SAW-датчик заставили спорить с эталоном, чтобы удержать ноль
У SAW-сенсора есть неприятная привычка: физическое воздействие и температура платы оставляют похожий след. Волна бежит по поверхности пьезоэлектрика, её скорость чуть меняется вместе со свойствами чувствительного слоя, а частота уезжает. Для UV-C-датчика этот уход и есть полезный сигнал. Однако генератор, компаратор и пороги логики тоже стареют, греются и медленно уплывают.
Разностная частота вместо прямого измерения 220 MHz
В работе с двухпортовой SAW delay line на 128° YX LiNbO₃ авторы построили измерение как спор двух почти одинаковых частот. Измерительный SAW-канал с плёнкой β-Ga₂O₃ и опорный канал работают в собственных генераторах около 220 MHz. Смеситель AD831 выдаёт разность их частот, пассивный ФНЧ пропускает её, LM393 формирует фронты. Общие изменения частот двух каналов после смешения в значительной степени сокращаются; FPGA получает уже медленную величину, удобную для счёта.
Это позволяет обойтись без постоянного чтения 220-MHz сигнала быстрым АЦП или частотомером. Плата Digilent Cmod S7 со Spartan-7 считает фронты за окно 50 ms от такта 50 MHz. Один отсчёт имеет шаг около 20 Hz и приходит каждые 50 ms. Полоса RC-фильтра после смесителя задана около 2.2 MHz, а надёжное считывание авторы довели примерно до 2.26 MHz разностной частоты.
Три способа слушать несколько акустических каналов
Сама схема стала предметом эксперимента. В первом варианте один измерительный датчик работает рядом с одним reference-каналом. Второй вариант экономит тракт: общий reference и 4:1 мультиплексор по очереди подключают три SAW-сенсора с одинаковой центральной частотой. Третий даёт каждому датчику свой параллельный RF/IF-канал, поэтому сенсоры с разными центральными частотами работают одновременно.
Цена экономии в MUX-варианте оказывается очень конкретной. Переключение идёт раз в 0.05 s, три канала получают по одному результату каждые 0.15 s, то есть с частотой 6.67 Hz. Для медленного накопления УФ-дозы этого достаточно. Короткий выброс, быстрый химический отклик или переходный процесс между слотами останется между измерениями. Параллельный тракт убирает эту слепую зону и переходные помехи от коммутации, но требует повторить генераторы, смесители и формирователи импульсов.
Порог, который следует за сигналом
Тепловой сюжет здесь проверяли через порог компаратора. При изменении температуры от 30 до 50 °C уровень IF-сигнала смещался, однако self-biased порог двигался вслед за его средним уровнем. Менялся duty cycle прямоугольного сигнала, а частота фронтов оставалась мало чувствительна к этому сдвигу. Такая компенсация полезна именно потому, что частотомер не интересуется шириной импульса, пока фронты остаются уверенно различимыми.
Что подтверждает короткий UV-C опыт
При непрерывном облучении 254 nm с интенсивностью 8 µW/cm² в течение 600 s на насыщении зафиксированы флуктуации частотного сдвига примерно ±0.4 kHz без заметного систематического ухода за время опыта. Этого теста недостаточно для вывода о стабильности на протяжении недель или термоциклов: авторы не приводят ни мощность каждого варианта, ни карту нагрева платы, ни спектральную плотность шума. Зато работа хорошо показывает, где в SAW-системе рождается инженерная развилка: экономить аналоговые каналы и платить временным разрешением либо дублировать тракт, чтобы несколько акустических волн говорили одновременно.