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SAW傳感器后端信號處理電路的設計

時間：2009-08-24 12:36:24

關鍵字：傳感器信號處理電路 SAW BSP

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[導讀]0 引言隨著聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)技術的發(fā)展，SAW傳感器已經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，精度高，重復性和一致性良好的特點，可

0 引言
    隨著聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)技術的發(fā)展，SAW傳感器已經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，精度高，重復性和一致性良好的特點，可以實現無線傳感，便于大批量生產，成本低，目前已經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，需要最終設計制造出一塊集環(huán)境感應、數據讀出和數據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，需要仔細設計和優(yōu)化。對于聲表面波氣體傳感器的處理電路設計，文獻[2，3]分別報道了采用相關高頻震蕩電路實現傳感器信號處理的方法。文獻[2]中采用了改進的皮爾斯振蕩器和 DDS檢測法對其信號進行處理。2005年，Shen Yutang等人提出了一種新的聲表面波傳感器電路設計方案，采用了模擬與數字結合的方法，利用雙通道結構取得了較好的結果。
    本文通對SAW傳感器原理的分析和研究，結合設計SAW氣體傳感器的要求，設計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，并對其可能產生的誤差進行了分析，提出了電路設計方案和具體結構，并利用FPGA技術對該電路做出了具體的實現。

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。根據文獻[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 電路設計
    設計SAW傳感器信號處理電路的最終目標是制造一塊集高頻振蕩、混頻、濾波和頻率計數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)的設計，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。在具體電路設計中，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構設計SAW振蕩器，將外界環(huán)境變化轉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，接下來的重點將是設計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的數字式頻率計的方法。常用的數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行檢測。
    直接測頻法就是在一定的時間間隔T內，也就是所謂的閘門時間內測得輸入周期信號重復變換的次數N，于是根據頻率與周期的關系，被測信號的頻率可以表示為：

直接測頻法會產生測量誤差，該誤差可以表示如下：

    通過對上述原理的分析，給出頻率計的整體設計方案如圖3所示。該頻率檢測電路劃分為6個子模塊電路。通過各個分塊設計，可以利用FPGA的優(yōu)勢與可編程性，自頂向下，分塊地實現各模塊的功能。
    各單元電路的功能分別是：
    放大整形電路把被測信號轉變成脈沖信號。
    閘門選擇電路產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。
    門控電路產生閘門開通、計數器清零和鎖存器的鎖存信號。
    計數器將信號頻率以十進制數的形式記錄。
    鎖存器將十進制計數器計得的數鎖存下來。

在設計中，通過兩位量程選擇開關的控制，對時鐘信號進行分頻，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，計數部分采用六位十進制計數，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的代碼，并用EDA軟件QuartusⅡ對源程序進行了編譯、優(yōu)化、邏輯綜合，自動地將VHDL語言轉換成門級電路，進而完成了對電路的分析、驗證、自動布局布線、時序仿真、管腳鎖定等各種工作。最終所設計的頂層電路如圖4所示。該電路結構中，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，將設計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計工作，并利用函數發(fā)生器對電路進行了驗證。在2 MHz左右的測試結果如表1所示。

3 結語
本文設計了一種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，使頻率檢測的范圍和精度滿足了傳感器的要求。通過對所設計電路的計算機仿真和實驗，驗證了設計的信號處理電路的可行性。

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