延迟线型声表面波传感系统设计与实现

发布时间：2020-10-11 01:20

　　 随着无线通信、人工智能和物联网等前沿领域对核心传感元件高高精度、集成化和高频化的迫切需求,声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)传感器因其灵敏度高、易于集成化和无线化等优点成为传感器领域的研究热点。本论文拟通过对稳定性强、集成度高的SAW传感系统研究,使得SAW传感器有望在智能技术和智慧化建设等领域得到广泛应用。目前SAW传感系统主要由两部分组成:SAW传感器和匹配电路系统,两者相辅相成,缺一不可。本文面向延迟线型SAW传感器系统进行研究,主要研究内容分为两部分:延迟线型SAW传感器宏观系统设计、制备与测试;基于FPGA的延迟线型SAW传感器半集成化系统设计。延迟线型SAW传感器宏观系统研究方面:通过对SAW传感器传感机理、系统稳定性和抗干扰能力进行合理分析,围绕中心频率为300MHz的延迟线型SAW传感器,对宏观系统进行设计。系统主要分为下位机和上位机两部分。1)系统下位机硬件中,前端传感模块由双通道SAW传感器振荡电路构成,通过采用二级闭环放大结构设计高频振荡电路,并在环路输出端引入第三级放大器,从而实现高频正弦信号的稳定输出;基于AD831芯片设计混频电路,对双通道高频信号进行下变频处理得到低频信号,可有效降低系统硬件消耗;引入低频信号调理模块,提高了频率检测的可靠性;根据应用需求,设计多功能拓展模块提供声光报警、上位机通信等通用功能;设计具有多电压输出能力的电源管理模块,满足各模块供电需求,保证了系统的稳定工作。系统下位机软件主要实现了对声光报警模块的驱动、显示模块信息的处理及上位机串口通信协议的匹配。2)系统上位机方面,基于LabVIEW开发平台设计具有普适性的上位机应用程序,实现了多节点传感信息监测、用户登录管理、串口通信和历史数据查看等基础功能。其中,在多节点传感信息监测设计中加入防误判预警算法,有效减少传感系统监测时的误判。最终,通过对下位机硬件PCB设计、焊接与调试,实现了延迟线型SAW传感器宏观系统,并进行了相关性能测试与分析。基于FPGA的延迟线型SAW传感器半集成化系统方面:根据系统定位及功能需求,确定设计思路,并对部分所需算法、硬件电路与时序控制进行设计与仿真验证。1)在算法设计方面,基于FPGA的反馈扫频式DDS设计,为SAW传感器提供可靠激励信号,解决了传统DDS定点/扫频不灵活和逻辑资源利用率低等问题,并对反馈扫频式DDS设计所涉及的反馈定位算法、闭环反馈流水线算法以及ROM压缩算法进行仿真,验证了算法设计的可行性;2)硬件电路设计及时序控制方面,选用AD9767芯片实现数模转换;以CG2185X2芯片为核心元件设计射频开关转换电路,并为射频开关转换电路设计相关时序控制,进行了逻辑功能验证;此外,选用MAX2614芯片设计低噪声放大电路,实现低噪声下射频信号的高增益。该半集成化系统为实验室提供快速测试SAW器件的技术,进而为搭建集成化无线传感平台奠定基础。本文针对延迟线型SAW传感器宏观系统研究,设计并实现了宏观传感系统,相关性能测试与分析表明,系统工作状态稳定、电路设计合理。在此基础上提出基于FPGA的延迟线型SAW传感器半集成化传感系统设计方案,并对系统所需的部分算法、硬件电路及时序控制进行功能仿真验证,该方案既是宏观系统设计的延伸,也是实现传感系统集成化的必要环节。本研究对延迟线型SAW传感系统的微型化、集成化及实际应用具有重要意义。
【学位单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN65;TP212.9
【部分图文】：

输出信号的频率变化检测最为普遍。主要原因率正相关，SAW 器件的中心频率一般在 MH号频率较为困难，故通过对输出信号的频率变可分为延迟线型 SAW 传感器和谐振型 SAW 传 2.2（a）所示，延迟线型 SAW 器件具有较长 IDT 两侧放置一定数量的反射栅，当 IDT 激发波相互叠加，以驻波的形式在反射栅中传播[1型和双端谐振型两种结构，如图 2.2（b）、（c）(b) 单端谐振型 SAW 器件 IDT 结构示意图

延迟线型 SAW 传感器宏观系统的整体框架如图 3.1 所示，主要包括下位机软硬件及上位机软件。系统下位机硬件主要包含前端传感模块、混频处理模块、低频信号调理模块、多功能拓展模块和电源管理模块。其中，前端传感模块采用双通道振荡电路结构，包含传感通道和参考通道。两个通道的振荡电路都是以延迟线型 SAW 传感器为核心元件，但 SAW 传感器所起到的作用有所区别。传感通道的 SAW 传感器一般需特殊处理，例如在传播区域沉积敏感薄膜，以实现对化学/生物待测量的检测。因此，以传感通道的SAW 传感器感知外界待测量，参考通道的 SAW 传感器作为基准，通过混频处理抵消环境因素干扰且输出的差频信号的频率信息可表示待测量的变化[24]。混频后信号存在高次谐波干扰量，加入五阶低通滤波器抑制高次谐波信号，并在滤波处理后增加隔离设计，运用高速运算放大器搭建电压跟随电路，进而实现隔离。运放电路的输出信号在送入整形电路前需要对低频信号进行增益补偿，保证信号幅值能够被后续电路识别。增益后的信号经整形处理后送入 MCU，MCU 对待测信息量分析后驱动声光预警等外围电路。通过MAX485通信模块实现多机通信以及串口UART实现上位机和下位机的数据通信[25]。系统上位机方面，基于 LabVIEW 开发环境设计传感系统的上位机软件，实现多节点传感信息监测等通用功能，便于不同种类传感系统的移植使用。

3 延迟线型 SAW 传感器宏观系统设计C2/C5、C3/C6 分别为三组电容，每一组电容都包括 1μf 电容和 300pf 电容。容值较大的电容具有滤波及防止电源低频耦合的功能；容值较小的电容可抑制高频谐波对线性电源的影响。R1/R2、R3/R4、R5/R6 为集成放大器 INA-02186 提供上拉电阻，保证在+9V 直流电压下放大器偏置满足+5.5V 的工作需求。为便于电路调试，每条支路预留电阻位置，可灵活调整上拉电阻大小。C7、C8、C9、C10、C11 和 C12 的作用是隔离直流信号。L4、L5、L6 组成移相器并和 SAW 器件构成选频网络。R7、R8、R9、R10 可动态调整环路输出信号幅值，解决第三级放大器输入过饱和问题。第三级放大结构主要作用是隔离输出，从而减少环路输出受到负载牵引的影响。振荡电路中所选用的滤波器 LFCN-225+是一款集成低通滤波器，3dB 带宽可达 350MHz，满足 SAW 传感器中心频率范围，在510MHz~2500MHz 频率段内典型抑制值高达 40dB，且带有隔离功能可很好地抑制整个环路的高次谐波。在振荡电路输出端口预留 π 衰减电路设计，便于输出功率的调整。振荡电路可通过 SMA 接头（PT1）进行测试。
【参考文献】

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1 吴青珍;直接数字频率合成器的杂散抑制研究与设计[D];西安电子科技大学;2017年

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本文编号：2835831