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        聲表面波免疫傳感器高頻檢測系統(tǒng)設(shè)計

        2020-10-28 05:05:22李曉雨殷嘉偉石幸圓劉玉琪孫科學(xué)
        壓電與聲光 2020年5期
        關(guān)鍵詞:測量信號檢測

        李曉雨,殷嘉偉,石幸圓,劉玉琪,孫科學(xué),2

        (1.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院,江蘇 南京 210023;2. 射頻集成與微組裝技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室, 江蘇 南京 210023)

        0 引言

        聲表面波(SAW)免疫傳感器屬于壓電傳感器,其基于壓電元件對質(zhì)量敏感的性質(zhì),結(jié)合免疫反應(yīng)的特異性,可用于快速定量檢測多種抗體或抗原[1-3]。免疫反應(yīng)前、后聲波傳播路徑上的待測物理量的特性變化,可通過叉指換能器(IDT)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w前、后振蕩頻率的變化。SAW信號頻率檢測,特別是高頻信號的檢測對傳感器系統(tǒng)至關(guān)重要。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可對免疫傳感器電路中的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)做出精確測量,但其體積較大且價格高,適用于實驗室科研測試。因此,有必要設(shè)計和研發(fā)低成本、小體積且實用的SAW免疫傳感器測量方法。

        SAW傳感器的測量方法包括選頻法、諧振法及跟蹤法等。2013年,鄢芬等[4]提出了一種利用頻率掃描的SAW信號檢測法,其系統(tǒng)誤差約為1%。2015年,文常保等[5]提出了一種基于WIFI的無線SAW傳感器信號采集系統(tǒng),但該系統(tǒng)僅能處理頻率在100 kHz的低頻傳感信號,且預(yù)估工作在高頻條件下系統(tǒng)誤差約2.6%。2018年,李濟(jì)同等[6]針對500 kHz的傳感信號,采用混頻檢測法,基于反饋原理設(shè)計了SAW振蕩檢測電路,但采用混頻方式增加系統(tǒng)功耗,檢測成本較高。同年,邵勐等[7]針對50 MHz的傳感信號設(shè)計了一類SAW調(diào)理電路,其采用諧振選頻方式,但電路品質(zhì)因數(shù)(Q)值較大,穩(wěn)定性較差。以上方法均不能滿足工作于高頻中心頻率的SAW免疫傳感器的檢測需求。

        鎖相環(huán)(PLL)在檢測信號頻率方面具有獨特的優(yōu)勢[8],其工作頻率可達(dá)吉赫茲。2013年,張亦居等[9]設(shè)計了一種利用PLL的延遲線型SAW傳感器測試電路,測試頻點約500 MHz,但由于測試電路中阻抗不匹配等原因,測試電路存在一定誤差,文中未對頻率測量結(jié)果做對比分析。

        本文在已有研究基礎(chǔ)上,利用包含直接數(shù)字式頻率合成器 (DDS)的PLL電路設(shè)計了一種工作于中心頻率160 MHz的SAW傳感器檢測系統(tǒng),用于對免疫反應(yīng)的定量檢測,并滿足對高頻、低功耗、低成本的檢測需求。檢測得到的信號頻率變化量可進(jìn)而轉(zhuǎn)換為待測的物理、化學(xué)信息。該測量系統(tǒng)能處理高頻傳感信號,符合傳感器的高頻測量要求,對其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展具備一定意義。

        1 檢測原理

        圖1為雙通道型SAW免疫傳感器結(jié)構(gòu),其由測量、參考兩個通道構(gòu)成。每個通道由SAW延遲線、增益放大器和生物敏感膜3部分組成[10-11]。在此免疫傳感器結(jié)構(gòu)中,兩路通道同時受外界的影響,而僅在測量通道進(jìn)行免疫反應(yīng)檢測。這樣可補(bǔ)償由于環(huán)境、溫度等變化帶來的頻率漂移。

        圖1 雙通道型SAW免疫傳感器結(jié)構(gòu)

        SAW免疫傳感器的工作原理為:當(dāng)有微小的質(zhì)量(如抗體或抗原)吸附在SAW波延遲線敏感區(qū)域表面上時,會致使傳播 SAW 媒質(zhì)的某些物理量(如電導(dǎo)率、介電常數(shù)、勁度系數(shù)等)發(fā)生變化,因而使聲波的傳播速度和幅度發(fā)生變化,從而改變傳感器電路的振蕩頻率和插入損耗[11-12],即

        (1)

