CN103873013A - 一种声表面波传感器应用电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声表面波传感器应用电路，包括第一声表面波振荡器电路、第二声表面波振荡器电路、混频电路和LC无源低通滤波电路，第一声表面波振荡器电路和第二声表面波振荡器电路的输出端分别连接混频电路的输入端，混频电路的输出端连接LC无源低通滤波电路的输入端。本发明采用了三点式电容式负反馈作为选频和反馈网络，电容式负反馈的反馈电压从电容两端取出，对高次谐波阻抗小，能够有效将高次谐波滤除，实现了稳定性好的波形输出；高频小功率管放大电路为射极偏置的共集电极放大电路，实现了等幅振荡，从而使得振荡信号更为稳定。两路声表面波振荡器形成双通道结构，克服外接环境干扰，实现对待测物理量的高精度测量。

Description

一种声表面波传感器应用电路

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种声表面波传感器应用电路。

背景技术

声表面波传感器因具有体积小、重量轻、稳定性好、灵敏度高以及无线无源的方便的工作方式等诸多优点，常常被用于多种复杂恶劣中待测物理量的测量。常见的声表面波传感器由声表面波器件、敏感薄膜和相关检测电路组成，当外界待测物理量如气体浓度作用于声表面波器件上的敏感薄膜上，声表面波器件的谐振频率相应改变，进而得到气体浓度和频率改变的对应关系，实现对待测物理量的测量。

声表面波振荡器作为声表面波传感器的敏感元件，其频率稳定度直接影响着传感器的分辨力、稳定性和测试精度，同时声表面波振荡器的选频反馈网络决定着声表面波振荡器的性能。目前，多数声表面波振荡器采用简单的LC并联谐振作为选频网络，然而该种声表面波振荡器输出波形不理想，稳定性差，在用于声表面波传感器设计时，并不能对待测物理量进行高精度的测量。同时，由于声表面波器件易受到来自外界环境如湿度、温度、电磁等测量条件的干扰，这些干扰不仅会带来测量误差，甚至会导致被测信号完全淹没在干扰及噪声信号中。

发明内容

针对上述声表面波传感器电路的缺陷或不足，本发明提供了一种声表面波传感器应用电路，该电路能够输出两路声表面波振荡器差频信号，具有电容式负反馈，且其结构简单；该电路使得声表面波传感器稳定性好，且抗干扰能力强。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种声表面波传感器应用电路，包括第一声表面波振荡器电路、第二声表面波振荡器电路、混频电路和LC无源低通滤波电路，其中，第一声表面波振荡器电路和第二声表面波振荡器电路的输出端分别连接混频电路的输入端，混频电路的输出端连接LC无源低通滤波电路的输入端。

进一步的，所述第一声表面波振荡器电路包括第一电源VCC、电解电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电感L11、电感L12、偏置电阻R11、偏置电阻R12、反馈电阻R13、高频小功率管BJT1、声表面波器件SAW1和第一声表面波振荡器波形输出端口；其中：第一电源VCC的输出端连接电解电容C11的正极、电容C12和电感L11，电解电容C11、电容C12和电感L11三者并联组成第一滤除直流干扰电路；电解电容C11的负极和电容C12的输出端与声表面波器件SAW1的输出端S12连接，电感L11的另一端与声表面波器件SAW1的输入端S11、电感L12和偏置电阻R11分别连接；高频小功率管BJT1的基极B、偏置电阻R11的另一端和偏置电阻R12三者连接，高频小功率管BJT1的集电极C、电感L12的另一端和电容C14三者连接，高频小功率管BJT1的发射极E、反馈电阻R13和电容C13三者连接；声表面波器件SAW1的输出端S13与电容C13连接；偏置电阻R12的另一端、反馈电阻R13的另一端以及声表面波器件SAW1的输出端S14均接地；第一声表面波振荡器波形输出端口与电容C14、高频小功率管BJT1的发射极E连接；

