張 峰 李雙明 吳志強 蘇 巖 朱欣華

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

SAW生物傳感器掃頻檢測系統(tǒng)

張 峰 李雙明 吳志強 蘇 巖 朱欣華

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

現(xiàn)有聲表面波(SAW)生物傳感器件檢測方法需要借助網(wǎng)絡(luò)分析儀等專業(yè)檢測設(shè)備，且在閉環(huán)檢測中存在相位噪聲和頻率穩(wěn)定性等問題。討論了一種采用直接數(shù)字式頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生激勵源實現(xiàn)開環(huán)檢測的方法,并對DDS實際輸出信號頻譜進行了分析,證明了由相位截斷引入的基頻附近的雜散分量不會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。為驗證可行性,設(shè)計了以AD9858和AD8302為核心的掃頻檢測系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠完成設(shè)計頻率為198 MHz的SAW生物傳感器的測頻功能。

聲表面波生物傳感器 直接數(shù)字頻率合成(DDS) 網(wǎng)絡(luò)分析儀 頻譜分析 頻率測量

0 引言

聲表面波(surface acoustic wave,SAW)生物傳感器是應(yīng)用于液相生物分子檢測的一種新型聲學傳感器。相對于其他傳統(tǒng)的電化學、光學等生物傳感方式，其優(yōu)點是：體積小、功耗低、靈敏度高、工藝簡單、準數(shù)字化輸出、易實現(xiàn)無線化[1-3]。根據(jù)聲波模式的不同，聲表面波傳感器可以分為：瑞利波傳感器、Lamb波傳感器、漏聲表面波傳感器、表面橫向剪切波傳感器、Love波傳感器等一系列傳感器。其中，Love波傳感器以其結(jié)構(gòu)強度高、靈敏度高、在液相環(huán)境中衰減低等特性而適用于液相生物傳感[1]。

目前，SAW器件檢測方法一般是利用SAW器件搭建自激振蕩電路，通過頻率計檢測振蕩頻率來獲得實時的SAW器件特征頻率，或者直接利用網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得其特征頻率[1,4-5]。上述方法均需要借助相關(guān)專業(yè)測試儀器才能得以實現(xiàn)，這限制了SAW器件的應(yīng)用。同時，利用自激振蕩電路檢測的方法，檢測精度依賴于閉環(huán)電路設(shè)計，不可避免地要引入相位噪聲、分布參數(shù)的影響，存在頻率穩(wěn)定性的問題[4]。本文使用直接數(shù)字頻率合成(direct digital synthesizer,DDS)產(chǎn)生掃頻激勵信號，驅(qū)動SAW器件，通過檢測各頻率下的幅值衰減，從而確定實時特征頻率。該方法是開環(huán)檢測，因此不存在上述問題。

1 DDS技術(shù)檢測SAW生物傳感器原理

SAW生物傳感器的敏感機理是：沉積在壓電基體上的激發(fā)叉指換能器(inter digital transducer，IDT)在交變電壓的激勵下產(chǎn)生特定頻率的交變電場，利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生交變應(yīng)力，激發(fā)聲表面波。聲表面波以一定波速經(jīng)過基體表面到接收端IDT，由壓電效應(yīng)再轉(zhuǎn)換為電信號輸出。生物傳感常用Love波型的SAW器件，Love波器件基體表面加了一層波導層，目前常采用SiO2或PMMA作為波導層材料[5]。由于聲表面波能量集中在波導層中，對邊界條件的改變特別敏感，因此可以敏感到邊界上的各種物理量的變化。通過檢測輸出IDT上電信號的頻率偏移，即可以表征邊界上的質(zhì)量變化，其關(guān)系為[6]:

(1)

式中：k1、k2為與介質(zhì)材料有關(guān)的常數(shù)；f0為表面波的中心頻率；A為質(zhì)量附著區(qū)域的面積；Δm為附著的質(zhì)量；Δf為相應(yīng)的頻率改變；負號表示質(zhì)量的吸附會引起頻率的下降。