        式中:Δf為相應(yīng)的頻率變化量;k1,k2為與介質(zhì)材料有關(guān)的常數(shù);A為傳感器質(zhì)量附著區(qū)域的面積;f0為SAW的中心頻率(受干擾前);Δm為附著的質(zhì)量。

        由式(1)可看出,只要檢測出傳感器電路的頻率變化量,通過計算可得檢測的微小質(zhì)量,實現(xiàn)對免疫反應(yīng)的定量檢測。

        2 系統(tǒng)設(shè)計

        2.1 系統(tǒng)組成

        檢測系統(tǒng)主要由DDS、鑒相器等模塊構(gòu)成的PLL電路和其他信號處理電路組成。在檢測系統(tǒng)中,將SAW免疫傳感器嵌于檢測環(huán)路,DDS用于產(chǎn)生兩路高頻信號,其中一路信號用于傳感器檢測通道,另一路作為標(biāo)準(zhǔn)信號送入鑒相器;傳感器的輸出信號經(jīng)功率補(bǔ)償電路后進(jìn)入鑒相器,與標(biāo)準(zhǔn)信號比較得出調(diào)諧電壓;單片機(jī)驅(qū)動A/D模塊采集調(diào)諧電壓不斷刷新DDS的輸出信號頻率,當(dāng)環(huán)路中的頻率差和相位差都趨于穩(wěn)定時,DDS的輸出不再刷新,此時整個環(huán)路鎖定。而免疫反應(yīng)將引起傳感器信號相位、幅度的改變,PLL調(diào)整DDS的輸出,再次跟蹤傳感器信號,使環(huán)路重新鎖定,通過檢測免疫反應(yīng)前、后信號頻率變化量,即可完成對SAW免疫傳感器的檢測。

        系統(tǒng)采用STM32F103RCT6型號單片機(jī)開發(fā)板,其用于驅(qū)動A/D模塊、調(diào)整DDS信號輸出和處理數(shù)據(jù),并將結(jié)果傳輸至LCD屏幕顯示。圖2為本文SAW檢測系統(tǒng)組成。

        圖2 SAW檢測系統(tǒng)組成

        2.2 DDS模塊

        該模塊選用ADI公司的AD9959作為主控芯片,外部搭配驅(qū)動電路和輸出級低通濾波器,圖3為DDS模塊工作原理。DDS通過編程數(shù)字頻率控制字以分頻系統(tǒng)時鐘,從而產(chǎn)生所需頻率[13]。AD9959擁有四通道頻率、相位、幅度可調(diào)輸出[14],其最高500 MHz的更新速度、可達(dá)250 MHz的頻率輸出性能,適用于SAW免疫傳感器的高頻檢測,且其頻率調(diào)諧分辨率大于0.12 Hz,這為檢測系統(tǒng)的精度和靈敏度提供了保證。

        圖3 DDS模塊工作原理

        DDS模塊可代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬鎖相環(huán)中的壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生信號。與VCO相比,其頻率響應(yīng)快,頻率分辨率高,相位變化連續(xù),相位噪聲和漂移低。AD9959的輸出頻率為

        (2)

        式中:fS為系統(tǒng)時鐘更新速率;Df為頻率數(shù)字調(diào)諧字;232為相位累加容量。

        免疫反應(yīng)檢測過程中,微控制器(MCU)采樣環(huán)路中調(diào)諧電壓的變化,通過不斷更改頻率調(diào)諧字,刷新DDS輸出頻率,使整個環(huán)路重新鎖定,達(dá)到跟蹤傳感器頻率的目的。

        2.3 鑒相器模塊

        鑒相器(又稱相位比較器)是鎖相環(huán)中很重要的部分。鑒相器鎖相原理如圖4所示。由圖可知,兩路輸入信號+IN和-IN進(jìn)入鑒相器后收斂到相同頻率和相位,OUT信號即為鑒相器鎖定時輸出。

        圖4 鑒相器鎖相原理

        AD8302芯片可用于中頻、射頻的幅度相位檢測,其由2個60 dB增益寬帶對數(shù)檢波器、1個相位檢波器和輸出放大器組等共同構(gòu)成[15-16]。AD8302以內(nèi)部電平為基準(zhǔn),將輸入信號變換為對數(shù)形式;并配置內(nèi)部增益寄存器,實現(xiàn)對微小信號檢測的目的,適合于免疫反應(yīng)檢測對鑒相器的要求。

        根據(jù)對數(shù)壓縮原理,AD8302可將大范圍輸出信號電平轉(zhuǎn)換為緊湊的分貝級輸出,即

        VOUT=VSLPlog(VIN/VZ)

