传感技术中的SAW传感器后端信号处理电路的设计

0 引 言 　　随着声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)技术的发展，SAW传感器已经成为重要的一个分支。声表面波传感器以其体积小，重量轻，功耗低，以及灵敏度高，抗干扰强，精度高，重复性和一致性良好的特点，可以实现无线传感，便于大批量生产，成本低，目前已经成为了各种高性能传感器的首选。 　　常用的SAW气体传感器由SAW器件、敏感薄膜和信号处理电路组成。在实际使用中，为了使声表面波传感器使用更加方便，需要最终设计制造出一块集环境感应、数据读出和数据处理为一体的专用电路，因此该电路最终将是一块大规模的混合信号处理电路，是整个传感器电路的一个重要模块，需要仔细设计和优化 SAW传感器后端信号处理电路的设计是传感技术领域的一个关键环节，特别是在声表面波(SAW)技术广泛应用的背景下。SAW传感器因其小巧轻便、低功耗、高灵敏度、强抗干扰能力、高精度、良好的重复性和一致性，成为了众多高性能传感器的首选。它们能够实现无线传感，适用于大规模生产和低成本应用。 SAW气体传感器通常由SAW器件、敏感薄膜和信号处理电路三部分构成。在实际应用中，为了提升传感器的便利性和集成性，需要设计一种集环境感应、数据读取和数据处理于一体的专用电路。这种电路作为一个混合信号处理模块，涵盖了高频振荡、混频、滤波和频率计数等功能，需要精心设计以确保性能优化。 在电路设计过程中，首先要理解SAW气体传感器的工作原理。声表面波是固体表面传播的弹性波，其传播和转换信息的过程较为便捷。外部环境对SAW器件的影响可以通过特定的数学模型（如式(1)）来描述。电路设计的目标是构建一个包含振荡、混频、滤波和频率检测等步骤的集成电路。 其中，频率检测是电路设计的关键。常用的方法包括直接测频法、周期测频法和多周期测频法。在这几种方法中，直接测频法因为其简单高效而被选用。该方法在固定时间间隔内计算输入信号的重复次数，然后根据频率与周期的关系计算信号频率。然而，这种方法也存在测量误差，误差可通过公式表示。 为了解决误差问题并实现精确的频率检测，设计了一个基于FPGA的数字式频率计。该系统由六个子模块组成，包括放大整形电路、闸门选择电路、分频器电路、门控电路、计数器和锁存器。这些子模块协同工作，将被测信号转换为脉冲信号，然后通过不同时间间隔的闸门选择进行计数，以确定频率。通过两位量程选择开关可以调整不同时间基准，计数器则用于记录频率值，锁存器则确保在测量过程中的数据稳定。 在设计完成后，通常会使用VHDL语言编写各子模块的代码，并通过EDA工具如QuartusⅡ进行编译、优化和逻辑综合，以实现硬件描述语言（HDL）到电路逻辑的转换。通过仿真和测试，可以验证设计的有效性和准确性，确保在实际应用中能够满足对SAW传感器信号处理的需求。 SAW传感器后端信号处理电路的设计是一个复杂而精细的过程，涉及到信号转换、频率检测、误差分析等多个方面。通过深入理解SAW技术的特性，合理选择和设计电路组件，以及利用先进的数字信号处理技术，可以构建出高效可靠的信号处理系统，服务于各种传感器应用。