用于产生频率参考的装置及系统以及用于产生频率参考信号的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于产生频率参考的装置及系统及一种用于产生频率参考信号的方法。本发明揭示一种用于产生频率参考的装置，其包含耦合到集成池(102)以基于由所述集成池中的声学检测器(206)检测的射频RF产生的压力波来产生频率参考信号的频率参考产生单元(104)。
【专利说明】用于产生频率参考的装置及系统以及用于产生频率参考信号的方法
【技术领域】
[0001]本发明一般来说涉及使用石英增强的光声频谱检测及锁定气体的吸收频谱。
【背景技术】
[0002]可出于各种原因(例如所涉及的频率或所测量的材料)而使用许多形式的可用频谱分析。针对每一形式的频谱，可存在多种实施方法。举例来说，可使用光源或X射线源作为用于测量气体的频谱的能量而执行气体传输频谱。用以执行频谱气体分析的另一方法可涉及使用两种机制-气体的光学激发及由经激发气体形成的压力波的测量的石英增强的光声频谱(QEPAS)。压力波的形成及检测可与气体的特性吸收线一致。QEPAS可用于测量已知气体样本的浓度或其可用于确定未知气体样本的组合物。
【发明内容】
[0003]一种用于产生频率参考的装置包含耦合到集成池以基于由所述集成池中的声学检测器检测的射频(RF)产生的压力波来产生频率参考信号的频率参考产生单元。
[0004]一种用于产生频率参考的系统包含:声学检测器，其含纳于集成池中，所述集成池进一步含有气体；RF产生与调制单元，其耦合到RF发射器以产生并调制RF信号；所述RF发射器，其用以将所述RF信号发射到所述集成池中，且所述RF信号导致所述气体中的状态改变，所述状态改变致使所述声学检测器振动。所述系统进一步包括耦合到所述声学检测器以检测所述声学检测器的所述振动的改变的接收器。
[0005]—种用于产生频率参考信号的方法包含:在含纳于集成池中的声学检测器处发射RF信号，所述集成池进一步含有气体；由所述声学检测器检测通过由于所述RF信号的吸收引起的所述气体的激发而产生的压力波；及基于激发所述气体的所述RF信号的频率产生频率参考信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]针对本发明的示范性实施例的详细说明，现在将参考所附图式，其中:
[0007]图1展示根据各种实施例的频率参考产生器的框图；
[0008]图2展示根据各种实施例的频率参考产生器的另一实例的框图；及
[0009]图3展示根据各种实施例的用于产生频率参考信号的方法的流程图。
[0010]符号及命名法
[0011]遍及以下说明及权利要求书使用特定术语来指特定系统组件。如所属领域的技术人员将了解，公司可以不同名称提及一组件。本文件不打算区分在名称但非功能上不同的组件。在以下论述中及在权利要求书中，术语“包含(including) ”及“包括(comprising)”是以开放式方式使用的，且因此应解释为意指“包含但不限于…”。此外，术语“耦合(couple或couples) ”打算意指间接或直接连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可通过直接连接或通过经由其它装置及连接的间接连接。
【具体实施方式】
[0012]以下论述针对于本发明的各种实施例。虽然这些实施例中的一或多者可为优选的，但所揭示的实施例不应被解释为或以其它方式用作限制包含权利要求书的本发明的范围。另外，所属领域的技术人员将理解，以下说明具有广泛应用，且对任一实施例的论述仅意欲为所述实施例的示范性的，且不打算暗示包含权利要求书的本发明的范围限于所述实施例。
[0013]石英增强的光声频谱(QEPAS)涉及使用光学能量来激发材料(举例来说，气体)中的分子吸收状态以测量所述材料的传输/吸收频谱。分子吸收状态可对应于在材料的频谱中测量的吸收线。经激发状态可呈各种形式(举例来说，分子围绕轴的旋转或分子内的原子的振动)且可取决于气体分子的结构。经激发状态还可为能量相依的，其取决于激发能量的频率或波长而转化。举例来说，光学激发可与气体分子的振动状态一致且在较高能量/频率下发生。旋转状态可在较低能量/频率下发生。添加到气体分子的能量可接着由于所诱发分子振动而形成气体内的压力波。所述压力波可接着由声学检测器(例如换能器、调谐音叉或悬臂)检测。
[0014]光学能量可由一或若干激光器产生且可使其扫掠通过一频率范围。通过使激发能量扫掠通过一频率范围，可在所述范围内对材料执行频谱分析。气体在所述范围中的任何特性吸收线可通过QEPAS方法来测量。基于QEPAS的频谱系统可为无源的(声学检测器可检测压力波)或有源的(声学检测器由系统电刺激且可检测由于压力波引起的振动频率的改变)。
