令集和單字節指令使其執行效率高[3]。芯片內部自帶看門狗定時器、A/D轉換器、比較模塊、USART異步串口通信模塊、EEPROM存儲器，從而精簡了電路設計，降低了成本。由于可以設置睡眠和低功耗模式，減少了電路的功耗，提高了電路的可靠性。基于PIC16F873A的多路振弦傳感器的掃頻激振的硬件電路如圖2所示。整個硬件電路分為中央控制器、掃頻激振電路、顯示模塊、參數輸入模塊、等精度測頻模塊、RS485通信模塊等部分。

一般的單線圈振弦式傳感器的固有頻率范圍是400 Hz～4 500 Hz之間，其輸出頻率隨所受壓力的變化而變化。若掃頻信號的頻率范圍是400 Hz～4 500 Hz，需要掃頻的時間長、激振效果差、可控性差。為了減少掃頻時間，提高測量速度，根據振弦傳感器的輸出頻率范圍設置不同的掃頻頻段。其方法是：由參數輸入電路輸入掃頻信號頻率的上限值fmax和下限值fmin，以及相鄰2個掃頻信號頻率的差值Δf，這些參數存儲在單片機的片內EEPROM中。這樣，輸出的掃頻信號很有針對性，輸出的激振頻率可控性好。這些正是該掃頻激振技術的突出優點。

對于多通道振弦傳感器的選擇和隔離是通過金屬化場效應管（MOSFET）固態繼電器實現的。當選擇某一路傳感器時，其對應的MOSFET固態繼電器導通，而其他路的MOSFET固態繼電器截止。雖然其他路傳感器的激振線圈通過MOSFET接在恒流激振電路的輸出端，但是MOSFET截止時的漏電流極小，處于高阻態，因而不會對所選通路造成影響。另外，選通電路和恒流驅動電路是光隔離的，從而避免了選通電路和恒流驅動電路相互影響，進一步提高了掃頻激振電路的可靠性。

根據振弦式傳感器的特性，當激振信號太強時，振弦會產生倍頻振動，由于倍頻成分的不同，使得同一傳感器獲得的頻率不同[4]。采用了恒流弱激振的方法，調整激振電流的大小，使其能可靠激振振弦傳感器的基頻，而又遠離倍頻。恒流激振的另一個優點是可以忽略傳感器引線電阻的影響。