声表面波传感器信号处理电路的设计

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声表面波(SAW)传感器具有体积小,灵敏度高,成本低等众多的优势,因此在环境监测,化学处理控制,临床医学等众多方面得到了越来越多的应用。目前,基于声表面波器件的传感器研究已经成为一个热门领域。SAW传感器检测的主要途径是通过测量其频率、相位或者幅度的变化来得到被测量的变化。本文针对声表面波传感器设计的需要,采用了测量频率的方法来实现对被测量的检测。论文首先介绍了SAW器件及其传感器工作原理,在此基础上提出了传感器信号处理电路的原理。为了检测声表面波频率随外界环境的变化情况,设计了SAW高频振荡器。通过对振荡器设计基本原理的分析,结合SAW的模型及其特征,采用并联谐振的方法,将SAW模型等效为电感与电阻的串联形式,使其频率信息能够振荡输出。对所设计的SAW振荡器进行时域、谐波和噪声仿真,仿真结果表明所设计的振荡器达到了设计目标,能够稳定的输出SAW器件的谐振频率。同时,采用双通道的结构,两通道的振荡信号送入混频器中得到差频信号,该差频信号即反映了外界环境的变化。为了得到两个SAW振荡器的频率偏差,我们分析并设计了相应的信号变换电路。利用带通滤波器和低通滤波器选择所需要的频率信号,并采用了一吉尔伯特单元电路来实现两路信号的混频;整形电路利用迟滞比较器原理,完成了对混频滤波后信号的整形,将正弦波转化为脉冲信号。最后,基于FPGA技术,设计了频率检测电路,利用VHDL语言对各电路子模块编写了相应的代码,并在EDA软件QuartusⅡ完成了对电路的设计和实现,并对该部分进行了测试且给出了测试结果。本论文的工作属于SAW气体传感器研究工作的一部分,本文设计的SAW气体传感器信号处理电路可为今后SAW传感器系统的进一步研制奠定了良好的基础。
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