SAW传感器的工作原理及后端频率检测电路的设计方案

引 言

随着声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）技术的发展，SAW传感器已经成为重要的一个分支。声表面波传感器以其体积小，重量轻，功耗低，以及灵敏度高，抗干扰强，精度高，重复性和一致性良好的特点，可以实现无线传感，便于大批量生产，成本低，目前已经成为了各种高性能传感器的首选。

常用的SAW气体传感器由SAW器件、敏感薄膜和信号处理电路组成。在实际使用中，为了使声表面波传感器使用更加方便，需要最终设计制造出一块集环境感应、数据读出和数据处理为一体的专用电路，因此该电路最终将是一块大规模的混合信号处理电路，是整个传感器电路的一个重要模块，需要仔细设计和优化。对于声表面波气体传感器的处理电路设计，文献［2，3］分别报道了采用相关高频震荡电路实现传感器信号处理的方法。文献［2］中采用了改进的皮尔斯振荡器和 DDS检测法对其信号进行处理。2005年，Shen Yutang等人提出了一种新的声表面波传感器电路设计方案，采用了模拟与数字结合的方法，利用双通道结构取得了较好的结果。

本文通对SAW传感器原理的分析和研究，结合设计SAW气体传感器的要求，设计了一个该传感器后端的信号处理电路，着重分析了其后端频率检测电路的原理，并对其可能产生的误差进行了分析，提出了电路设计方案和具体结构，并利用FPGA技术对该电路做出了具体的实现。

1 SAW气体传感器原理

声表面波是一种在固体表面传播的弹性波。由于这种波是在固体的表面进行换能和传播的，所以信息的注入、提取和处理都相对比较方便。根据文献［5］可知，外界环境对SAW器件波速的影响可以用式（1）表示：

2 电路设计

设计SAW传感器信号处理电路的最终目标是制造一块集高频振荡、混频、滤波和频率计数为一体的专用集成电路，显然该电路是一个混合信号的处理芯片。为了较容易地完成整个系统的设计，按功能将图1电路分为振荡、混频、滤波、波形变换和频率检测五个部分。在具体电路设计中，采用谐振频率为433．92 MHz的SAW器件。首先利用正反馈原理，并采用电容反馈式结构设计SAW振荡器，将外界环境变化转换为正弦频率信号后，再选用Motorola公司的 MC1496混频器将正弦信号混频并滤波，得到的信号经过波形变换后，成为一个频率范围在2 MHz左右的方波信号。于是，接下来的重点将是设计一个可以精确测量方波信号的频率检测电路。

2．1 频率检测原理及误差分析

为了能够精确地检测出输出信号的频率，采用基于FPGA的数字式频率计的方法。常用的数字式频率检测方法有直接测频法、周期测频法、多周期测频法等。通过对这几种方法的研究和比较，选用直接测频法对输出信号进行检测。

直接测频法就是在一定的时间间隔T内，也就是所谓的闸门时间内测得输入周期信号重复变换的次数N，于是根据频率与周期的关系，被测信号的频率可以表示为：

直接测频法会产生测量误差，该误差可以表示如下：

通过对上述原理的分析，给出频率计的整体设计方案如图3所示。该频率检测电路划分为6个子模块电路。通过各个分块设计，可以利用FPGA的优势与可编程性，自顶向下，分块地实现各模块的功能。

各单元电路的功能分别是：

放大整形电路 把被测信号转变成脉冲信号。

闸门选择电路 产生不同的闸门开通时间丁。

分频器电路提供时基信号，作为时间基准。

门控电路产生闸门开通、计数器清零和锁存器的锁存信号。

计数器将信号频率以十进制数的形式记录。

锁存器将十进制计数器计得的数锁存下来。

在设计中，通过两位量程选择开关的控制，对时钟信号进行分频，可以得到1 s，100 ms，10 ms和1 ms四个不同的闸门开通时间。同时，计数部分采用六位十进制计数，于是可以得到0．1～100 MHz四个频率检测量程。

2．3 仿真及其测试

利用VHDL语言对电路的各个子模块编写相应的代码，并用EDA软件QuartusⅡ对源程序进行了编译、优化、逻辑综合，自动地将VHDL语言转换成门级电路，进而完成了对电路的分析、验证、自动布局布线、时序仿真、管脚锁定等各种工作。最终所设计的顶层电路如图4所示。该电路结构中，clk为系统的时钟信号；Fx为输入的检测信号；s1，s2为整个电路的量程选择控制输入端。通过s1， s2可以控制频率检测电路检测范围。

最后，采用了Altera DE2开发板，将设计的电路下载到硬件电路中，从而完成了对整个频率检测电路的设计工作，并利用函数发生器对电路进行了验证。在2 MHz左右的测试结果如表1所示。

3 结 语

本文设计了一种SAW传感器中的信号处理电路，对该电路中的频率检测部分，利用了FPGA技术，使频率检测的范围和精度满足了传感器的要求。通过对所设计电路的计算机仿真和实验，验证了设计的信号处理电路的可行性。

责任编辑：gt