所述第二声表面波振荡器电路包括电解电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电感L21、电感L22、偏置电阻R21、偏置电阻R22、反馈电阻R23、高频小功率管BJT2、声表面波器件SAW2和第二声表面波振荡器波形输出端口；其中：第一电源VCC的输出端连接电解电容C21的正极、电容C22和电感L21，电解电容C21、电容C22和电感L21三者并联组成第二滤除直流干扰电路；电解电容C21的负极和电容C22的输出端与声表面波器件SAW2的输出端S22连接，电感L21的另一端与声表面波器件SAW2的输入端S21、电感L22和偏置电阻R21分别连接；高频小功率管BJT2的基极B、偏置电阻R21的另一端和偏置电阻R22三者连接，高频小功率管BJT2的集电极C、电感L22的另一端和电容C24三者连接，高频小功率管BJT2的发射极E、反馈电阻R23和电容C23三者连接；声表面波器件SAW2的输出端S23与电容C23连接；偏置电阻R22的另一端、反馈电阻R23的另一端以及声表面波器件SAW2的输出端S24均接地；第二声表面波振荡器波形输出端口与电容C24、高频小功率管BJT2的发射极E连接；

所述混频电路包括第二电源V+、第三电源V-、电解电容C1、电解电容C4、电容C2、电容C3、电阻R1、可变电阻R2、集成混频器AD835、第一声表面波振荡器波形输入端口和第二声表面波振荡器波形输入端口；其中：所述第一声表面波振荡器波形输入端口与第一声表面波振荡器波形输出端口连接；所述第二声表面波振荡器波形输入端口与第二声表面波振荡器波形输出端口连接；所述第二电源V+的输出端连接电解电容C1的正极、电容C2以及集成混频器AD835的正电源输入端6；电解电容C1的负极、电容C2以及集成混频器AD835的正电源接地端7均与地连接；所述第三电源V-的输出端连接电解电容C4的负极、电容C3以及集成混频器AD835的负电源输入端3；电解电容C4的正极、电容C3以及集成混频器AD835的负电源接地端2均与地连接；电阻R1一端与集成混频器AD835的输出端5连接，另一端与可变电阻R2连接；可变电阻R2的一端与集成混频器AD835的端口4连接，另一端与地连接；第一声表面波振荡器波形输入端口与集成混频器AD835的信号输入端口8连接，第二声表面波振荡器波形输入端口与集成混频器AD835的信号输入端口1连接；

所述LC无源低通滤波电路包括电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4和两路振荡器差频信号输出端口；其中：所述电容C9和电感L4串联后与电容C8并联；电容C8和电感L3串联后与电容C7并联；电容C7和电感L2串联后与电容C6并联；电容C6和电感L1串联后与电容C5并联；电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9的一端均接地；电容C10的一端与电感L4的一端连接，另一端与两路振荡器差频信号输出端口连接。

进一步的，所述第一电源VCC为直流电源12V，第二电源V+为+5V；第三电源V-为-5V；电解电容C11=C21=10uF，电容C12=C22=0.1uF，电感L11=L21=1mH；高频小功率管BJT1和BJT2的截止频率高于200M；偏置电阻R11=R21=R12=R22=75K，反馈电阻R13=R23=100欧；第一声表面波器件SAW1和第二声表面波器件SAW2的中心频率相同；电容C13=C23，电容C14=C24，电解电容C1=C4=4.7uF，电容C2=C3=0.01uF，电阻R1=2K，可变电阻R2最大阻值为1K。

本发明的另一个目的在于，提供一种使用上述声表面波传感器应用电路的声表面波传感器。

与现有的声表面波传感器应用电路相比，本发明具有以下的优点：

1、声表面波振荡器采用了三点式电容式负反馈作为选频和反馈网络，电容式负反馈的反馈电压从电容两端取出，对高次谐波阻抗小，能够有效将高次谐波滤除，实现了稳定性好的波形输出；同时，高频小功率管放大电路为射极偏置的共集电极放大电路，实现了等幅振荡，从而使得振荡信号更为稳定。

