用于氣體檢測(cè)的聲表面波振蕩電路設(shè)計(jì)

1  引  言

近年來(lái)， 聲表面波氣體傳感器發(fā)展迅速， 應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域， 具有良好的發(fā)展前景。由于SAW 傳感器具有尺寸小、價(jià)格低、精度高、靈敏度高及分辨率高等優(yōu)點(diǎn)， 因此產(chǎn)生了由聲表面波器件、敏感薄膜和相關(guān)檢測(cè)電路組成的SAW 氣體傳感器。敏感薄膜在吸附氣體的過(guò)程中， 被測(cè)氣體導(dǎo)致的應(yīng)力作用于聲表面波傳輸路徑中的介質(zhì)， 使其動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生改變， 進(jìn)而改變聲表面波器件的諧振頻率。與之配套的檢測(cè)電路測(cè)試出這個(gè)改變量， 從而得到待測(cè)氣體的相關(guān)特性， 而檢測(cè)電路的相關(guān)性能直接影響整個(gè)傳感器的精度和準(zhǔn)確度等技術(shù)指標(biāo)。因此， 電路的設(shè)計(jì)在SAW 氣體傳感器中是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

聲表面波( SAW )振蕩器利用聲表面波諧振器或延遲線作為穩(wěn)頻元件而構(gòu)成。聲表面波器件通常采用性能穩(wěn)定的單晶石英材料制作， 輸出的頻率非常穩(wěn)定。聲表面波振蕩器基頻工作頻率高， 使用范圍可高至2000MH z， 與傳統(tǒng)的采用較低頻率的體聲波振蕩器不同， 具有重量輕、體積小、功耗小、成本低、可靠性增加等優(yōu)點(diǎn)。

聲表面波振蕩器作為聲表面波傳感器的敏感元件， 其頻率穩(wěn)定度直接影響著傳感器的分辨率、穩(wěn)定性和測(cè)試精度， 其振蕩頻率取決于反饋回路相位為零時(shí)的條件。因此聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的提高有助于進(jìn)一步改進(jìn)傳感器的性能指標(biāo)。

2  聲表面波諧振器

聲表面波( SAW )器件是一種采用叉指結(jié)構(gòu)的頻率選擇性很好的器件， 通過(guò)精確設(shè)計(jì)兩邊的叉指換能器的叉指對(duì)數(shù)及間距后， 再通過(guò)蒸發(fā)光刻等工藝制成。聲表面波諧振器( SAWR ) 是一種高Q 值的諧振器， 在很多方面都與石英晶體諧振器相似。

與聲表面波延遲線( SAWDL)振蕩器相比， 雙端諧振器的傳輸特性類(lèi)似于高Q 值延遲線的特性， 但它有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn): 一是諧振器的尺寸很小; 二是諧振器的插損要小得多; 三是諧振器的調(diào)頻范圍比延遲線窄， 但是調(diào)頻范圍增加的同時(shí)穩(wěn)定度會(huì)降低。

對(duì)于基于諧振型SAW 器件的傳感器來(lái)說(shuō)， 基線頻率穩(wěn)定度是最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。對(duì)于聲表面波氣體傳感器， 聲表器件上需加敏感膜， 這樣會(huì)增加器件的插損， 過(guò)大的插損會(huì)降低穩(wěn)定度， 因此SAW器件本身的插損不能大。

聲表面波諧振器也可以根據(jù)叉指換能器的對(duì)數(shù)分為單端諧振器和雙端諧振器兩種。這兩種類(lèi)型的諧振器各有特點(diǎn)， 單端聲表面波諧振器振蕩電路簡(jiǎn)單， 元器件少， 頻率穩(wěn)定度好， 相位噪聲低， 可實(shí)現(xiàn)低電壓、低功耗， 但是其波段覆蓋系數(shù)小， 當(dāng)超出它的這個(gè)范圍時(shí)將會(huì)導(dǎo)致不起振。雙端聲表面波諧振器的優(yōu)點(diǎn)是容易起振， 如果相移網(wǎng)絡(luò)選擇合適， 可以在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)， 其缺點(diǎn)是這種電路較為復(fù)雜， 成本較高。

3  振蕩電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于雙端聲表面波諧振器進(jìn)行的電路設(shè)計(jì)， 為了使電路既能容易滿足振蕩條件， 又能達(dá)到良好的性能， 采用閉環(huán)正反饋放大的振蕩電路形式，它包括一個(gè)放大電路和一個(gè)反饋回路， 電路原理框圖如圖1所示。本次設(shè)計(jì)采用的聲表面波器件型號(hào)為RP1308， 中心頻率為433. 92MH z， 180 相移的雙端諧振型器件。

                  圖1  振蕩電路示意圖

該電路在諧振點(diǎn)形成單模振蕩的條件與其他類(lèi)型的諧振式傳感器類(lèi)似， 其條件如下:

