SAW生物传感器扫频检测系统

张 峰 李双明 吴志强 苏 岩 朱欣华

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

SAW生物传感器扫频检测系统

张 峰 李双明 吴志强 苏 岩 朱欣华

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

现有声表面波(SAW)生物传感器件检测方法需要借助网络分析仪等专业检测设备，且在闭环检测中存在相位噪声和频率稳定性等问题。讨论了一种采用直接数字式频率合成(DDS)技术产生激励源实现开环检测的方法,并对DDS实际输出信号频谱进行了分析,证明了由相位截断引入的基频附近的杂散分量不会对检测结果产生影响。为验证可行性,设计了以AD9858和AD8302为核心的扫频检测系统。测试结果表明，该系统能够完成设计频率为198 MHz的SAW生物传感器的测频功能。

声表面波生物传感器 直接数字频率合成(DDS) 网络分析仪 频谱分析 频率测量

0 引言

声表面波(surface acoustic wave,SAW)生物传感器是应用于液相生物分子检测的一种新型声学传感器。相对于其他传统的电化学、光学等生物传感方式，其优点是：体积小、功耗低、灵敏度高、工艺简单、准数字化输出、易实现无线化[1-3]。根据声波模式的不同，声表面波传感器可以分为：瑞利波传感器、Lamb波传感器、漏声表面波传感器、表面横向剪切波传感器、Love波传感器等一系列传感器。其中，Love波传感器以其结构强度高、灵敏度高、在液相环境中衰减低等特性而适用于液相生物传感[1]。

目前，SAW器件检测方法一般是利用SAW器件搭建自激振荡电路，通过频率计检测振荡频率来获得实时的SAW器件特征频率，或者直接利用网络分析仪获得其特征频率[1,4-5]。上述方法均需要借助相关专业测试仪器才能得以实现，这限制了SAW器件的应用。同时，利用自激振荡电路检测的方法，检测精度依赖于闭环电路设计，不可避免地要引入相位噪声、分布参数的影响，存在频率稳定性的问题[4]。本文使用直接数字频率合成(direct digital synthesizer,DDS)产生扫频激励信号，驱动SAW器件，通过检测各频率下的幅值衰减，从而确定实时特征频率。该方法是开环检测，因此不存在上述问题。

1 DDS技术检测SAW生物传感器原理

SAW生物传感器的敏感机理是：沉积在压电基体上的激发叉指换能器(inter digital transducer，IDT)在交变电压的激励下产生特定频率的交变电场，利用压电晶体的逆压电效应产生交变应力，激发声表面波。声表面波以一定波速经过基体表面到接收端IDT，由压电效应再转换为电信号输出。生物传感常用Love波型的SAW器件，Love波器件基体表面加了一层波导层，目前常采用SiO2或PMMA作为波导层材料[5]。由于声表面波能量集中在波导层中，对边界条件的改变特别敏感，因此可以敏感到边界上的各种物理量的变化。通过检测输出IDT上电信号的频率偏移，即可以表征边界上的质量变化，其关系为[6]:

(1)

式中：k1、k2为与介质材料有关的常数；f0为表面波的中心频率；A为质量附着区域的面积；Δm为附着的质量；Δf为相应的频率改变；负号表示质量的吸附会引起频率的下降。

从式(1)可以看出，对特定器件，质量的改变与频率的改变呈线性的关系。

检测SAW器件的特征频率的偏移即可以测出其质量负载的变化，检测原理如图1所示。在控制器编程控制下，DDS可以产生宽频带(40%参考时钟频率)、捷变的步进频率信号，以此信号激励SAW器件，同时检测经过器件之后的信号幅值衰减。依据SAW器件本身具有的窄带滤波的特点，在幅值衰减最小处的激励频率即为此时的SAW特征频率。显然，利用DDS技术检测SAW特征频率是一个开环检测，避免了振荡电路由于闭环引入的相位噪声、分布参数等影响。

图1DDS检测SAW器件原理框图

Fig.1PrincipleofdetectingSAWdevicebyDDS

在使用DDS技术基于上述原理进行检测时，还需考虑DDS本身的杂散分量对检测结果的影响。这需要对DDS的输出信号频谱进行分析，从而判断信号中难以滤除的基频近端杂散分量落在SAW器件的通带内时，会不会对特征频率的判断产生影响。

2 DDS近端杂散影响分析

2.1 DDS技术

DDS一般由频率寄存器、相位累加器、相位-幅值ROM表、数模转换器组成。其结构原理图如图2所示。

图2 DDS结构原理图Fig.2 Schematic diagram of DDS structure

DDS技术在1971年由Tinery等人首次提出[7]。与传统的直接或间接频率合成技术相比，DDS频率分辨率高，输出相对带宽宽，频率捷变速度快；频率捷变时相位连续，频率的合成全部在数字域完成，便于进行相位、幅度和频率的数字调制，极大地适应了数字化信号处理时代的要求[8]。