2、电路中使用两路声表面波振荡器，且器件结构及参数一致，形成双通道结构，该双通道结构能够有效克服外界环境如湿度、温度、电磁等干扰，实现对待测物理量的高精度测量。

3、通过双通道的设计实现了输出两路振荡器的差频信号即输出频率值很低，克服了因单路声表面波振荡器输出的高频而导致的测频困难的问题，从而在实际中更容易对待测物理量的测量。

附图说明

图1为本发明的声表面波传感器应用电路的框图。

图2为本发明的声表面波传感器应用电路的电路图。

图3为实施例1中的第一声表面波振荡器电路的输出波形图。

图4为实施例1中的第二声表面波振荡器电路的输出波形图。

图5为实施例1中的两路振荡器差频信号输出端的输出波形图。

图6为实施例2中的第一声表面波振荡器电路的输出波形图。

图7为实施例2中的第二声表面波振荡器电路的输出波形图。

图8为实施例2中的两路振荡器差频信号输出端的输出波形图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

参见图1，本发明的声表面波传感器应用电路，包括第一声表面波振荡器电路、第二声表面波振荡器电路、混频电路和LC无源低通滤波电路，其中，第一声表面波振荡器电路和第二声表面波振荡器电路的输出端分别连接混频电路的输入端，混频电路的输出端连接LC无源低通滤波电路的输入端。

参见图2，本发明的电路的各部分电路的具体结构如下：

1、第一声表面波振荡器电路

第一声表面波振荡器电路包括第一电源VCC、电解电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电感L11、电感L12、偏置电阻R11、偏置电阻R12、反馈电阻R13、高频小功率管BJT1、声表面波器件SAW1和第一声表面波振荡器波形输出端口；其中：第一电源VCC的输出端连接电解电容C11的正极、电容C12和电感L11，电解电容C11、电容C12和电感L11三者并联组成第一滤除直流干扰电路；电解电容C11的负极和电容C12的输出端与声表面波器件SAW1的输出端S12连接，电感L11的另一端与声表面波器件SAW1的输入端S11、电感L12和偏置电阻R11分别连接；高频小功率管BJT1的基极B、偏置电阻R11的另一端和偏置电阻R12三者连接，高频小功率管BJT1的集电极C、电感L12的另一端和电容C14三者连接，高频小功率管BJT1的发射极E、反馈电阻R13和电容C13三者连接；声表面波器件SAW1的输出端S13与电容C13连接；偏置电阻R12的另一端、反馈电阻R13的另一端以及声表面波器件SAW1的输出端S14均接地；高频小功率管BJT1、电阻R11、偏置电阻R12及反馈电阻R13共同组成射极偏置的共集电极放大电路；声表面波器件SAW1、电容C13、电容C14以及电感L12共同组成第一声表面波振荡器的选频和反馈网络；第一声表面波振荡器波形输出端口与电容C14、高频小功率管BJT1的发射极E连接。

2、第二声表面波振荡器电路

第二声表面波振荡器电路包括电解电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电感L21、电感L22、偏置电阻R21、偏置电阻R22、反馈电阻R23、高频小功率管BJT2、声表面波器件SAW2和第二振荡器波形输出端口；其中：第一电源VCC的输出端连接电解电容C21的正极、电容C22和电感L21，电解电容C21、电容C22和电感L21三者并联组成第二滤除直流干扰电路；电解电容C21的负极和电容C22的输出端与声表面波器件SAW2的输出端S22连接，电感L21的另一端与声表面波器件SAW2的输入端S21、电感L22和偏置电阻R21分别连接；高频小功率管BJT2的基极B、偏置电阻R21的另一端和偏置电阻R22三者连接，高频小功率管BJT2的集电极C、电感L22的另一端和电容C24三者连接，高频小功率管BJT2的发射极E、反馈电阻R23和电容C23三者连接；声表面波器件SAW2的输出端S23与电容C23连接；偏置电阻R22的另一端、反馈电阻R23的另一端以及声表面波器件SAW2的输出端S24均接地；高频小功率管BJT2、偏置电阻R21、偏置电阻R22及反馈电阻R23共同组成射极偏置的共集电极放大电路；声表面波器件SAW2、电容C23、电容C24以及电感L22共同组成第二声表面波振荡器的选频和反馈网络；第二声表面波振荡器波形输出端口与电容C24、高频小功率管BJT2的发射极E连接。

