（微电子学与固体电子学专业论文）基于fpga的fbar传感器信号检测与处理电路研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 薄膜体声波谐振器( f b a r ) 作为一种质量传感器，具有非标记、灵敏度高、 体积小等优点，广泛应用于生化检测等领域。f b a r 固有频率高( 0 5 2 0 g h z ) ，大 多采用体积庞大、价格昂贵的网络分析仪对其性能进行分析，体积和成本因素致 使该传感器目前尚难以得到普及应用。开展不依赖于网络分析仪的f b a r 信号检 测与处理电路研究，对扩大其应用范围具有重要意义。 针对薄膜体声波传感器对信号检测与处理电路的要求，本论文提出了g h z 频 段的信号检测与处理电路。基于q u a r t u si i 和a l t i u md e s i g n e r6 0 软件平台，完成 了以f p g a 为控制核心的逻辑设计与信号检测与处理电路的硬件设计。论文主要 研究内容如下： 在分析f b a r 传感器的结构和工作原理基础上，针对传感器信号频率高的 特点，并借鉴网络分析仪的系统结构，确定了基于f p g a 的f b a r 传感器信号检 测与处理电路的总体方案； 通过对关键模块进行理论计算、仿真和优化，完成了f b a r 传感器信号检 测与处理电路的设计，并根据电磁兼容理论，完成了电路的p c b 设计； 结合f b a r 传感器信号检测与处理电路输出信号的特点，基于f p g a 完成 了信号采集系统的设计，并通过u s b 接口实现与电脑数据传输，最后对系统进行 了功能仿真验证； 搭建实验平台，采用本文设计的f b a r 传感器信号检测与处理电路对基于 薄膜体声波谐振器的双工器器件进行了测试，测得双工器发射端的谐振频率为 1 8 1 g h z ，与网络分析仪测试结果基本吻合，相对误差小于1 1 。 关键词：薄膜体声波传感器，信号检测与处理电路，接收机，网络分析仪，f p g a 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a sam a s ss e n s o r ，f i l mb u l ka c o u s t i cw a v er e s o n a t o r ( f b a r ) h a sb e e nw i d e l yu s e d i nb i o c h e m i c a ld e t e c t i o nf o rt h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl a b e l f r e e ，h i g hr e s o l u t i o n ，s m a l l v o l u m e f b a rh a sh i ：g l li n h e r e n tf r e q u e n c y ( 0 5 - 2 0 g h z ) i ti sm o s t l yu s e dt oa n a l y z e t h ep e r f o r m a n c eo ff b a rw i t ht h eb u l k ye x p e n s i v en e t w o r ka n a l y z e r b u tc o n s i d e r e d i t ss i z ea n dc o s t ，i t ss t i l ld i f f i c u l tt om a k ef b a rs e n s o r sg e taw i d ea p p l i c a t i o n s o r e s e a r c ho nas i g n a ld e t e c t i o na n dp r o c e s s i n gc i r c u i tf o rt h ef b a rs e n s o ri n d e p e n d e n t o fn e t w o r ka n a l y z e rh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c et oe x p a n di t ss c o p eo fa p p l i c a t i o n t h i sp a p e rc a r r i e so u tr e s e a r c ho nag h zb a n ds i g n a ld e t e c t i o na n dp r o c e s s i n g c i r c u i ta c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ff b a rs e n s o r s t h ep a p e rc o m p l e t e st h el o g i c d e s i g nw i t hf p g a a st h ec o r ed e v i c ea n dt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es i g n a ld e t e c t i o n a n