[0015]除光学激发之外，经修改QEPAS系统还可采用射频(RF)信号来刺激(举例来说)气体分子的激发。经修改QEPAS系统可实施如同光学激发的相同检测方案中的许多检测方案。基于RF的QEPAS由于激发束的较低频率及能量而可替代振动机制诱发气体中的旋转机制。对旋转激发的一个益处为所诱发压力波的强度可强于由光学激发状态诱发的压力波。较强压力波又可接着被更容易地检测。另外，RF的使用非常适于多个或单个硅集成电路(IC)芯片中的实施方案。IC产生的RF信号的使用可允许完整的基于QEPAS的频谱仪缩小为单个印刷电路板可安装的装置。除执行频谱分析之外，此装置还可用于产生可比常规晶体振荡器更准确的频率参考信号(很像电子器件中所使用的时钟信号)。
[0016]本文中揭示一种使用经修改QEPAS技术来产生频率参考信号的系统、装置及方法。经修改QEPAS技术可使用射频(RF)能量来激发气体在所述气体的吸收线处或周围的分子。经激发气体可产生可由声学检测器检测的压力波，所述压力波又在声学检测器的谐振频率下产生电信号。那些信号可接着经分析以确定吸收线的频率，所述频率可接着用作频率参考信号。
[0017]图1展示根据如本文中所论述的各种实施例的频率参考产生器100的框图。频率参考产生器100包括集成池102及频率参考产生单元104。集成池102可含有气体及声学检测器。所述声学检测器可为(举例来说)换能器、悬臂或调谐音叉，且可耦合到频率参考产生单元104。所述气体可为展现电磁(EM)频谱的毫米、雷达及太赫兹(THz)范围内的旋转振动吸收机制的任一气体。旋转吸收机制可对应于材料传输频谱中的吸收线。举例来说，水展示处于183.31GHz的强吸收线，其可对应于旋转激发机制。
[0018]频率参考产生单元104可基于含纳于集成池102中的气体的吸收线产生频率参考信号。频率参考信号的产生可包含产生并调制发射到集成池102中的RF信号的频率参考产生单元104。频率参考产生单元104可使用频率调制(FM)、频移键控(FSK)或两者的组合调制RF信号。可使RF信号扫掠通过一频率范围以检测气体的吸收线。一旦已检测到气体的吸收线，频率参考产生单元104便可产生反馈信号以控制产生RF信号的频率因此以锁定并跟踪气体的吸收线。可从发射RF信号的频率确定的吸收线的中心频率可用作频率参考信号，例如fosc。
[0019]图2展示根据如本文中所论述的各种实施例的频率参考产生器100的另一实例的框图。频率产生器100包括集成池102及频率参考产生单元104。集成池102包括声学检测器206及气体，例如水蒸气。声学检测器206可为换能器、悬臂或调谐音叉(列举几个实例)且可用于检测由于气体的经激发状态引起的集成池102中的压力改变。集成池102中的气体可展现处于在EM频谱的毫米、雷达及THz频率中的各种频率的特性吸收线。这些频率范围内的吸收线可对应于气体中的分子的旋转激发状态。
[0020]频率参考产生单元104可进一步包括RF产生与调制单元202、RF发射器204、接收器208及反馈控制件210。RF产生与调制单元202可产生并调制由RF发射器204发射到集成池102中的RF信号。可最初使RF信号扫掠通过一频率范围，因此检测气体的吸收线。吸收线可由于环境因素(即，集成池102的温度及压力)而并不总是处于同一频率。因此，可由RF产生与调制单元202首先扫掠通过所关注的吸收线周围的频率范围以找出吸收线。为了帮助气体的吸收线的检测及最终跟踪，可在发射RF信号时采用调制方案，例如FM或FSK。如果使用FM，那么可使RF信号扫掠通过吸收线周围的频率范围但以可对应于声学检测器的谐振频率的频率调制所述展现。
[0021]如果使用FSK调制方案，那么RF产生与调制单元202可产生分离固定频率范围的两个RF信号或音调。两个音调之间的分离可使得两个音调在吸收线的半宽度、半最大值点处与气体的吸收线相交。通过相应地分离两个音调，两个音调可在最大斜率点处与吸收线相交。使用最大斜率点可赋予频率参考产生单元104对锁定并跟踪气体的吸收线的最稳健控制。可以50%工作循环交替发射两个音调。
[0022]如上文所论述，RF能量可由气体吸收。气体分子可接着开始经历旋转振动。所诱发旋转振动可接着产生气体中的压力波，所述压力波可由声学检测器206(例如悬臂或调谐音叉)检测。由于气体的吸收线具有比奇异函数大的某一宽度，因此压力波的强度可在RF信号的频率移动跨越吸收线的频率时变化。压力波强度可处于吸收线的中心频率处的最大值。
[0023]如果在对应于声学检测器206的谐振频率的频率下产生压力波，那么声学检测器206可开始在所述频率下振动。由于压电效应，声学检测器206可接着由于所诱发振动而产生电脉冲。此外，声学检测器206可耦合到接收器208。
