用于氣體檢測的聲表面波振蕩電路設(shè)計

1  引  言

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

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)定性和測試精度， 其振蕩頻率取決于反饋回路相位為零時的條件。因此聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的提高有助于進一步改進傳感器的性能指標。

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， 通過精確設(shè)計兩邊的叉指換能器的叉指對數(shù)及間距后， 再通過蒸發(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似于高Q 值延遲線的特性， 但它有以下幾個顯著特點: 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)頻范圍增加的同時穩(wěn)定度會降低。

對于基于諧振型SAW 器件的傳感器來說， 基線頻率穩(wěn)定度是最重要的技術(shù)指標之一。對于聲表面波氣體傳感器， 聲表器件上需加敏感膜， 這樣會增加器件的插損， 過大的插損會降低穩(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)叉指換能器的對數(shù)分為單端諧振器和雙端諧振器兩種。這兩種類型的諧振器各有特點， 單端聲表面波諧振器振蕩電路簡單， 元器件少， 頻率穩(wěn)定度好， 相位噪聲低， 可實現(xiàn)低電壓、低功耗， 但是其波段覆蓋系數(shù)小， 當超出它的這個范圍時將會導(dǎo)致不起振。雙端聲表面波諧振器的優(yōu)點是容易起振， 如果相移網(wǎng)絡(luò)選擇合適， 可以在很大范圍內(nèi)實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)， 其缺點是這種電路較為復(fù)雜， 成本較高。

3  振蕩電路的設(shè)計

本設(shè)計是基于雙端聲表面波諧振器進行的電路設(shè)計， 為了使電路既能容易滿足振蕩條件， 又能達到良好的性能， 采用閉環(huán)正反饋放大的振蕩電路形式，它包括一個放大電路和一個反饋回路， 電路原理框圖如圖1所示。本次設(shè)計采用的聲表面波器件型號為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

該電路在諧振點形成單模振蕩的條件與其他類型的諧振式傳感器類似， 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)的其他頻率點上， 產(chǎn)生諧振所需要的相位和幅值條件不同時滿足。

基于上述條件， 本設(shè)計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， 從而實現(xiàn)振蕩。第二步， 設(shè)計一個無源LC濾波器把開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)， 此時雙端聲表面波器件作為一個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頻率變化影響最小的類型。此外， 選擇低噪聲、高增益的放大器尤為重要。另外， 為簡化匹配電路的設(shè)計， 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)計所選取的放大器為UPC2748T， 該型號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， 而且價格便宜。

本設(shè)計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， 信號在振蕩回路內(nèi)起振并達到穩(wěn)定的振蕩頻率。在振蕩環(huán)路內(nèi)， 可調(diào)元器件為L2、L3、R1和C2， 因此振蕩電路的調(diào)試簡單快捷， 能夠快速的設(shè)計好振蕩電路。

當L2、L3為39nH， R1為0Ω， C2為1. 5 pF時， 滿足電路振蕩的條件， 電路實現(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)簡單， 容易起振， 且由于有源器件較少， 因此不會過多引入噪聲， 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)實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。此電路所用元器件較少， 方便實現(xiàn)多路檢測通道的設(shè)計制作， 能夠很好的應(yīng)用于SAW 傳感器陣列系統(tǒng)。

4.. 測試結(jié)果與分析

整個電路設(shè)計調(diào)試完成后， 通過示波器記錄測試數(shù)據(jù)， 當聲表面波器件為當初設(shè)計調(diào)試所選用的RP1308型時， 測量所得的頻率圖如圖3所示。當選用型號為B433、中心頻率為433. 9MHz、180..相移的雙端諧振型器件時， 同樣能得到良好的性能， 其測試頻率圖如圖4所示。可以看出， 它們的諧振頻率均為433. 9MH z， 達到了預(yù)期的目標。

          圖3 基于RP1308型諧振器的電路測試圖。

              圖4 基于B433型諧振器的電路測試圖。

本設(shè)計的電路不但能應(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型諧振器的電路測試圖。

5  結(jié)束語

本文設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)簡單， 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。測試表明， 該電路具有較高的穩(wěn)定性， 對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。