dp r o c e s s i n gc i r c u i tb a s e do np l a t f o r mo fq u a r t u si ia n da l t i u md e s i g n e r6 0 t h e m a i nw o r ko ft h i sp a p e ri n c l u d i n g ： b a s e do nt h ea n a l y s i so fs t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ff b a rs e n s o r s ，t h e s i g n a lo ft h es e n s o r sh a sc h a r a t e r i s t i co fh i 曲f r e q u e n c y , a n da c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r e o fn e t w o r ka n a l y z e r , t h eo v e r a l ld e s i g no ft h ef b a rs e n s o rs i g n a ld e t e c t i o na n d p r o c e s s i n gc i r c u i tb a s e do nf p g a i sp u tf o r w a r d ； a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nf o rt h ek e y m o d u l e s ，t h ed e s i g no ft h ef b a rs e n s o rs i g n a ld e t e c t i o na n dp r o c e s s i n gc i r c u i ti s c o m p l e t e d a n dt h ep c bd e s i g no f t h ec i r c u i ti sc o m p l e t e di na c c o r d a n c ew i t ht h ee m c t h e o r y ； a c c o r d i n gt ot h eo u t p u ts i g n a l c h a r a c t e r i s t i co ft h ef b a rs e n s o rs i g n a l d e t e c t i o na n dp r o c e s s i n gc i r c u i t ，t h es i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mi sc o m p l e t e db a s e do nt h e f p g a ，i tc o m m u n i c a t e dw i t hp cb yu s b i n t e r f a c e a n di t sf e a s i b i l i t yi sv e r i f i e db yt h e f u n c t i o ns i m u l a t i o n ； s e tu pt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r ma n dr e a l i z et h et e s to fd u p l e x e r t h er e s o n a n t f r e q u e n c yo fd u p l e x e rt r a n s m i t t e ri s 1 81g h z ，w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l tb yt h e n e t w o r ka n a l y z e rm e a s u r e d a n dt h er e l a t i v ee r r o ri s1 1 k e y w o r d s ：f i l mb u l ka c o u s t i cw a v es e n s o ls i g n a ld e t e c t i o na n dp r o c e s s i n gc i r c u i t ， r e c e i v e r , n e t w o r ka n a l y z e r , f p g a l i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 薄膜体声波传感器是一种通过检测薄膜体声波谐振器( f i l mb u l ka c o u s t i c r e s o n a t o r ，f b a r ) 的谐振频率变化来实现质量检测的传感器，具有灵敏度高、体 积小、非标记等优点【l 捌，广泛应用于生物分子、细胞病毒等生化检测领域，但是 随着f b a r 传感器的灵敏度不断提高，其固有频率也不断提高，最高可达2 0 g h z t 3 1 。 