( 1)相位條件， 即諧振器和環(huán)路其他元件引起的總相移為2 的整數(shù)倍。

( 2)幅值條件， 即環(huán)路增益為1。

( 3)其他諧振模態(tài)的抑制， 即在除所需要的諧振模態(tài)的其他頻率點(diǎn)上， 產(chǎn)生諧振所需要的相位和幅值條件不同時(shí)滿足。

基于上述條件， 本設(shè)計(jì)的第一步是選取合適的射頻集成電路( RF IC )放大器， 使其參數(shù)滿足聲表面波振蕩電路的相關(guān)要求。這些參數(shù)包括放大增益、帶寬和最大輸入功率等等。選擇合適的放大器， 在一定頻率范圍內(nèi)， 不同頻率的聲表面波器件都可以使用相同的振蕩電路， 從而實(shí)現(xiàn)振蕩。第二步， 設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)源LC濾波器把開(kāi)路增益限制在雙端聲表面波器件基頻附近較窄的頻率范圍內(nèi)， 此時(shí)雙端聲表面波器件作為一個(gè)元件放置在放大器的反饋電路中。

由于在閉環(huán)內(nèi)建立起振蕩應(yīng)滿足相位平衡條件， 因此放大器本身的相位變化也必然要引起輸出頻率的變化。這種相位變化主要來(lái)源于電源電壓的變化、溫度的變化及元件的老化等。因此閉環(huán)放大器應(yīng)選擇其相頻特性在振蕩器中心頻率附近較大范圍內(nèi)保持平坦、使電源電壓等因素對(duì)頻率變化影響最小的類(lèi)型。此外， 選擇低噪聲、高增益的放大器尤為重要。另外， 為簡(jiǎn)化匹配電路的設(shè)計(jì)， 可以選擇輸入輸出阻抗均為50  的單片放大器。綜上考慮， 本次設(shè)計(jì)所選取的放大器為UPC2748T， 該型號(hào)的放大器工作電壓為3V、中心工作頻率為900MH z， 具有優(yōu)越的性能， 體積小， 而且價(jià)格便宜。

本設(shè)計(jì)的振蕩電路原理圖如圖2所示， 由放大器U1、L2、L3、R1及聲表面波諧振器構(gòu)成振蕩回路，其中L1、C1為放大器供電電壓的處理部分， 信號(hào)在振蕩回路內(nèi)起振并達(dá)到穩(wěn)定的振蕩頻率。在振蕩環(huán)路內(nèi)， 可調(diào)元器件為L(zhǎng)2、L3、R1和C2， 因此振蕩電路的調(diào)試簡(jiǎn)單快捷， 能夠快速的設(shè)計(jì)好振蕩電路。

當(dāng)L2、L3為39nH， R1為0Ω， C2為1. 5 pF時(shí)， 滿足電路振蕩的條件， 電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定振蕩。

                  圖2  正反饋放大振蕩電路原理圖。

該振蕩電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 容易起振， 且由于有源器件較少， 因此不會(huì)過(guò)多引入噪聲， 使得振蕩電路的穩(wěn)定性較好。振蕩電路的振蕩頻率由SAW 器件的諧振頻率決定， 調(diào)節(jié)閉環(huán)環(huán)路元器件， 使振蕩回路滿足振蕩條件， 得到理想的振蕩頻率。選取合適的匹配電路， 可使得該振蕩電路能夠在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。此電路所用元器件較少， 方便實(shí)現(xiàn)多路檢測(cè)通道的設(shè)計(jì)制作， 能夠很好的應(yīng)用于SAW 傳感器陣列系統(tǒng)。

4.. 測(cè)試結(jié)果與分析

整個(gè)電路設(shè)計(jì)調(diào)試完成后， 通過(guò)示波器記錄測(cè)試數(shù)據(jù)， 當(dāng)聲表面波器件為當(dāng)初設(shè)計(jì)調(diào)試所選用的RP1308型時(shí)， 測(cè)量所得的頻率圖如圖3所示。當(dāng)選用型號(hào)為B433、中心頻率為433. 9MHz、180..相移的雙端諧振型器件時(shí)， 同樣能得到良好的性能， 其測(cè)試頻率圖如圖4所示?？梢钥闯?， 它們的諧振頻率均為433. 9MH z， 達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

          圖3 基于RP1308型諧振器的電路測(cè)試圖。

              圖4 基于B433型諧振器的電路測(cè)試圖。

本設(shè)計(jì)的電路不但能應(yīng)用于433MH z的雙端諧振型器件， 而且還能用于其它頻率的同類(lèi)型器件。

本電路也具有良好的穩(wěn)定性， 調(diào)試結(jié)果表明， 所設(shè)計(jì)電路的頻率跳變能夠穩(wěn)定在30H z以內(nèi)。

              圖5  基于Q284型諧振器的電路測(cè)試圖。

5  結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 體積小， 功耗低， 具有良好的性能， 能夠廣泛應(yīng)用于多種基于雙端諧振型器件的聲表面波氣體傳感器。測(cè)試表明， 該電路具有較高的穩(wěn)定性， 對(duì)于不同諧振頻率的雙端聲表面波諧振型器件， 都能應(yīng)用， 大大降低了制作SAW傳感器的成本。