本发明中，第一声表面波振荡器和第二声表面波振荡器的电路中的器件参数及结构设计一致。其中，第一电源VCC为直流电源12V；电解电容C11=C21=10uF，电容C12=C22=0.1uF，电感L11=L21=1mH；高频小功率管BJT1和BJT2选取同一型号的管子，截止频率高于200M；偏置电阻R11=R21=75K，偏置电阻R12=R22=75K，反馈电阻R13=R23=100欧；声表面波器件SAW1和SAW2的中心频率相同，电容C13=C23，电容C14=C24，L12和L22采用电感线圈自制的电感，参数一致。

第一声表面波振荡器频率与反馈网络中电容及电感的关系：

第一声表面波振荡器和第二声表面波振荡器设计结构及器件参数一致，设第一声表面波振荡器输出波形频率为f，则第一声表面波振荡器中电容C13、电容C14及电感L12与频率f之间的关系为：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L12*C}}---\left(1\right)$

$C=\frac{C13*C14}{C13+C14}---\left(2\right)$

其中，频率f的单位为Hz，电感L12的单位为H，电容C13和C14的单位为F。

由于在计算中电感L12值通常很小，所以在电路设计中用电感线圈自制电感。设要求的电感值为L，则

$L=\frac{0.01*D*N^2}{\frac{L_N}{D}+0.44}---\left(3\right)$

其中D为电感线圈的直径，单位为Cm，N为电感线圈的匝数，L_N为电感线圈的长度，单位为Cm，电感L的单位为uH。

3、混频电路的结构如下：

混频电路包括第二电源V+、第三电源V-、电解电容C1、电解电容C4、电容C2、电容C3、电阻R1、可变电阻R2、集成混频器AD835、第一声表面波振荡器波形输入端口和第二声表面波振荡器波形输入端口。其中：所述第一声表面波振荡器波形输入端口与第一声表面波振荡器波形输出端口连接；所述第二声表面波振荡器波形输入端口与第二声表面波振荡器波形输出端口连接；

第二电源V+的输出端连接电解电容C1的正极、电容C2以及集成混频器AD835的正电源输入端6；电解电容C1的负极、电容C2以及集成混频器AD835的正电源接地端7均与地连接；所述第三电源V-的输出端连接电解电容C4的负极、电容C3以及集成混频器AD835的负电源输入端3；电解电容C4的正极、电容C3以及集成混频器AD835的负电源接地端2均与地连接；电阻R1一端与集成混频器AD835的输出端5连接，另一端与可变电阻R2连接；可变电阻R2的一端与集成混频器AD835的端口4连接，另一端与地连接；第一声表面波振荡器波形输入端口与集成混频器AD835的信号输入端口8连接，第二声表面波振荡器波形输入端口与集成混频器AD835的信号输入端口1连接。

本发明中，第二电源V+为+5V；第三电源V-为-5V；电解电容C1=C4=4.7uF，电容C2=C3=0.01uF，电阻R1=2K，可变电阻R2最大阻值为1K。

4、LC无源低通滤波电路的结构如下：

LC无源低通滤波电路包括电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4和两路振荡器差频信号输出端口；其中：所述电容C9和电感L4串联后与电容C8并联；电容C8和电感L3串联后与电容C7并联；电容C7和电感L2串联后与电容C6并联；电容C6和电感L1串联后与电容C5并联；电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9的一端均接地；电容C10的一端与电感L4的一端连接，另一端与两路振荡器差频信号输出端口连接。

本发明中，电感L1=L2=220uH，电感L3=150uH，电感L4=82uH，电容C5=C6=270pF，电容C7=220pF，电容C8=150pF，电容C9=27pF，电容C10=1uF。

