本發(fā)明涉及石英晶體微天平抵消及指示電路，特別涉及一種用于石英晶體微天平鍍膜晶振片并聯(lián)電容抵消及指示電路。

背景技術(shù)：

石英晶體微天平傳感器的核心傳感元件是石英晶振片，該晶振一般由at切型的石英晶片與鍍?cè)谄浔砻娴慕饘匐姌O構(gòu)成。石英晶體具有逆壓電效應(yīng)，即在石英晶體電極上施加交變電壓時(shí)，石英晶體就會(huì)發(fā)生同頻振動(dòng)，當(dāng)外加激勵(lì)電壓的頻率與石英晶體的固有振蕩頻率一致時(shí)，便產(chǎn)生共振，此時(shí)振幅最大，振蕩最為穩(wěn)定，即石英晶體在電路中起到選頻作用。在共振條件下，當(dāng)石英晶振片表面吸附其它物質(zhì)時(shí)，石英晶振片的固有頻率隨吸附質(zhì)量的大小而改變，因而電路的共振頻率也隨之改變。為實(shí)現(xiàn)特異性檢測(cè)，可以在晶振片表面修飾功能薄膜，制成鍍膜晶振片。

石英晶振片的等效電路由butterworth-van-dyke模型給出，包含兩條支路。第一條為聲學(xué)支路，在電路中表現(xiàn)為晶振片等效電阻，等效電容及等效電感組成的串聯(lián)諧振電路；第二條為電學(xué)支路，在電路中表現(xiàn)為純電容(由晶振片的上下電極引入)。所有石英晶體微天平類傳感器均利用石英晶振片的串聯(lián)諧振頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感檢測(cè)，石英晶振片并聯(lián)電容的存在會(huì)導(dǎo)致晶體振蕩頻率偏離其固有串聯(lián)諧振頻率，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生；尤其是鍍膜晶振片對(duì)檢測(cè)環(huán)境更加敏感，其并聯(lián)電容更易受到擾動(dòng)，因此我們必須補(bