SAW傳感器的工作原理及后端頻率檢測電路的設(shè)計(jì)方案

引 言

隨著聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）技術(shù)的發(fā)展，SAW傳感器已經(jīng)成為重要的一個分支。聲表面波傳感器以其體積小，重量輕，功耗低，以及靈敏度高，抗干擾強(qiáng)，精度高，重復(fù)性和一致性良好的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)無線傳感，便于大批量生產(chǎn)，成本低，目前已經(jīng)成為了各種高性能傳感器的首選。

常用的SAW氣體傳感器由SAW器件、敏感薄膜和信號處理電路組成。在實(shí)際使用中，為了使聲表面波傳感器使用更加方便，需要最終設(shè)計(jì)制造出一塊集環(huán)境感應(yīng)、數(shù)據(jù)讀出和數(shù)據(jù)處理為一體的專用電路，因此該電路最終將是一塊大規(guī)模的混合信號處理電路，是整個傳感器電路的一個重要模塊，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。對于聲表面波氣體傳感器的處理電路設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)［2，3］分別報道了采用相關(guān)高頻震蕩電路實(shí)現(xiàn)傳感器信號處理的方法。文獻(xiàn)［2］中采用了改進(jìn)的皮爾斯振蕩器和 DDS檢測法對其信號進(jìn)行處理。2005年，Shen Yutang等人提出了一種新的聲表面波傳感器電路設(shè)計(jì)方案，采用了模擬與數(shù)字結(jié)合的方法，利用雙通道結(jié)構(gòu)取得了較好的結(jié)果。

本文通對SAW傳感器原理的分析和研究，結(jié)合設(shè)計(jì)SAW氣體傳感器的要求，設(shè)計(jì)了一個該傳感器后端的信號處理電路，著重分析了其后端頻率檢測電路的原理，并對其可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了分析，提出了電路設(shè)計(jì)方案和具體結(jié)構(gòu)，并利用FPGA技術(shù)對該電路做出了具體的實(shí)現(xiàn)。

1 SAW氣體傳感器原理

聲表面波是一種在固體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?。由于這種波是在固體的表面進(jìn)行換能和傳播的，所以信息的注入、提取和處理都相對比較方便。根據(jù)文獻(xiàn)［5］可知，外界環(huán)境對SAW器件波速的影響可以用式（1）表示：

2 電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)SAW傳感器信號處理電路的最終目標(biāo)是制造一塊集高頻振蕩、混頻、濾波和頻率計(jì)數(shù)為一體的專用集成電路，顯然該電路是一個混合信號的處理芯片。為了較容易地完成整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，按功能將圖1電路分為振蕩、混頻、濾波、波形變換和頻率檢測五個部分。在具體電路設(shè)計(jì)中，采用諧振頻率為433．92 MHz的SAW器件。首先利用正反饋原理，并采用電容反饋式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)SAW振蕩器，將外界環(huán)境變化轉(zhuǎn)換為正弦頻率信號后，再選用Motorola公司的 MC1496混頻器將正弦信號混頻并濾波，得到的信號經(jīng)過波形變換后，成為一個頻率范圍在2 MHz左右的方波信號。于是，接下來的重點(diǎn)將是設(shè)計(jì)一個可以精確測量方波信號的頻率檢測電路。

2．1 頻率檢測原理及誤差分析

為了能夠精確地檢測出輸出信號的頻率，采用基于FPGA的數(shù)字式頻率計(jì)的方法。常用的數(shù)字式頻率檢測方法有直接測頻法、周期測頻法、多周期測頻法等。通過對這幾種方法的研究和比較，選用直接測頻法對輸出信號進(jìn)行檢測。

直接測頻法就是在一定的時間間隔T內(nèi)，也就是所謂的閘門時間內(nèi)測得輸入周期信號重復(fù)變換的次數(shù)N，于是根據(jù)頻率與周期的關(guān)系，被測信號的頻率可以表示為：

直接測頻法會產(chǎn)生測量誤差，該誤差可以表示如下：

通過對上述原理的分析，給出頻率計(jì)的整體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。該頻率檢測電路劃分為6個子模塊電路。通過各個分塊設(shè)計(jì)，可以利用FPGA的優(yōu)勢與可編程性，自頂向下，分塊地實(shí)現(xiàn)各模塊的功能。

各單元電路的功能分別是：

放大整形電路 把被測信號轉(zhuǎn)變成脈沖信號。

閘門選擇電路 產(chǎn)生不同的閘門開通時間丁。

分頻器電路提供時基信號，作為時間基準(zhǔn)。

門控電路產(chǎn)生閘門開通、計(jì)數(shù)器清零和鎖存器的鎖存信號。

計(jì)數(shù)器將信號頻率以十進(jìn)制數(shù)的形式記錄。

鎖存器將十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)鎖存下來。

在設(shè)計(jì)中，通過兩位量程選擇開關(guān)的控制，對時鐘信號進(jìn)行分頻，可以得到1 s，100 ms，10 ms和1 ms四個不同的閘門開通時間。同時，計(jì)數(shù)部分采用六位十進(jìn)制計(jì)數(shù)，于是可以得到0．1～100 MHz四個頻率檢測量程。

2．3 仿真及其測試

利用VHDL語言對電路的各個子模塊編寫相應(yīng)的代碼，并用EDA軟件QuartusⅡ?qū)υ闯绦蜻M(jìn)行了編譯、優(yōu)化、邏輯綜合，自動地將VHDL語言轉(zhuǎn)換成門級電路，進(jìn)而完成了對電路的分析、驗(yàn)證、自動布局布線、時序仿真、管腳鎖定等各種工作。最終所設(shè)計(jì)的頂層電路如圖4所示。該電路結(jié)構(gòu)中，clk為系統(tǒng)的時鐘信號；Fx為輸入的檢測信號；s1，s2為整個電路的量程選擇控制輸入端。通過s1， s2可以控制頻率檢測電路檢測范圍。

最后，采用了Altera DE2開發(fā)板，將設(shè)計(jì)的電路下載到硬件電路中，從而完成了對整個頻率檢測電路的設(shè)計(jì)工作，并利用函數(shù)發(fā)生器對電路進(jìn)行了驗(yàn)證。在2 MHz左右的測試結(jié)果如表1所示。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種SAW傳感器中的信號處理電路，對該電路中的頻率檢測部分，利用了FPGA技術(shù)，使頻率檢測的范圍和精度滿足了傳感器的要求。通過對所設(shè)計(jì)電路的計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的信號處理電路的可行性。

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