從式(1)可以看出，對特定器件，質(zhì)量的改變與頻率的改變呈線性的關(guān)系。

檢測SAW器件的特征頻率的偏移即可以測出其質(zhì)量負載的變化，檢測原理如圖1所示。在控制器編程控制下，DDS可以產(chǎn)生寬頻帶(40%參考時鐘頻率)、捷變的步進頻率信號，以此信號激勵SAW器件，同時檢測經(jīng)過器件之后的信號幅值衰減。依據(jù)SAW器件本身具有的窄帶濾波的特點，在幅值衰減最小處的激勵頻率即為此時的SAW特征頻率。顯然，利用DDS技術(shù)檢測SAW特征頻率是一個開環(huán)檢測，避免了振蕩電路由于閉環(huán)引入的相位噪聲、分布參數(shù)等影響。

圖1DDS檢測SAW器件原理框圖

Fig.1PrincipleofdetectingSAWdevicebyDDS

在使用DDS技術(shù)基于上述原理進行檢測時，還需考慮DDS本身的雜散分量對檢測結(jié)果的影響。這需要對DDS的輸出信號頻譜進行分析，從而判斷信號中難以濾除的基頻近端雜散分量落在SAW器件的通帶內(nèi)時，會不會對特征頻率的判斷產(chǎn)生影響。

2 DDS近端雜散影響分析

2.1 DDS技術(shù)

DDS一般由頻率寄存器、相位累加器、相位-幅值ROM表、數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 DDS結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic diagram of DDS structure

DDS技術(shù)在1971年由Tinery等人首次提出[7]。與傳統(tǒng)的直接或間接頻率合成技術(shù)相比，DDS頻率分辨率高，輸出相對帶寬寬，頻率捷變速度快；頻率捷變時相位連續(xù)，頻率的合成全部在數(shù)字域完成，便于進行相位、幅度和頻率的數(shù)字調(diào)制，極大地適應(yīng)了數(shù)字化信號處理時代的要求[8]。

在系統(tǒng)參考時鐘fc的控制下，N位的相位累加器每個時鐘周期里累加一次頻率寄存器的值K；同時，利用相位-幅值表找到相應(yīng)的量化幅值送入ADC，轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。輸出模擬信號頻率為：

(2)

2.2 DDS信號分析

DDS是基于數(shù)字化的頻率合成技術(shù)，離散化處理在原理上就在其輸出頻譜上引入了不可避免的豐富的雜散分量。理想的DDS輸出信號是對標準正弦信號的采樣：

(3)

式(3)經(jīng)過零階保持器，其輸出頻譜為:

(4)

由此可知，理想的DDS雜散分量分布為：

f=nfc±f0

(5)

其幅值為辛格函數(shù)包絡(luò)，最近的雜散為f=fc-f0。若此值較大，需要使f0與(fc-f0)保持足夠的距離，以便于使用一個低通濾波器濾除該鏡像雜散以及后面的雜散分量。

實際情況下，DDS主要存在3種雜散源：N位的相位累加器從存儲在ROM中的相位-幅值表尋址時，由于ROM表空間有限，需要舍去N位中的低B位，只利用高A位(A=N-B)去尋址ROM，從而引入了相位截斷雜散；由于存儲在ROM表中的幅值量化引入的量化誤差；DAC非線性引入的轉(zhuǎn)換誤差。

一般地,幅度量化引入的雜散水平低于相位截斷和DAC非理想轉(zhuǎn)換特性所引起的雜散水平；且較之于相位截斷誤差，DAC引入的誤差水平較低；由相位截斷引入的雜散分量分布在基頻兩邊，是DDS的主要雜散來源[9]?；l近端雜散難以通過低通濾波器濾除，在用DDS檢測SAW器件時近端雜散可能會落在SAW的通帶內(nèi)，使得雜散信號通過SAW，從而對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，需要對相位截斷引起的雜散分量進行進一步分析。