目前，大多数都是采用网络分析仪对传感器进行测试，不但增加了测试成本，同 时也限制了整个传感系统的集成化与微型化，因此设计一种针对f b a r 传感器的 信号检测与处理电路，实现传感器信号g h z 频段的检测，对促进薄膜体声波传感 器的广泛应用具有重要意义。 本章介绍了体声波传感器检测系统的国内外研究现状，明确了本论文的研究 目的和主要研究内容。 1 1 体声波传感器检测系统的国内外研究现状 电 空气层 压电层 空气层 图1 1 体声波的基本结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo f b u l ka c o u s t i cr e s o n a t o r 利用声波制作的谐振器、延迟线、滤波器、传感器等广泛应用在各个领域【3 j ， 其中基于体声波原理的传感器可以用于微小质量的检测。目前，主流的体声波传 感器有石英晶体微天平( q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e ，q c m ) 和f b a r 传感器。 石英晶体微天平的压电层为a t 切型石英晶体，工作模式为厚度剪切模式；f b a r 传感器的压电层常采用z n o 或a 1 n ，工作模式主要为厚度伸缩模式或厚度剪切模 式。体声波器件一般由压电层和淀积在其上、下表面的金属电极构成，其基本结 构如图1 1 所示，其工作原理为：当在两电极上加交变电场时，压电层受到电场激 励，由逆压电效应可知，加交变电场将使压电层产生机械形变，根据射频电路的 传输线理论可知，由于空气层的声学阻抗等效为零，所以体声波在传感器体内传 播过程中，将在空气层边界处，不断向传感器体内发生全反射，最终在体声波器 件内形成驻波【4 1 。在体声波器件的上电极表面淀积生化敏感薄膜后可以用于质量的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 检测，此时敏感薄膜粘附待测物质，通过检测敏感薄膜未粘附质量时谐振频率与 粘附质量后谐振频率的变化，可以计算出粘附物质的质量 5 】。 石英晶体微天平已经实现商业化，广泛应用于液相、气相的质量检测中，它 具有成本低、使用简单方便、使用时间长等优点，谐振频率范围从几m h z 到几十 m h z 6 | 。根据s a u e r b r a y 方程可知频率偏移的大小与未加质量时声波传感器谐振频 率的平方成正比关系，所以为了提高体声波传感器对其表面粘附质量的灵敏度， 需增大体声波传感器的谐振频率【7 j 。对于石英晶体微天平来讲，其谐振频率与a t 切型石英晶体的阻抗有关，而阻抗与其厚度有关，所以为了提高谐振频率，需要 将石英晶体厚度做得很薄，不过此时石英晶体变得非常脆弱，很容易被损坏，所 以由于材料及工艺的限制，很难将石英晶体微天平的谐振频率提高到g h z 频段。 基于f b a r 传感器的质量检测方法成为目前声波传感器研究的热点，采用z n o 、 a 1 n 等代替石英晶体作为压电层，相对于石英晶体微天平，f b a r 传感器体积更小、 分辨率与灵敏度也会相应提高【7 j 。随着f b a r 传感器的发展，体声波传感器逐步被 应用于生化领域的质量检测，为了推广它们的应用，其检测系统也备受关注，体 声波传感器的检测电路是f b a r 传感器研究的一个重要方向。 ( a ) 南加州大学 ( a ) u n i v e r s i t yo fs o u t h e r nc a l i f o r n i a ( b ) 乌普萨拉大学 ( b ) u p p s a l au n i v e r s i t y 图1 2 测试系统图 f i g 1 2t e s ts y s t e mg r a p h 2 0 0 5 年，美国南加州大学h a oz h a n g 等人【8 】研制了一种应用于液相测试的体 声波谐振微天平，基于与网络分析仪连接的探针对传感器直接进行测试，其测试 框图如图1 。2 ( a ) 所示，首先采用硅橡胶环围住待测液体，再把f b a r 器件固定 在待测液体中，探针一头连接网络分析仪，另一头从安装台的底部连接器件电极， 从而实现测试，测得传感器谐振频率最大为8 8 8 1 m h z ，对质量检测的灵敏度为 7 0 4 h zc m 2 n g 。2 0 0 7 年，瑞典乌普萨拉大学gw i n g q v i s t 等人一j 研制了一种基于剪 重庆大学硕士学位论文1 绪论 切模式的薄膜体声波免疫传感器，采用同样的测试方法对传感器进行了测试，其 测试框图如图1 2 ( b ) 所示，传感器的谐振频率为1 2 g h z - 1 6 g h z ，分辨率范围 从0 3 n g c m 2 到7 5n c m 2 。 2 0 0 9 年，美国亚利桑那州立大学z h a n gx u 等人【l0 】研制了一种应用于液相测试 的f b a r 生化传感器，其测试框图如图1 3 所示，将f b a r 传感器与微流体通道 集成在一起后，通过焊线焊接到p c b 上。该p c b 板的两面需铺上镀金的铜，使地 平面等效阻抗最小化，目的是降低外界的干扰以及防止电路板本身向外界辐射能 量。