        (3)

        式中:VSLP為電壓斜率;VZ為電壓截距;VIN、VOUT分別為輸入、輸出信號。

        AD8302基于該原理利用芯片內(nèi)部的高精密寬帶對數(shù)解調(diào)器實現(xiàn)檢測兩路輸入信號(A、B兩路)的相位差與幅度差,其測量方程為

        VMAG=VSLPlog(VIN A/VIN B)

        (4)

        VPHS=Vφ[Φ(VIN A)-Φ(VIN B)

        (5)

        式中:VMAG、VPHS分別為幅度比較輸出和相位比較輸出;Vφ為相位斜率;Φ(VIN A)、Φ(VIN B)分別為A、B兩通道的輸入信號相位;Φ為每個通道信號的相對相位度。

        通過配置該芯片不同的外圍電路,可使其工作于測量、控制器、電平比較器等模式[16]。本文運用其測量模式,圖5為該模式下的電原理圖。

        圖5 AD8302測量模式電原理圖

        通過設(shè)置MSET和PSET引腳分別與VMAG、VPHS引腳相連接,可保證芯片的工作點位于默認(rèn)響應(yīng)曲線的斜率和中心點上[16]。此時相位測量為

        VPHS=-RFIΦ(|Φ(VIN A-Φ(VIN B)|-

        90°)+VCP)

        (6)

        式中:RFIΦ=10 mV/(°)為相位函數(shù)斜率;VCP=900 mV為0增益中心點,對應(yīng)于90°的相位差,0°~180°的相位差對應(yīng)0~1.8 V的電壓輸出擺動,與A/D轉(zhuǎn)換器的量程吻合,便于后續(xù)模塊的工作。

        2.4 信號處理模塊

        SAW免疫傳感器的插入損耗至少為25 dBm,在免疫反應(yīng)進(jìn)行的液體環(huán)境中甚至更大;同時DDS輸出幅度和功率較小,不適合直接送入鑒相器。為了提高標(biāo)準(zhǔn)信號功率,充分利用AD9959四通道輸出的優(yōu)勢及保證檢測的高精度,設(shè)計了信號處理模塊。圖6為信號處理模塊工作原理。

        圖6 信號處理模塊工作原理

        THS3201是一款增益帶寬積達(dá)到1.8 GHz、低失真、高壓擺率的電流反饋型運算放大器芯片,其將DDS輸出的兩路差分信號轉(zhuǎn)為單端輸出給后級電路,保證了標(biāo)準(zhǔn)信號的功率;功率補(bǔ)償電路則選用美國Mini-Circuits公司的低噪聲放大器GAL-74芯片,其工作頻率可達(dá)1 GHz,在SAW免疫傳感器的中心工作頻率(約160 MHz)可提供19.2 dBm的功率補(bǔ)償和25.1 dB的幅度增益,且噪聲系數(shù)僅為2.7 dB。很適合于傳感器的前后級放大。

        3 實驗設(shè)計與驗證

        實驗驗證環(huán)節(jié)中,根據(jù)SAW免疫傳感器的中心工作頻率,設(shè)置掃頻范圍為155~165 MHz,并使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對同一免疫傳感器電路進(jìn)行測試。部分測試數(shù)據(jù)如表1所示。對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的關(guān)系曲線如圖7所示。

        表1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和本文方法頻率偏移

        圖7 網(wǎng)絡(luò)分析儀和本文方法測量結(jié)果擬合曲線

        由表1及圖7可知,當(dāng)頻率掃描測試范圍為156~162 MHz時,即在SAW免疫傳感器中心工作頻率附近。本文方法的測量結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)果基本一致,誤差小于1%。在實際工程應(yīng)用中,我們只關(guān)心傳感器中心頻率附近的信號,因此,本文方法適用于SAW免疫傳感器的高頻檢測。

        4 結(jié)束語

        本文設(shè)計的基于PLL的SAW免疫傳感器高頻檢測系統(tǒng)可準(zhǔn)確檢測頻率范圍為156~162 MHz的傳感信號,其檢測到的頻率變化量快速、準(zhǔn)確地反應(yīng)了免疫反應(yīng)中微小質(zhì)量的變化。測試數(shù)據(jù)表明,檢測系統(tǒng)在SAW免疫傳感器中心頻率附近最大測量誤差僅0.85%,精度較高。本文方法與通過網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測方式相比,測量結(jié)果周期短,靈敏度高,檢測系統(tǒng)便攜,功耗小,成本低,適合于SAW免疫傳感器高頻檢測領(lǐng)域的工程實際需要。

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