2.3 相位截斷及其影響分析

相位截斷是在ROM表尋址時舍去了低B位尋址而引入的相位截斷誤差，其信號序列為：

εp(n)=nKmod2B

(6)

該信號是周期為Tm的鋸齒波，其中：

式中：GCD()表示取兩者最大公約數(shù)。

由此可知相位截斷引入的誤差是一個周期性的鋸齒波信號，所以實際的輸出誤差信號可以認為是對一個鋸齒波信號的采樣和零階保持后的結(jié)果。將該信號通過ROM表查值，代入正弦信號可得到近似由相位階段引起的誤差信號序列：

(7)

將其表示為連續(xù)時間的采樣，則有連續(xù)時間信號：

(8)

式(7)、式(8)表示了相位截斷引入的誤差信號，考慮其值的最大情況，即εp(n)max=2B-1時ΔS(t)的幅值與原信號的幅值關(guān)系為(表示為dB形式)：

(9)

其中，A為ROM的尋址位數(shù)。計算可知，當ROM容量為1kB時，也就是A=10時，相位截斷引入的最大時刻的雜散幅值為-44.24dB。一般情況下ROM容量應(yīng)大于1kB，相應(yīng)的相位截斷引入的雜散值也就越小。其雜散分布為[9-11]:

f=mfc±f0±nfK

(10)

根據(jù)不同的K值和B值，雜散位置會變得越來越復(fù)雜，且會大量落在基頻兩邊，但是幅值較小。

由上述分析可知，即使雜散能夠落在SAW器件的窄帶通帶內(nèi)，其幅值也遠遠小于原正弦信號落在通帶內(nèi)的幅值大小，所以DDS在SAW器件的頻率檢測應(yīng)用中一般可以忽略由相位截斷引入的近端雜散的影響。

3 DDS檢測電路設(shè)計

3.1 設(shè)計要求

針對某設(shè)計頻率為198MHz的Love波型聲表面波生物傳感器,其網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 SAW器件網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果Fig.3 Test results of network analyzer of SAW device

要實現(xiàn)特征頻率檢測，要求DDS系統(tǒng)在滿足輸出頻率帶寬的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)1 Hz的頻率步進分辨率(參考網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率分辨率)和幅值為-0.1 dB的分辨率。

3.2 測試框圖

測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure of the test system

由10 MHz高穩(wěn)晶振、鑒頻鑒相器、環(huán)路濾波器以及壓控振蕩器構(gòu)成PLL電路，為DDS提供1 GHz的高穩(wěn)定參考時鐘。在MCU的控制下，對DDS芯片進行編程，輸出需要的步進激勵信號，經(jīng)放大、濾波后驅(qū)動SAW器件。在幅值比較單元對原幅值與經(jīng)過SAW后的信號幅值進行比較輸出，再由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。為便于調(diào)試，通過RS-232接口將結(jié)果傳到上位機，繪制出幅頻特性曲線，進而確定SAW生物傳感器的特征頻率。

3.3 器件選型

3.3.1 DDS芯片選型

本文中待檢測的Love波型SAW器件的設(shè)計頻率為198 MHz，最小步進頻率要低于10 Hz。DDS芯片選擇ADI的AD9858芯片。AD9858的參考時鐘最高可達1 GHz，其輸出頻率最高可達400 MHz以上，滿足待檢測帶寬需求，同時也保證了留有足夠的裕量來檢測實際工作中可能出現(xiàn)的頻率偏移。AD9858內(nèi)置一個10位的高速、高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，32位的相位累加器。當參考頻率為1 GHz時，其頻率分辨率達到0.233 Hz，滿足設(shè)計要求，并提供SPI和8位并行的通信接口。由式(1)可知輸出頻率與時鐘頻率fc直接相關(guān)，fc的頻率質(zhì)量直接反映到輸出信號，所以需要重點考慮DDS的參考時鐘的頻率穩(wěn)定度。在本設(shè)計中需要提供約1 GHz的參考頻率，直接找這么高頻、高穩(wěn)定的晶振是不現(xiàn)實的。本設(shè)計中通過設(shè)計一個鎖相環(huán)電路來實現(xiàn)1 GHz參考時鐘。