f b a r 传感器外围电路采用的主要器件为日本电气公司的三极管，型号为 n e 6 8 11 9 ，与传感器构成振荡电路，其输出连接5 0 f l 的s m a 接头，s m a 接头与 网络分析仪相连进行测试，测试过程中使用的网络分析仪型号为h p 8 5 1 0 c ，测得 传感器谐振频率最大为2 2 g h z 。 fb a ri 瓜e g r a t e d w ，n 1i c r o l i 心l c l i t ：c n a n n e l 图1 3 亚利桑那州立大学f b a r 传感器的测试电路图 f i g 1 3t e s tc i r c u i tf o rf b a r s e n s o ro f a r i z o n as t a t eu n i v e r s i t y 2 0 0 5 年德国马格德堡大学和克劳斯塔尔工业大学【l l 】联合设计了一种基于体声 波的气体传感器，工作频率为5 m h z ，并相应研制了快速阻抗分析电路用于传感器 的检测，检测电路方案如图1 4 所示。该电路由控制器f p g a 、扫频正弦信号发生 器、信号输入电路以及信号采样电路构成。工作原理如下：f p g a 控制3 2 位d d s ( d i r e c t d i g i t a l s y n t h e s i z e r ，直接数字频率合成器) 产生扫频正弦信号，实现分辨 率为0 。1 h z 的快速频率变化；再通过电阻功率分配器分成两路功率相等的正弦信 号，一路信号用于激励传感器工作，另一路信号作为参考信号；传感器的输出信 号和参考信号在f p g a 的控制下，分别通过信号采样电路转换成可用于直接计算 的数字信号；最后再通过f p g a 把数字信号送入到电脑中，进行阻抗频率关系运 算。该电路实现了对传感器阻抗与频率关系的检测，不过电路能实现的最大检测 频率仅1 5 m h z 。2 0 0 7 年马格德保大学和美国缅因州大学【l2 】对该电路进行了改进并 实现了石英晶体微天平的阻抗频率测试。电路方案如图1 5 所示，其主要改进有： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 d d s 可以产生频率变化小于o 1 h z 的扫频正弦信号，扫频信号的频率变化越小， 测试传感器谐振频率的精度就越高，将最大检测频率提高到1 6 0 m h z ；f p g a 控制 器直接对数字信号进行处理和结果显示，使电路集成化提高，并且处理速度非常 快，比如对1 0 0 0 个频率点的阻抗分析最多只需0 8 秒。最后，采样该电路对石英 晶体微天平进行了测试，测得谐振频率为5 m h z ，在n a c l 液体中，谐振频率偏移 7 4 0 h z 。 m 州t 船e 日星篁卜圜 | i 州d l |f p g a s 一址 i d d 5 l 一 _ 一 l c a r t t r o l n |童 t l田 i 蓝卜_ e l 卣葶r - - 1 r 睁 u c f a l |由 兰 5 髀卜 c 鼍 e 墅骥媳! 孽壮 | 甚q h u l | o 一。h l 丘? ； 图1 4 应用于体声波传感器检测的阻抗分析仪 f i g 1 4i m p e d a n c ea n a l y z e rf o rb u l ka c o u s t i cs e n s o r s 图1 5 应用于体声波传感器检测的改进型阻抗分析仪 f i g 1 5i m p r o v e di m p e d a n c ea n a l y z e rf o rb u l ka c o u s t i cs e n s o r s 2 0 0 9 年，德国西门子与芬兰v t t 中心【l3 】联合研制了一种包含c m o s 集成读 出电路的c 轴倾斜z n of b a r 生化传感器阵列，其原理图如图1 6 ( a ) 所示，压电 薄膜上下表面分别淀积电极，布拉格反射层作为声波限制边界，上下电极分别连 接在c m o s 集成读出电路上。c m o s 集成读出电路的制作采用0 3 5 u mc m o s 工 艺，核心部分为v c o ( v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ，压控振荡器) 。v c o 作为传感 器的激励源，可以在很宽的频带进行扫频。测试系统如图1 6 ( b ) 所示，传感器封装 完成后置于蛋白质液体中，分辨率可达l n g c m 2 。该测试系统实现了传感器和c m o s 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 电路的集成，使传感器的检测不再依赖大型的网络分析仪，不过缺点是测试结果 的显示并没有和c m o s 集成读出电路集成在一起，读出电路的最大检测频率偏低 ( 约为8 0 0 m h z ) 。 ( a ) 传感器原理图( b ) 传感器的测试系统 ( a ) s c h e m a t i co fs e n s o r s ( b ) t e s ts y s t e mf o rs e n s o r s 图1 6 基于c m o s 集成读出电路的f b a r 生化传感器阵列 f i g 1 6f b a r b i o c h e m i c a ls e n s o rm a r t i xi n t e g r a t e dw i mc m o sr e a d - o u tc i r c u i t 从国内外研究现状可知，基于体声波传感器的质量检测主要有两种方法：一 是采用网络分析仪对传感器进行测试，操作简单方便，测试频率可达几十g h z ， 不过该仪器价格昂贵、体积庞大，不但不利于f b a r 传感系统的微型化和集成化， 也不利于该传感器的广泛应用。二是设计一种针对传感器的检测电路，设计时根 据传感器谐振频率设计扫频信号源和信号检测与处理电路，如果所设计的电路与 传感器分离，则通过选择合适的芯片搭建电路即可实现传感器的检测，但由于芯 片的限制，使电路工作带宽较窄，限制了电路的应用范围，目前也只实现了传感 器谐振频率为l i n z 频段的检测；如果所设计的电路与传感器集成与一体，真正实 现传感器与检测电路的集成化，不过目前该集成电路的工作频率只能达到m h z 频 段，并且也鲜为少有，究其原因是实现射频频段的集成电路目前仍属困难。随着 质量检测精度的日益提高，所制作的体声波传感器谐振频率也不断提高，当传感 器谐振频率在g h z 频段时，对传感器的检测仍是基于网络分析仪进行测试。所以 设计一种针对g h z 频段f b a r 检测电路，对促进f b r a 传感器的广泛应用具有重 要研究意义。 1 2 研究目的和研究内容 本论文针对f b a r 传感器的应用需求，开展基于f p g a 的f b a r 传感器信号 重庆大学硕士学位论文1 绪论 检测与处理电路研究。深入分析f b a r 传感器的结构与工作原理，提出信号检测 与处理电路的设计方案，实现频率为g h z 频段信号的检测与处理，为促进f b a r 传感器的广泛应用奠定一定的理论与技术基础。 本论文的主要研究内容包括： 分析体声波传感器检测系统的国内外研究现状，结合f b a r 传感器的结构 和工作原理，在分析网络分析仪工作原理的基础上，提出基于f p g a 的f b a r 传 感器信号检测与处理电路的总体方案； 对电路中关键模块进行理论计算、仿真和优化，基于a l t i u md e s i g n e r6 0 软件平台，完成f b a r 传感器信号检测与处理电路的设计；同时基于电磁兼容理 论，完成p c b 版图的绘制； 根据f b a r 传感器信号检测与处理电路输出信号的特点，基于q u a r t u si i 9 0 软件平台，进行f p g a 逻辑设计，完成信号数据采集并存储于s d r a m 中，并 通过u s b 接口实现与电脑的数据传输，最后通过功能仿真验证系统设计的可行性； 搭建实验平台，基于设计的f b a r 传感器信号检测与处理电路对典型的薄 膜体声波谐振器进行测试，根据实验结果对电路的性能进行分析。 1 3 本章小结 体声波传感器在生化检测领域已成为国内外的研究热点，本章主要分析了体 声波传感器的检测方法，在此基础上，明确了了本论文的研究目的和主要研究内 容。 6 重庆大学硕士学位论文 2f b a r 传感器的基本原理及测试方案 2f b a r 传感器的基本原理及测试方案 本章在研究f b a r 传感器结构和基本工作原理基础上，针对f b a r 传感器输 出信号频率高的特点，并借鉴网络分析仪的结构和原理，提出f b a r 传感器信号 检测与处理电路的测试方案。 2 1f b a r 传感器的结构和工作原理 本文针对重庆大学设计的具有主动控制层的f b a r 传感器，设计相应的信号 检测与处理电路，传感器基本结构如图2 1 所示，由电极、敏感压电层、主动控制 压电层、结构层以及衬底构成。与传统f b a r 传感器相比，该结构多了一层主动 控制压电层，目的是为了补偿在传感器工作时损耗的部分声能。其工作原理为： 当对传感器进行测试时，激励信号加在敏感压电层的上下电极上，设其电压值为 九p 洄；在主动控制压电层的上下电极上加电压作为声能补偿信号，依据激励信号 的电压大小，设其电压值为a # o e “”们，可以通过改变口和口来改变声能补偿信号的 大小，最终目的是提高传感器对被测物质的分辨率，从而提高检测精度 1 4 1 。 电 敏感压电层 主动控制压电层 结构层 衬底 图2 1 包含主动控制压电层f b a r 传感器结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo ff b a r s e n s o rw i ma c t i v ec o n t r o ll a y e r 下面基于连续介质理论对该f b a r 传感器建立数学模型，计算阻抗与频率的 关系，并通过m a t l a b 软件对所计算的阻抗频率关系进行仿真。数学模型忽略电极 的影响，对粘附层、敏感压电层和主动控制压电层进行等效，等效后的f b a r 传 感器如图2 2 所示，以敏感压电层与主动控制压电层的分界面为x 坐标平面，同时 设为z 坐标的零点，z 轴方向表示传感器的厚度。假设粘附层的厚度为l l ，敏感压 电层的厚度为l p 2 ，主动控制压电层的厚度为l p l 【l4 1 。由于体声波的振动方向是沿 着传感器体内的纵向方向传播，即传感器的阻抗频率关系只与其厚度有关。