隨著無(wú)線(xiàn)通信、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等前沿領(lǐng)域?qū)诵膫鞲性吒呔�、集成化和高頻化的迫切需求,聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)傳感器因其靈敏度高、易于集成化和無(wú)線(xiàn)化等優(yōu)點(diǎn)成為傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本論文擬通過(guò)對(duì)穩(wěn)定性強(qiáng)、集成度高的SAW傳感系統(tǒng)研究,使得SAW傳感器有望在智能技術(shù)和智慧化建設(shè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前SAW傳感系統(tǒng)主要由兩部分組成:SAW傳感器和匹配電路系統(tǒng),兩者相輔相成,缺一不可。本文面向延遲線(xiàn)型SAW傳感器系統(tǒng)進(jìn)行研究,主要研究?jī)?nèi)容分為兩部分:延遲線(xiàn)型SAW傳感器宏觀(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制備與測(cè)試;基于FPGA的延遲線(xiàn)型SAW傳感器半集成化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。延遲線(xiàn)型SAW傳感器宏觀(guān)系統(tǒng)研究方面:通過(guò)對(duì)SAW傳感器傳感機(jī)理、系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力進(jìn)行合理分析,圍繞中心頻率為300MHz的延遲線(xiàn)型SAW傳感器,對(duì)宏觀(guān)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分。1)系統(tǒng)下位機(jī)硬件中,前端傳感模塊由雙通道SAW傳感器振蕩電路構(gòu)成,通過(guò)采用二級(jí)閉環(huán)放大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高頻振蕩電路,并在環(huán)路輸出端引入第三級(jí)放大器,從而實(shí)現(xiàn)高頻正弦信號(hào)的穩(wěn)定輸出;基于AD831芯片設(shè)計(jì)混頻電路,對(duì)雙通道高頻信號(hào)進(jìn)行下變頻處理得到低頻信號(hào),可有效降低系統(tǒng)硬件消耗;引入低頻信號(hào)調(diào)理模塊,提高了頻率檢測(cè)的可靠性;根據(jù)應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)多功能拓展模塊提供聲光報(bào)警、上位機(jī)通信等通用功能;設(shè)計(jì)具有多電壓輸出能力的電源管理模塊,滿(mǎn)足各模塊供電需求,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。系統(tǒng)下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲光報(bào)警模塊的驅(qū)動(dòng)、顯示模塊信息的處理及上位機(jī)串口通信協(xié)議的匹配。2)系統(tǒng)上位機(jī)方面,基于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)具有普適性的上位機(jī)應(yīng)用程序,實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)傳感信息監(jiān)測(cè)、用戶(hù)登錄管理、串口通信和歷史數(shù)據(jù)查看等基礎(chǔ)功能。其中,在多節(jié)點(diǎn)傳感信息監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中加入防誤判預(yù)警算法,有效減少傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)時(shí)的誤判。最終,通過(guò)對(duì)下位機(jī)硬件PCB設(shè)計(jì)、焊接與調(diào)試,實(shí)現(xiàn)了延遲線(xiàn)型SAW傳感器宏觀(guān)系統(tǒng),并進(jìn)行了相關(guān)性能測(cè)試與分析。基于FPGA的延遲線(xiàn)型SAW傳感器半集成化系統(tǒng)方面:根據(jù)系統(tǒng)定位及功能需求,確定設(shè)計(jì)思路,并對(duì)部分所需算法、硬件電路與時(shí)序控制進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證。1)在算法設(shè)計(jì)方面,基于FPGA的反饋掃頻式DDS設(shè)計(jì),為SAW傳感器提供可靠激勵(lì)信號(hào),解決了傳統(tǒng)DDS定點(diǎn)/掃頻不靈活和邏輯資源利用率低等問(wèn)題,并對(duì)反饋掃頻式DDS設(shè)計(jì)所涉及的反饋定位算法、閉環(huán)反饋流水線(xiàn)算法以及ROM壓縮算法進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了算法設(shè)計(jì)的可行性;2)硬件電路設(shè)計(jì)及時(shí)序控制方面,選用AD9767芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換;以CG2185X2芯片為核心元件設(shè)計(jì)射頻開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換電路,并為射頻開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)相關(guān)時(shí)序控制,進(jìn)行了邏輯功能驗(yàn)證;此外,選用MAX2614芯片設(shè)計(jì)低噪聲放大電路,實(shí)現(xiàn)低噪聲下射頻信號(hào)的高增益。該半集成化系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)室提供快速測(cè)試SAW器件的技術(shù),進(jìn)而為搭建集成化無(wú)線(xiàn)傳感平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。本文針對(duì)延遲線(xiàn)型SAW傳感器宏觀(guān)系統(tǒng)研究,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了宏觀(guān)傳感系統(tǒng),相關(guān)性能測(cè)試與分析表明,系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定、電路設(shè)計(jì)合理。在此基礎(chǔ)上提出基于FPGA的延遲線(xiàn)型SAW傳感器半集成化傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并對(duì)系統(tǒng)所需的部分算法、硬件電路及時(shí)序控制進(jìn)行功能仿真驗(yàn)證,該方案既是宏觀(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的延伸,也是實(shí)現(xiàn)傳感系統(tǒng)集成化的必要環(huán)節(jié)。本研究對(duì)延遲線(xiàn)型SAW傳感系統(tǒng)的微型化、集成化及實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
【學(xué)位單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TN65;TP212.9
【部分圖文】：