3.3.2 PLL器件選型

本設(shè)計選用ADI的ADF4113作為鎖相環(huán)中的鑒頻鑒相器、mini-circuit的壓控振蕩器ROS-995-119+、一個高穩(wěn)10 MHz的有源溫補晶振(1×10-6左右)和自行設(shè)計的環(huán)路濾波器來實現(xiàn)PLL電路。ADI提供了ADIsimPLL工具軟件，輔助PLL的設(shè)計，同時提供對PLL的仿真功能，大大簡化了設(shè)計工作。

3.3.3 幅值比較器選型

本設(shè)計選用ADI的AD8302作為對激勵信號與經(jīng)過SAW窄帶濾波后的信號幅值的比較器。AD8302的檢測動態(tài)范圍為±30 dB，工作頻率可達2.7 GHz，能夠滿足測試需求。根據(jù)AD8302的輸入信號功率要求-60～0 dBm，可以計算出DDS輸出信號需要的放大倍數(shù)，用以指導放大電路部分的設(shè)計。

此外，檢測系統(tǒng)選用ATMEGA128作為MCU。AD8302的模擬輸出通過AD7274實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7274是12位高速、低功耗、逐次比較的ADC，高于AD9858中的10位DAC位數(shù)，且在參考電壓為1.8 V時對AD8302輸出可以達到0.015 dB的分辨率，滿足設(shè)計要求。

3.4 測試結(jié)果

利用安捷倫DSO-X 4022A型示波器對DDS模塊輸出信號進行檢測，并使用自帶的FFT功能對信號成分進行了分析，與程序設(shè)置頻率一致，且雜散抑制優(yōu)于30 dB，符合設(shè)計要求。利用該系統(tǒng)對器件進行檢測，結(jié)果如圖5所示。

圖5 190～205 MHz掃頻測試結(jié)果Fig.5 Test results of 190～205 MHz sweeping frequency

由圖5可以看出，測試結(jié)果與設(shè)計頻率以及利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的結(jié)果符合得較好，驗證了該系統(tǒng)設(shè)計的正確性。

4 結(jié)束語

本文介紹了DDS技術(shù)檢測SAW生物傳感器的原理，通過分析,證明了DDS中難以濾除的由相位截斷引入的近端雜散不會影響檢測SAW器件特征頻率的結(jié)果。設(shè)計了一個基于AD9858的DDS掃頻檢測系統(tǒng)，測試驗證了其能夠輸出驅(qū)動設(shè)計頻率為198 MHz的SAW傳感器的掃頻信號,并在190～200 MHz掃頻范圍內(nèi)對器件進行檢測，結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果符合較好。本文的工作為進一步使用DDS技術(shù)實現(xiàn)SAW生物傳感器的精確檢測以及最終實現(xiàn)SAW生物傳感測試的全數(shù)字化作了準備。

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Sweeping Frequency Detection System for SAW Biosensor

Existing detection methods for surface acoustic wave (SAW) biosensors, request the aid of professional test equipment including network analyzer, etc., and it exists the issues of phase noise and frequency stability in closed loop detection. The method by using direct digital synthesis (DDS) technology to generate excitation source for implementing open loop detection is discussed. The actual signal output frequency spectrum of DDS is analyzed; it is proved that the spurious components near the fundamental frequency caused by phase truncation may not affect the detection result. In order to verify the feasibility, the sweep frequency detection system with AD9858 and AD8302 as the core is designed. The test results show that the system can complete the frequency measurement function for the SAW biosensors with designed frequency of 198 MHz.

Surface acoustic wave(SAW) biosensor Direct digital synthesizer(DDS) Network analyzer Frequency spectrum analyzing Frequency measurement

國家自然科學基金資助項目(編號：61371039)。

張峰(1990-)，男，現(xiàn)為南京理工大學機械工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事測試計量技術(shù)的研究。

TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506021

修改稿收到日期：2014-12-09。