所以 在推导阻抗频率关系时，忽略传感器长度和宽度影响，只需考虑在z 轴上的位移。 根据压电层的本构方程和运动方程、粘附层的本构方程和运动方程以及设定的边 7 重庆大学硕士学位论文 2f b a r 传感器的基本原理及测试方案 界条件推导传感器的阻抗频率关系。 l p 2 + l l l p 2 0 - l p i 图2 2f b a r 传感器示意图 f i g 2 2s c h e n a t i cm o d e lf o rf b a r s e n s o r 压电层本构方程如下： 0 3 = c 3 3 “3 3 + r l v u 。3 ，3 一e s 3 矽1 ( 2 1 ) d 3 = e s 3 “3 ，3 + 6 3 3 哆1 ( 2 2 ) 运动方程如下： 0 - s 3 = p ，西3 ( 2 3 ) 粘附层本构方程如下： 0 3 = 岛3 甜3 3 + 吼矗3 3 ( 2 4 ) 运动方程如下： 0 3 3 = p t 3 ( 2 5 ) 通过对上面各式的计算以及边界条件的设定，最终得到传感器的电学阻抗与 角频率的关系如下： z 泐，器焉彬鬻篙嵩蓦铲j = 一f 二1 ( 2 6 ) 其中1 = 丽而2 a i a 2 而一券等， m ： ! 鱼 + 三! ! 堑2 - ， 。 l p l 崩+ 巳3 ( 1 一a i ) 巳3 【l a 1 ) 3 = 篝+ 丽f l ：( 1 - b 万z ：) ， 形：n 一 ! 生 一，i l p l 崩+ p 3 3 ( 1 4 ) 圳鼍铲+ 篙， 形：旦+ t f l 2 ( 1 - b 2 ) ， 。 1 + a 2崩【l + 蟛) 呢= 等+ 3 0 ：， 重庆大学硕士学位论文2f b a r 传感器的基本原理及测试方案 4 = p “山1 ，4 = p “一”，b 1 = e “l ”，b 2 = p 膻心，屈= 己3 i k p ，屈= 瓦3 i k l ，f = e 3 3 巳3 。 基于以上推导的阻抗频率关系式，通过m a t l a b 软件进行仿真，采用z n o 作为 传感器的压电材料，即敏感压电层和主动控制层的材料为z n o 。z n o 特性参数主 要包括密度p p = 5 7 0 0 k g m s 、压电常数e ，= 1 1 9 c + m 、弹性刚度c ，= 2 4 6 g p a 、 介电常数毛，= 1 0 6 2 1 0 。1 0f m 一、粘性系数1 0 。6 n s m ；粘附层的材料特性参数主 要包括密度p ，= 3 0 0 0 k g m s 2 、弹性刚度c = 9 0 g p a 、粘性系数8 1 0 n s m 。2 ； 同时设定敏感压电层厚度为l p 2 = 0 3 5 u m 、主动控制层厚度为l p l - o 6 5 u m 以及粘附 层厚度为l l = 0 1 u m 1 4 - 1 5 1 。通过以上参数的设定，假设传感器衬底损耗的能量极小， 所以此时不需在主动控制压电层上加补偿电压，只在敏感压电层的上下电极上加 激励信号，仿真得到的阻抗频率曲线如图2 3 所示。由图可知传感器的一阶谐振频 率为2 3 7 9 g h z ，在谐振点处所得的阻抗值最小。在下面进行f b a r 传感器的信号 检测与处理电路的设计时，应依据该谐振频率进行相应的设计。 15 图2 3f b a r 传感器的阻抗频率曲线 f i g 2 3i m p e d a n c ev e r s u sf r e q u e n c yo ff b a r s e s o r 2 2f b a r 传感器测试方案 对于f b a r 传感器的测试，目前大部分仍是基于网络分析仪进行测试，可以 通过分析它的基本结构和工作原理了解f b a r 器件的测试原理与测试参数【l6 1 。网 络分析仪内部结构如图2 4 所示，主要由正弦信号发生器、两个信号分离系统、接 收机、以及信号处理与显示系统四部分构成【1 7 】。下面对网络分析仪内部各个部分 的功能进行简单介绍。 信号发生器的核心器件是频率合成器，由它可以构成扫频正弦信号源，用来 激励被测器件工作。网络分析仪有两个信号分离系统，该部分的核心器件是定向 耦合器，其中一个通过双定向耦合器耦合出信号在被测器件传输过程中的入射信 9 重庆大学硕士学位论文 2f b a r 传感器的基本原理及测试方案 号和反射信号，另一个通过双定向耦合器耦合出透射信号，利用信号之间的幅度 和相位值关系，就可以得到被测器件的反射特性和传输特性1 8 】。接收机的目的是 将接收到的信号变频到中频信号，为信号的处理做准备工作，降低信号处理难度。 处理与显示系统根据设定的参数，对信号进行相应的处理，并通过曲线等方式将 结果显示出来。 图2 4 网络分析仪的内部结构框图 f i g 2 4n e t w o r ka n a l y z e rb l o c kd i a g r a m 结合f b a r 传感器的工作原理与信号频率高特点，并依据网络分析仪的结构 和原理，设计一种针对f b a r 传感器的检测系统。接收机的结构方案已经发展成 熟，方案有多种，根据具体要求进行选择。处理与显示系统主要包括模拟信号处 理和数字信号处理，模拟信号的处理也已经发展成熟，并且方案固定，不过在数 字信号处理方面，选择比较多。