在系统参考时钟fc的控制下，N位的相位累加器每个时钟周期里累加一次频率寄存器的值K；同时，利用相位-幅值表找到相应的量化幅值送入ADC，转换为模拟信号输出。输出模拟信号频率为：

(2)

2.2 DDS信号分析

DDS是基于数字化的频率合成技术，离散化处理在原理上就在其输出频谱上引入了不可避免的丰富的杂散分量。理想的DDS输出信号是对标准正弦信号的采样：

(3)

式(3)经过零阶保持器，其输出频谱为:

(4)

由此可知，理想的DDS杂散分量分布为：

f=nfc±f0

(5)

其幅值为辛格函数包络，最近的杂散为f=fc-f0。若此值较大，需要使f0与(fc-f0)保持足够的距离，以便于使用一个低通滤波器滤除该镜像杂散以及后面的杂散分量。

实际情况下，DDS主要存在3种杂散源：N位的相位累加器从存储在ROM中的相位-幅值表寻址时，由于ROM表空间有限，需要舍去N位中的低B位，只利用高A位(A=N-B)去寻址ROM，从而引入了相位截断杂散；由于存储在ROM表中的幅值量化引入的量化误差；DAC非线性引入的转换误差。

一般地,幅度量化引入的杂散水平低于相位截断和DAC非理想转换特性所引起的杂散水平；且较之于相位截断误差，DAC引入的误差水平较低；由相位截断引入的杂散分量分布在基频两边，是DDS的主要杂散来源[9]。基频近端杂散难以通过低通滤波器滤除，在用DDS检测SAW器件时近端杂散可能会落在SAW的通带内，使得杂散信号通过SAW，从而对检测结果产生影响。因此，需要对相位截断引起的杂散分量进行进一步分析。

2.3 相位截断及其影响分析

相位截断是在ROM表寻址时舍去了低B位寻址而引入的相位截断误差，其信号序列为：

εp(n)=nKmod2B

(6)

该信号是周期为Tm的锯齿波，其中：

式中：GCD()表示取两者最大公约数。

由此可知相位截断引入的误差是一个周期性的锯齿波信号，所以实际的输出误差信号可以认为是对一个锯齿波信号的采样和零阶保持后的结果。将该信号通过ROM表查值，代入正弦信号可得到近似由相位阶段引起的误差信号序列：

(7)

将其表示为连续时间的采样，则有连续时间信号：

(8)

式(7)、式(8)表示了相位截断引入的误差信号，考虑其值的最大情况，即εp(n)max=2B-1时ΔS(t)的幅值与原信号的幅值关系为(表示为dB形式)：

(9)

其中，A为ROM的寻址位数。计算可知，当ROM容量为1kB时，也就是A=10时，相位截断引入的最大时刻的杂散幅值为-44.24dB。一般情况下ROM容量应大于1kB，相应的相位截断引入的杂散值也就越小。其杂散分布为[9-11]:

f=mfc±f0±nfK

(10)

根据不同的K值和B值，杂散位置会变得越来越复杂，且会大量落在基频两边，但是幅值较小。

由上述分析可知，即使杂散能够落在SAW器件的窄带通带内，其幅值也远远小于原正弦信号落在通带内的幅值大小，所以DDS在SAW器件的频率检测应用中一般可以忽略由相位截断引入的近端杂散的影响。

3 DDS检测电路设计

3.1 设计要求

针对某设计频率为198MHz的Love波型声表面波生物传感器,其网络分析仪测试结果如图3所示。

图3 SAW器件网络分析仪测试结果Fig.3 Test results of network analyzer of SAW device

要实现特征频率检测，要求DDS系统在满足输出频率带宽的基础上能够实现1 Hz的频率步进分辨率(参考网络分析仪的频率分辨率)和幅值为-0.1 dB的分辨率。

3.2 测试框图

测试系统结构框图如图4所示。

图4 测试系统结构框图Fig.4 Structure of the test system

由10 MHz高稳晶振、鉴频鉴相器、环路滤波器以及压控振荡器构成PLL电路，为DDS提供1 GHz的高稳定参考时钟。在MCU的控制下，对DDS芯片进行编程，输出需要的步进激励信号，经放大、滤波后驱动SAW器件。在幅值比较单元对原幅值与经过SAW后的信号幅值进行比较输出，再由ADC转换为数字信号。为便于调试，通过RS-232接口将结果传到上位机，绘制出幅频特性曲线，进而确定SAW生物传感器的特征频率。