[0024]RF发射器204及声学检测器206可彼此紧密接近。另外，RF发射器204可能不包含经设计天线。如此，RF信号可从与RF发射器204相关联的固有偶极子辐射。在不使用经设计天线的情况下，RF信号可以在偶极子处起始并集中的单波瓣样式从RF发射器204向外传播。通过将声学检测器206置于与偶极子紧密接近处，RF发射器204将显现为声学检测器206的点源，此可取消对RF束整形及引导的需要。或者，经设计天线可与RF发射器204包含在一起以整形并引导RF束朝向声学检测器206。如果RF发射器204与声学检测器206并不彼此紧密接近，那么可实施整形并引导RF束。RF发射器与声学检测器206之间的分离距离可足以允许声学检测器206移动且在不与RF发射器204接触的情况下振动。另外，所述分离距离可为频率相依的，其可涉及声学检测器206移动的位移量。
[0025]接收器208可分析从声学检测器206接收的信号以确定何时已检测到气体的吸收线。由于声学检测器206可仅在气体正吸收RF能量(意味着发射RF信号的频率正由气体吸收)时产生信号，因此分析器将需要确定何时已检测到吸收线的中心频率。当使用FM调制时，接收器208可使用峰值检测方法分析所接收信号。峰值检测方法可在RF激发能量通过吸收线的中心频率时分析所接收信号的强度。对应于最大吸收的中心频率可产生声学检测器206中的最强响应。当RF激发能量移动经过吸收线的中心频率时，所接收信号的强度可减小。接着，可使用处于吸收线的中心频率周围的各种RF激发能量的所接收信号强度来确定发生吸收线的中心频率的频率。还可使用与不同激发能量相关联的各种信号强度作为反馈。
[0026]当使用FSK调制时，接收器208可将与两个音调相关联的所接收信号的强度彼此进行比较。当两个音调的所接收信号强度相等时，两个音调可骑跨吸收线的中心频率，使得两个音调之间的中点频率与吸收线的中心频率对应。当满足此条件时,可能检测到吸收线。与两个音调相关联的所接收信号的强度之间的相对差还可由反馈控制单元210用于驱动RF产生与调制单元202。
[0027]反馈控制单元210可耦合到接收器208且可产生驱动RF产生与调制单元202产生并发射的频率的反馈控制信号。针对FM调制，反馈控制单元210可使用处于吸收线的中心频率周围的频率的信号强度来调整将RF激发能量发射到集成池102中的一或若干频率。在所接收信号强度波动时，信号之间的差可产生用于驱动RF产生与调制单元202的控制信号。
[0028]当使用FSK调制时，反馈控制单元210可使用对应于两个音调的所接收信号的强度的相对差来产生控制信号。与两个音调相关联的所接收信号强度的差可产生确定应将两个音调的频率调整多少及在何种方向(较高或较低频率)上进行调整的控制信号。举例来说，如果音调2处于比音调I高的频率，那么控制信号可为与音调2相关联的所接收信号强度减去与音调I相关联的所接收信号强度。当与音调I相关联的信号比与音调2相关联的信号强时，所述差可为负的，此暗示应将频率调整而更低。当音调2比音调I强时，接着可发生相反情况。
[0029]一旦已检测到并锁定到中心频率，接着频率参考产生器100便可输出处于等于吸收线的中心频率的频率的频率的频率参考信号。此外，由于反馈控制单元210，频率参考信号可为不变的。通过使用在EM频谱的毫米、雷达及太赫兹区域中的RF频率，可在一或多个集成电路(IC)中的硅上制造频率参考产生单元104的各种组件。集成池102可经构造使得其可安装到形成频率参考产生单元104的一或多个1C，从而形成印刷电路板(PCB)可安装的装置。
[0030]图3展示根据如本文中所论述的各种实施例的用于产生频率参考信号的方法300的流程图。方法300可由上文所论述的装置及系统实施以产生频率参考信号，例如图1的f0SCO方法300在步骤302处以在含纳于集成池中的声学检测器处发射RF信号开始，所述集成池进一步含有气体。所述RF信号可在由RF发射器204发射到集成池102中之前由RF产生与调制单元202产生并调制。另外或替代地，可使RF信号扫掠通过一频率范围，其中可遇到含纳于集成池102中的气体的吸收线。
[0031]方法300在步骤304处以由声学检测器检测通过由于RF信号的吸收引起的气体的激发而产生的压力波继续。所述压力波可由于气体的分子吸收RF信号的能量而形成。由气体吸收能量可致使气体以旋转方式振动。此意味着，气体的吸收线可与同气体相关联的激发机制(即，旋转激发)一致，此将诱发气体的吸收分子的旋转。旋转分子可接着产生可由声学检测器(例如悬臂或调谐音叉)检测的压力波。所述压力波可致使声学检测器在其谐振频率下振动。声学检测器可由于其振动而产生电脉冲或信号。
[0032]方法300在步骤306处以基于激发气体的RF信号的频率产生频率参考信号结束。由声学检测器206检测的压力波可经分析以确定何时已检测到气体吸收线的中心频率。一旦已检测到中心频率，频率参考产生器100便可使用吸收线的中心频率作为频率参考。