目前，数字信号处理所采用的控制器主要有单片 机、d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，数字信号处理) 、f p g a ( f i e l d - - p r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y 现场可编程门阵列) 等，三者之间各有千秋。单片机的优点是价格非常 便宜，功能实现简单方便，在控制、接口等方面具有良好的可靠性；缺点是单片 机的指令执行方式是串行执行，执行时间相对较长，适用于低速系统，并且在信 号处理能力方面极差【l9 1 。d s p 具有极强的信号处理能力，尤其是在数据运算重复 率高、数据容量大的情况，其信号处理能力更加突出；缺点是指令的执行方式也 是基于串行执行，在时间上造成了不可避免延迟，并且成本较高、研发周期较长， 并且难以实现外围复杂电路的控制【2 0 。2 。相比之下，f p g a 具有丰富的i o 口，控 制外围电路容易实现，并且f p g a 内部嵌有乘法器、r a m 等资源，使f p g a 同样 1 0 重庆大学硕士学位论文2f b a r 传感器的基本原理及测试方案 具备较强的数字信号处理；虽然f p g a 本身属于硬件范畴，不过仍是基于软件进 行设计，在f p g a 相应的软件平台上，采用硬件描述语言等方式进行逻辑功能描 述，同时指令执行方式基于并行执行方式，所以执行速度非常快，不会造成时间 上的延迟；并且随着i p 核的广泛发展，只需调用核就可以实现固定功能，不但 降低了设计难度，同时也缩短了设计时削2 2 】。所以经过对比分析，本文采用f p g a 作为f b a r 传感器信号检测与处理电路的核心控制器件，用于控制信号的采集、 存储和相应的处理。 扫频激励源i 传感器l 图2 5f b a r 传感器信号检测与处理电路原理图 f i g 2 5p r i n c i p l ed i a g r a mo fs i g n a ld e t e c t i n ga n dp r o c e s s i n gc i r c u i tf o rf b a r s e n s o r 结合以上分析，提出图2 5 所示的f b a r 传感器信号检测与处理电路的总体方 案。信号检测与处理电路主要包括定向耦合器、接收机、信号前处理以及f p g a 。 入射 卜 反射f j 传感器 图2 6 射频信号传输特性 透射 f i g 2 6r a d i o f r e q u e n c ys i g n a lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i z a t i o n 扫频激励源为射频信号，该信号加在传感器敏感压电层的上下电极激励传感 器工作，射频信号在传感器中的传输如图2 6 所示，一小部分信号在传感器的输入 端反射出来，大部分信号透射过传感器。由于传感器是单端口器件，则采用定向 耦合器从敏感压电层提取反射信号，把这个信号作为信号检测与处理电路的输入 信号，也就是检测传感器的反射特性。接收机、信号前处理和f p g a 分别对这个 信号进行相应的处理。当传感器谐振时，反射信号最小，此时最小的反射信号所 对应的频率即为传感器的谐振频率。 重庆大学硕士学位论文 2f b a r 传感器的基本原理及测试方案 2 3 本章小结 本章分析了f b a r 传感器的结构和工作原理，并对传感器的理论模型进行了 计算和仿真，针对传感器信号频率较高的特点，通过研究网络分析仪的基本结构 和工作原理，提出了以f p g a 为控制核心的f b a r 传感器信号检测与处理电路的 总体方案。 1 2 重庆大学硕士学位论文3f b a r 传感器信号检测与处理电路设计 3f b a r 传感器信号检测与处理电路的设计 本章在研究接收机结构与原理的基础上，基于f b a r 传感器信号频率高的特 点，提出f b a r 传感器信号检测与处理电路的设计方案；通过对电路中关键模块 的仿真验证以及优化，完成信号检测与处理电路的原理图设计，同时基于电磁兼 容理论，完成电路的p c b 板设计。 3 1 接收机结构与工作原理 接收机指对天线接收的高频电信号进行相应处理的过程，最终还原为所传输 信号的原始信号【2 3 1 。在对f b a r 传感器信号检测与处理电路的总体设计过程中， 接收机设计是重点内容。目前典型的接收机按照输出频率不同，可以分为超外差、 零中频、以及低中频接收机等【2 4 】三种结构，下面分别对这三种结构进行介绍。 3 1 1 超外差接收机 超外差接收机是最为典型的接收机结构，通过对其不断的改进得到了不同的 接收机结构类型。其典型结构见图3 1 ，相应的工作流程如下：当射频信号输入后， 首先通过频带选择滤波器，选出所需的频带信号，通常信号幅值都比较小，需通 过l n a ( l o w n o i s e a m p l i f i e r ，低噪放大器) 进行信号放大以便得到合适的信号， 再通过镜像滤波器抑制镜像频率对信号的干扰，再与本地振荡信号一起通过混频 器得到中频信号，最后通过带通滤波放大电路得到所需频率的信号。超外差接收 机频带选择滤波器作用是可以较好的抑制相邻通道信号的干扰，镜像抑制滤波器 作用是可以较好的抑制滤波器通带外的镜像频率的干扰，所以该结构的优点是对 信号的选择性较好，并且工作时稳定性也较好。