3.3 器件选型

3.3.1 DDS芯片选型

本文中待检测的Love波型SAW器件的设计频率为198 MHz，最小步进频率要低于10 Hz。DDS芯片选择ADI的AD9858芯片。AD9858的参考时钟最高可达1 GHz，其输出频率最高可达400 MHz以上，满足待检测带宽需求，同时也保证了留有足够的裕量来检测实际工作中可能出现的频率偏移。AD9858内置一个10位的高速、高性能数模转换器，32位的相位累加器。当参考频率为1 GHz时，其频率分辨率达到0.233 Hz，满足设计要求，并提供SPI和8位并行的通信接口。由式(1)可知输出频率与时钟频率fc直接相关，fc的频率质量直接反映到输出信号，所以需要重点考虑DDS的参考时钟的频率稳定度。在本设计中需要提供约1 GHz的参考频率，直接找这么高频、高稳定的晶振是不现实的。本设计中通过设计一个锁相环电路来实现1 GHz参考时钟。

3.3.2 PLL器件选型

本设计选用ADI的ADF4113作为锁相环中的鉴频鉴相器、mini-circuit的压控振荡器ROS-995-119+、一个高稳10 MHz的有源温补晶振(1×10-6左右)和自行设计的环路滤波器来实现PLL电路。ADI提供了ADIsimPLL工具软件，辅助PLL的设计，同时提供对PLL的仿真功能，大大简化了设计工作。

3.3.3 幅值比较器选型

本设计选用ADI的AD8302作为对激励信号与经过SAW窄带滤波后的信号幅值的比较器。AD8302的检测动态范围为±30 dB，工作频率可达2.7 GHz，能够满足测试需求。根据AD8302的输入信号功率要求-60～0 dBm，可以计算出DDS输出信号需要的放大倍数，用以指导放大电路部分的设计。

此外，检测系统选用ATMEGA128作为MCU。AD8302的模拟输出通过AD7274实现模数转换。AD7274是12位高速、低功耗、逐次比较的ADC，高于AD9858中的10位DAC位数，且在参考电压为1.8 V时对AD8302输出可以达到0.015 dB的分辨率，满足设计要求。

3.4 测试结果

利用安捷伦DSO-X 4022A型示波器对DDS模块输出信号进行检测，并使用自带的FFT功能对信号成分进行了分析，与程序设置频率一致，且杂散抑制优于30 dB，符合设计要求。利用该系统对器件进行检测，结果如图5所示。

图5 190～205 MHz扫频测试结果Fig.5 Test results of 190～205 MHz sweeping frequency

由图5可以看出，测试结果与设计频率以及利用网络分析仪测得的结果符合得较好，验证了该系统设计的正确性。

4 结束语

本文介绍了DDS技术检测SAW生物传感器的原理，通过分析,证明了DDS中难以滤除的由相位截断引入的近端杂散不会影响检测SAW器件特征频率的结果。设计了一个基于AD9858的DDS扫频检测系统，测试验证了其能够输出驱动设计频率为198 MHz的SAW传感器的扫频信号,并在190～200 MHz扫频范围内对器件进行检测，结果与网络分析仪测试结果符合较好。本文的工作为进一步使用DDS技术实现SAW生物传感器的精确检测以及最终实现SAW生物传感测试的全数字化作了准备。

[1] 何鹏举,张朋,陈明.声表面波网络传感器及其在国防工业中的应用[M].西安：西北工业大学出版社,2011:1-2.

[2] Vellekoop M J.Acoustic wave sensors and their technology[J].Ultrasonics,1998,36(1-5):7-14.

[3] Welsch W,Klein C,Öksüzoglu R M, et al. Immunosensing with surface wave sensor[J].Sensors and Actuators A: Physical, 1997, 62(1-3):562-564.

[4] 王文, 何世堂, 李顺洲. 一种新型高频率稳定性的SAW振荡器[C]// 全国第一届压电和声波理论及器件技术研讨会,2004.

[5] 胡友旺, 史建亮, 贾宏光,等. Love波传感器及其质量灵敏度测试[J]. 传感技术学报, 2006:2126-2129.

[6] Ward M D, Buttry D. In situ interfacial mass detection with piezoelectric transducers[J]. Science, 1990, 249(4972):48-57.

[8] 刘朝军，许人灿，陈曾平.DDS输出信号频谱结构的系统分析[J].国防科技大学学报,2005,27(6).

[9] 张熙，王晓峰，邵春晖.基于DDS技术的杂散分析及抑制方法[J].微计算机信息,2008,24(5-2).

[10]蔡剑华,王先春,胡惟文.DDS杂散抑制技术的研究与实现[J].微电子学与计算机，2009(7)：127-129.

[11]祝敏,高志辉.DDS信号的杂散及抑制分析[J].电子工程师，2008(9)：17-19.

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

国家自然科学基金资助项目(编号：61371039)。

张峰(1990-)，男，现为南京理工大学机械工程专业在读硕士研究生；主要从事测试计量技术的研究。

TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506021

修改稿收到日期：2014-12-09。