輸出信號(hào)的頻率變化檢測(cè)最為普遍。主要原因率正相關(guān)，SAW 器件的中心頻率一般在 MH號(hào)頻率較為困難，故通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)的頻率變可分為延遲線(xiàn)型 SAW 傳感器和諧振型 SAW 傳 2.2（a）所示，延遲線(xiàn)型 SAW 器件具有較長(zhǎng) IDT 兩側(cè)放置一定數(shù)量的反射柵，當(dāng) IDT 激發(fā)波相互疊加，以駐波的形式在反射柵中傳播[1型和雙端諧振型兩種結(jié)構(gòu)，如圖 2.2（b）、（c）(b) 單端諧振型 SAW 器件 IDT 結(jié)構(gòu)示意圖

延遲線(xiàn)型 SAW 傳感器宏觀(guān)系統(tǒng)的整體框架如圖 3.1 所示，主要包括下位機(jī)軟硬件及上位機(jī)軟件。系統(tǒng)下位機(jī)硬件主要包含前端傳感模塊、混頻處理模塊、低頻信號(hào)調(diào)理模塊、多功能拓展模塊和電源管理模塊。其中，前端傳感模塊采用雙通道振蕩電路結(jié)構(gòu)，包含傳感通道和參考通道。兩個(gè)通道的振蕩電路都是以延遲線(xiàn)型 SAW 傳感器為核心元件，但 SAW 傳感器所起到的作用有所區(qū)別。傳感通道的 SAW 傳感器一般需特殊處理，例如在傳播區(qū)域沉積敏感薄膜，以實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)/生物待測(cè)量的檢測(cè)。因此，以傳感通道的SAW 傳感器感知外界待測(cè)量，參考通道的 SAW 傳感器作為基準(zhǔn)，通過(guò)混頻處理抵消環(huán)境因素干擾且輸出的差頻信號(hào)的頻率信息可表示待測(cè)量的變化[24]。混頻后信號(hào)存在高次諧波干擾量，加入五階低通濾波器抑制高次諧波信號(hào)，并在濾波處理后增加隔離設(shè)計(jì)，運(yùn)用高速運(yùn)算放大器搭建電壓跟隨電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隔離。運(yùn)放電路的輸出信號(hào)在送入整形電路前需要對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行增益補(bǔ)償，保證信號(hào)幅值能夠被后續(xù)電路識(shí)別。增益后的信號(hào)經(jīng)整形處理后送入 MCU，MCU 對(duì)待測(cè)信息量分析后驅(qū)動(dòng)聲光預(yù)警等外圍電路。通過(guò)MAX485通信模塊實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信以及串口UART實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信[25]。系統(tǒng)上位機(jī)方面，基于 LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)傳感系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)傳感信息監(jiān)測(cè)等通用功能，便于不同種類(lèi)傳感系統(tǒng)的移植使用。

3 延遲線(xiàn)型 SAW 傳感器宏觀(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)C2/C5、C3/C6 分別為三組電容，每一組電容都包括 1μf 電容和 300pf 電容。容值較大的電容具有濾波及防止電源低頻耦合的功能；容值較小的電容可抑制高頻諧波對(duì)線(xiàn)性電源的影響。R1/R2、R3/R4、R5/R6 為集成放大器 INA-02186 提供上拉電阻，保證在+9V 直流電壓下放大器偏置滿(mǎn)足+5.5V 的工作需求。為便于電路調(diào)試，每條支路預(yù)留電阻位置，可靈活調(diào)整上拉電阻大小。C7、C8、C9、C10、C11 和 C12 的作用是隔離直流信號(hào)。L4、L5、L6 組成移相器并和 SAW 器件構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)。R7、R8、R9、R10 可動(dòng)態(tài)調(diào)整環(huán)路輸出信號(hào)幅值，解決第三級(jí)放大器輸入過(guò)飽和問(wèn)題。第三級(jí)放大結(jié)構(gòu)主要作用是隔離輸出，從而減少環(huán)路輸出受到負(fù)載牽引的影響。振蕩電路中所選用的濾波器 LFCN-225+是一款集成低通濾波器，3dB 帶寬可達(dá) 350MHz，滿(mǎn)足 SAW 傳感器中心頻率范圍，在510MHz~2500MHz 頻率段內(nèi)典型抑制值高達(dá) 40dB，且?guī)в懈綦x功能可很好地抑制整個(gè)環(huán)路的高次諧波。在振蕩電路輸出端口預(yù)留 π 衰減電路設(shè)計(jì)，便于輸出功率的調(diào)整。振蕩電路可通過(guò) SMA 接頭（PT1）進(jìn)行測(cè)試。
【參考文獻(xiàn)】

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4 周晨蕾;面向聲表面波瓦斯傳感器的檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)研究[D];西安科技大學(xué);2016年

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6 孫鳳佩;聲表面波氣體探測(cè)器系統(tǒng)集成技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2015年

7 陳陽(yáng);硅基CMOS毫米波開(kāi)關(guān)混頻器的研究與設(shè)計(jì)[D];電子科技大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2835831