本发明的工作流程：

当无外接物理量如湿度、温度及电磁作用于两路声表面波器件SAW1和SAW2时，第一声表面波振荡器和第二声表面波振荡器输出一定恒定且相同频率的波形。一旦某一待测物理量作用于其中一个声表面波振荡器的声表面波器件SAW1时，此时由于声表面波器件SAW1频率特性发生改变，导致第一声表面波振荡器输出频率发生改变；而第二声表面波振荡器输出波形频率保持不变。两路声表面波振荡器输出信号经过具有混频功能的电路后，集成混频器AD835的输出端5就会输出两路振荡器信号的频率差和频率和的混频信号；输出的混频信号经过LC无源低通滤波电路后，就得到了两路信号的频率差，从而获得了待测物理量与频率改变量之间的关系。

实施例1：

声表面波器件SAW1和SAW2均采用中心频率为50.882MHz的多条耦合器的声表面波器件，电容C13=C23=C14=C24=27pF；高频小功率管BJT1和BJT2为截止频率为6.5GHz NPN型C3355硅三极管。在绕制电感线圈时，为了简便计算，取线圈直径D为1Cm，线圈的长度L_N取1Cm，则根据式（1）、（2）、（3）确定L和线圈的匝数N，计算得L12=L22=725nH，N=10。

第一声表面波振荡器和第二声表面波振荡器在制作过程中，由于器件的分布不同及相同器件参数的差异，第一声表面波振荡器和第二声表面波振荡器输出不同频率的信号。通过声表面波传感器应用电路的测试，并通过安捷伦示波器分别观察第一声表面波振荡器波形输出端口和第二声表面波振荡器波形输出端口及两路振荡器差频信号输出端口的信号波形，得到了输出波形如图3、图4、图5所示。其中，图3的波形频率为48.718MHz，图4的波形频率为49.135MHz，图5的波形频率为398.57KHz。数据表明该声表面波传感器应用电路能够输出两路振荡器的差频信号，且信号波形稳定。

实施例2：

声表面波器件SAW1和SAW2采用中心频率为101.764MHz的多条耦合器的声表面波器件，电容值C13=C23=C14=C24=27pF；高频小功率管BJT1和BJT2为截止频率为7GHz NPN型C3358硅三极管；电感线圈直径D=1Cm，长度L_N=1Cm，根据式(1)、(2)、(3)计算得到L12=L22=188nH，N=5。通过安捷伦示波器分别观察第一声表面波振荡器波形输出端口和第二声表面波振荡器波形输出端口及两路振荡器差频信号输出端口的信号波形，得到了输出波形如图6、图7、图8所示。其中，图6的波形频率为101.224MHz，图7的波形频率为100.712MHz，图8的波形频率为434.23KHz。数据表明了该声表面波传感器应用电路能够输出两路振荡器的差频信号，且信号波形稳定。

从本实施例1、2的波形输出图可以看出，本发明的声表面波传感器应用电路不仅实现了两路振荡器的输出波形的稳定性和周期性，而且通过此声表面波传感器应用电路得到了稳定的两路振荡器信号的差频信号，验证了双通道的稳定性。

以上论述了本发明的基本结构、原理以及优点。有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明精神和范围的前提下，还可以做出各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种声表面波传感器应用电路，其特征在于，包括第一声表面波振荡器电路、第二声表面波振荡器电路、混频电路和LC无源低通滤波电路，其中，第一声表面波振荡器电路和第二声表面波振荡器电路的输出端分别连接混频电路的输入端，混频电路的输出端连接LC无源低通滤波电路的输入端。

2.如权利要求1所述的声表面波传感器应用电路，其特征在于，所述第一声表面波振荡器电路包括第一电源VCC、电解电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电感L11、电感L12、偏置电阻R11、偏置电阻R12、反馈电阻R13、高频小功率管BJT1、声表面波器件SAW1和第一声表面波振荡器波形输出端口；其中：第一电源VCC的输出端连接电解电容C11的正极、电容C12和电感L11，电解电容C11、电容C12和电感L11三者并联组成第一滤除直流干扰电路；电解电容C11的负极和电容C12的输出端与声表面波器件SAW1的输出端S12连接，电感L11的另一端与声表面波器件SAW1的输入端S11、电感L12和偏置电阻R11分别连接；高频小功率管BJT1的基极B、偏置电阻R11的另一端和偏置电阻R12三者连接，高频小功率管BJT1的集电极C、电感L12的另一端和电容C14三者连接，高频小功率管BJT1的发射极E、反馈电阻R13和电容C13三者连接；声表面波器件SAW1的输出端S13与电容C13连接；偏置电阻R12的另一端、反馈电阻R13的另一端以及声表面波器件SAW1的输出端S14均接地；第一声表面波振荡器波形输出端口与电容C14、高频小功率管BJT1的发射极E连接；