[0033]频率参考产生器100还可用于已知及未知气体样本的频谱分析。通过并入用于移除气体样本及将气体样本导入到集成池102中的机构，频率参考产生器102可用于分析各种气体样本并产生上文所论述的频率范围的传输频谱。相同方法300可经实施以确定所测量样本中的气体的吸收线及浓度。
[0034]另外，频率参考产生器还可通过测量吸收线的中心频率的移动而用作温度与压力传感器。吸收线的频率的改变可与压力及温度的不同组合相关。
[0035]以上论述意欲说明本发明的原理及各种实施例。一旦完全了解以上揭示内容，所属领域的技术人员便将显而易见众多变化及修改。打算所附权利要求书解释为囊括所有此类变化及修改。
【权利要求】
1.一种用于产生频率参考的装置，其包括: 频率参考产生单元，其耦合到集成池以基于由所述集成池中的声学检测器检测的射频RF产生的压力波来产生频率参考信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成池含有气体。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述频率参考产生单元进一步包括耦合到RF发射器的RF产生与调制组件。
4.根据权利要求3所述的装置，其中借助频移键控方案调制RF信号。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述声学检测器产生对应于所述经检测压力波的电信号。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述频率参考产生单元进一步包括用以分析检测到所述压力波的频率的接收器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述频率参考产生单元进一步包括用以基于检测到所述压力波的所述频率调整产生所述RF信号的频率的反馈模块。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述声学检测器为悬臂。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述声学检测器为调谐音叉。
10.一种用于产生频率参考的系统，其包括: 声学检测器，其含纳于集成池中，所述集成池进一步含有气体； 射频RF产生与调制单元，其耦合到RF发射器以产生并调制RF信号； 所述RF发射器，其用以将所述RF信号发射到所述集成池中，其中所述RF信号导致所述气体中的状态改变，所述状态改变致使所述声学检测器振动 '及 接收器，其耦合到所述声学检测器以检测所述声学检测器的所述振动的改变。
11.根据权利要求10所述的系统，其进一步包括用以基于所述声学检测器的振动频率的经检测改变调整发射所述RF信号的频率的反馈模块。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述RF产生与调制单元借助频率调制方案调制所述RF信号。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述RF产生与调制单元借助频移键控方案调制所述RF信号。
14.根据权利要求10所述的系统，其中含纳于所述集成池中的所述气体为水蒸气。
15.根据权利要求10所述的系统，其中所述声学检测器为换能器。
16.根据权利要求10所述的系统，其中所述声学检测器为悬臂。
17.一种用于产生频率参考信号的方法，其包括: 在含纳于集成池中的声学检测器处发射射频RF信号，所述集成池进一步含有气体； 由所述声学检测器检测通过由于所述RF信号的吸收引起的所述气体的激发而产生的压力波；及 基于激发所述气体的所述RF信号的频率产生频率参考信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括基于激发所述气体的所述RF信号的所述频率的反馈调整发射所述RF信号的频率。
19.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括使所述RF信号扫掠通过一频率范围以定位发生所述气体的所述激发的所述频率。
20.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括借助频移键控方案调制所述RF信号。
【文档编号】G01N29/036GK104251880SQ201410273372
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2013年6月25日
【发明者】贾安戈·特朗布利, 菲利普·米歇尔·纳多 申请人:德州仪器公司