0 引 言

　　隨著聲表面波(Surface Acoustic Wave,，SAW" title="SAW">SAW)技術(shù)的發(fā)展，SAW傳感器" title="傳感器">傳感器已經(jīng)成為重要的一個(gè)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(hào)處理" title="信號(hào)處理">信號(hào)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(hào)處理電路，是整個(gè)傳感器電路的一個(gè)重要模塊,，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化,。對(duì)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(bào)道了采用相關(guān)高頻震蕩電路實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)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(duì)其信號(hào)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(duì)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(gè)該傳感器后端的信號(hào)處理電路,，著重分析了其后端頻率檢測電路的原理,，并對(duì)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(duì)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āＳ捎谶@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(duì)比較方便。根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知,，外界環(huán)境對(duì)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(hào)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(gè)混合信號(hào)的處理芯片,。為了較容易地完成整個(gè)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(gè)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(hào)后,，再選用Motorola公司的 MC1496混頻器將正弦信號(hào)混頻并濾波，得到的信號(hào)經(jīng)過波形變換后,，成為一個(gè)頻率范圍在2 MHz左右的方波信號(hào),。于是，接下來的重點(diǎn)將是設(shè)計(jì)一個(gè)可以精確測量方波信號(hào)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(hào)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(duì)這幾種方法的研究和比較,，選用直接測頻法對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行檢測,。

　　直接測頻法就是在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)，也就是所謂的閘門時(shí)間內(nèi)測得輸入周期信號(hào)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(hào)的頻率可以表示為：

　　直接測頻法會(huì)產(chǎn)生測量誤差,，該誤差可以表示如下：

　　通過對(duì)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(gè)子模塊電路,。通過各個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)變成脈沖信號(hào)。
• 　　閘門選擇電路 產(chǎn)生不同的閘門開通時(shí)間丁,。
• 　　分頻器電路提供時(shí)基信號(hào),，作為時(shí)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(hào),。
• 　　計(jì)數(shù)器將信號(hào)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(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻,，可以得到1 s,，100 ms，10 ms和1 ms四個(gè)不同的閘門開通時(shí)間,。同時(shí),，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(gè)頻率檢測量程。

　　2．3 仿真及其測試

　　利用VHDL" title="VHDL">VHDL語言對(duì)電路的各個(gè)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(dòng)地將VHDL語言轉(zhuǎn)換成門級(jí)電路,，進(jìn)而完成了對(duì)電路的分析、驗(yàn)證,、自動(dòng)布局布線,、時(shí)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(shí)鐘信號(hào),；Fx為輸入的檢測信號(hào),；s1，s2為整個(gè)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(duì)整個(gè)頻率檢測電路的設(shè)計(jì)工作,，并利用函數(shù)發(fā)生器對(duì)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(hào)處理電路,，對(duì)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(duì)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(hào)處理電路的可行性。