所述第二声表面波振荡器电路包括电解电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电感L21、电感L22、偏置电阻R21、偏置电阻R22、反馈电阻R23、高频小功率管BJT2、声表面波器件SAW2和第二声表面波振荡器波形输出端口；其中：第一电源VCC的输出端连接电解电容C21的正极、电容C22和电感L21，电解电容C21、电容C22和电感L21三者并联组成第二滤除直流干扰电路；电解电容C21的负极和电容C22的输出端与声表面波器件SAW2的输出端S22连接，电感L21的另一端与声表面波器件SAW2的输入端S21、电感L22和偏置电阻R21分别连接；高频小功率管BJT2的基极B、偏置电阻R21的另一端和偏置电阻R22三者连接，高频小功率管BJT2的集电极C、电感L22的另一端和电容C24三者连接，高频小功率管BJT2的发射极E、反馈电阻R23和电容C23三者连接；声表面波器件SAW2的输出端S23与电容C23连接；偏置电阻R22的另一端、反馈电阻R23的另一端以及声表面波器件SAW2的输出端S24均接地；第二声表面波振荡器波形输出端口与电容C24、高频小功率管BJT2的发射极E连接；

所述混频电路包括第二电源V+、第三电源V-、电解电容C1、电解电容C4、电容C2、电容C3、电阻R1、可变电阻R2、集成混频器AD835、第一声表面波振荡器波形输入端口和第二声表面波振荡器波形输入端口；其中：所述第一声表面波振荡器波形输入端口与第一声表面波振荡器波形输出端口连接；所述第二声表面波振荡器波形输入端口与第二声表面波振荡器波形输出端口连接；所述第二电源V+的输出端连接电解电容C1的正极、电容C2以及集成混频器AD835的正电源输入端6；电解电容C1的负极、电容C2以及集成混频器AD835的正电源接地端7均与地连接；所述第三电源V-的输出端连接电解电容C4的负极、电容C3以及集成混频器AD835的负电源输入端3；电解电容C4的正极、电容C3以及集成混频器AD835的负电源接地端2均与地连接；电阻R1一端与集成混频器AD835的输出端5连接，另一端与可变电阻R2连接；可变电阻R2的一端与集成混频器AD835的端口4连接，另一端与地连接；第一声表面波振荡器波形输入端口与集成混频器AD835的信号输入端口8连接，第二声表面波振荡器波形输入端口与集成混频器AD835的信号输入端口1连接；

所述LC无源低通滤波电路包括电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4和两路振荡器差频信号输出端口；其中：所述电容C9和电感L4串联后与电容C8并联；电容C8和电感L3串联后与电容C7并联；电容C7和电感L2串联后与电容C6并联；电容C6和电感L1串联后与电容C5并联；电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9的一端均接地；电容C10的一端与电感L4的一端连接，另一端与两路振荡器差频信号输出端口连接。

3.如权利要求2所述的声表面波传感器应用电路，其特征在于，所述第一电源VCC为直流电源12V，第二电源V+为+5V；第三电源V-为-5V；电解电容C11=C21=10uF，电容C12=C22=0.1uF，电感L11=L21=1mH；高频小功率管BJT1和BJT2的截止频率高于200M；偏置电阻R11=R21=R12=R22=75K，反馈电阻R13=R23=100欧；第一声表面波器件SAW1和第二声表面波器件SAW2的中心频率相同；电容C13=C23，电容C14=C24，电解电容C1=C4=4.7uF，电容C2=C3=0.01uF，电阻R1=2K，可变电阻R2最大阻值为1K。

4.一种使用权利要求1所述的声表面波传感器应用电路的声表面波传感器。

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