缺点是不可避免的镜像频率干扰 问题，当进行混频时，不只是把有用信号进行下变频，同时将滤波器通带内的镜 像信号也进行了下变频，下变频后镜像信号叠加在有用信号上，从而干扰了有用 信号的幅值；并且由于外接频带选择滤波器和镜像抑制滤波器的影响，不仅限制 了超外差接收机集成度的提高，同时也增加了其功率损榭2 5 羽j 。 射频 输入 图3 1 超外差接收机结构框图 f i g 3 1b l o c kd i a g r a mo fs u p e rh e t e r o d y n er e c e i v e r 输出 重庆大学硕士学位论文 3f b a r 传感器信号检测与处理电路设计 3 1 2 零中频接收机 为了解决超外差接收机存在的问题，提出了零中频接收机设计方案，其相应 的结构见图3 2 所示，与超外差接收机结构相比，其优点有：第一，省略了两个滤 波器的使用，避免了超外差结构集成度低、功率损耗大等缺点；其次，只需采用 一个基带低通滤波器替代射频段的频带选择与镜像抑制滤波器的使用，以及中频 段的带通滤波器的使用，就可完成滤除掉干扰信号和噪声信号，有效降低了接收 机的成本和结构复杂度；最后，混频器的本地振荡信号频率与有用的射频输入信 号频率相同，混频后的有用有用信号变为直流信号，有效的去除了镜像干扰问题 2 8 - 2 9 1 。不过，缺点是具有直流偏移的问题，产生的主要原因是混频器的本地振荡 端与射频输入端隔离度不够导致的信号泄露，当本地振荡端的信号泄露到射频输 入端，不仅影响l n a 的正常工作，同时泄露的信号作为混频器的输入信号与本地 振荡信号自混频，输出的直流信号叠加到有用输出信号上，导致测量误差【2 m 9 | 。 射频 输入 图3 2 零中频接收机结构框图 f i g 3 2b l o c kd i a g r a mo fz e r o - i fr e c e i v e r 输出 3 1 3 低中频接收机 低中频、零中频接收机的结构完全相同，与之不同之处是零中频接收机经过 混频器后输出信号是直流信号，而低中频接收机输出信号是频率较低的交流信号， 频率范围从几k n z 到几m h z 。该结构的优点有：由于输出频率较低，所以经过混 频后，输出的有用信号与镜像信号之间的频率差别会较大，这样可以有效的去除 掉镜像信号；并且输出信号非直流信号，也不存在直流偏移的问题，所以低中频 接收机很好的克服了超外差、零中频接收机结构的缺点。不过，当混频器的本地 振荡信号与射频信号的幅度、相位不相匹配时，也存在镜像干扰的问题，所以要 求具有较高质量的本地振荡信掣2 5 j 。 通过对以上三种接收机结构的对比分析，可知低中频接收机具有结构相对简 单、成本和功耗相对较低、以及输出信号质量较高等优点。并且该接收机得输出 信号频率低，信号的处理也相对容易。所以低中频接收机的结构较适用于本文信 号检测与处理电路中接收机的使用。 1 4 重庆大学硕士学位论文 3f b a r 传感器信号检测与处理电路设计 3 2f b a r 传感器信号检测与处理电路的设计方案 根据低中频接收机的结构，提出f b a r 传感器信号检测与处理电路的具体设 计方案，其系统框图如图3 3 所示，根据传感器的谐振频率为2 3 7 9 g h z ，所设计 的扫频激励源范围为0 3 3 5 g h z ，采用单片机控制其频率变化。该方案的设计原 理为：扫频激励源分为两路，一路用于激励双定向耦合器，大部分信号传输至双 定向耦合器的输出端，用于激励连接在该端口的传感器，并同时从双定向耦合器 的耦合端提取传感器的反射信号送入l n a ；另一路作为混频器提供本地振荡信号， 该信号与l n a 输出的射频信号混频，由于低频接收机的信号输出范围为几k h z 到几m h z ，综合后续信号处理电路，使混频器输出信号频率为1 0 0 k h z ；再把混 频后的信号进行前处理，信号前处理包括滤波、放大以及a d 转换；最后f p g a 对a d 转换器输出的信号进行采集以及相应处理，得到反射信号幅度与频率的关 系。 图3 3f b a r 传感器信号检测与处理路方案图 f i g 3 3s o l u t i o nm a po ff b a r s e n s o r ss i g n a ld e t e c t i n ga n dp r o c e s s i n gc i r c u i t 需注意的是网络分析仪测试的反射特性是指反射信号与入射信号的比值与频 率的关系，本文只测试了反射信号与频率的关系，因为入射信号相同，所以省略 了对该信号的测试。根据传感器的工作原理，最小的反射信号幅度对应的频率即 为传感器的谐振频率。根据f b a r 传感器理论仿真所得的谐振频率大小进行各个 模块器件的选择与设计。下面分别对各个模块进行设计，并采用a l t i u md e s i g n e r6 0 软件进行电路原理图和p c b 版图绘制。 3 3f b a r 传感器信号检测与处理电路模块设计 3 3 1 双定向耦合器电路 定向耦合器作为一种无源性、有方向性的微波器件，被广泛应用于信号功率 合成、信号取样、以及作为反射功率计等方面【3 0 1 。本文采用定向耦合器作为反射 功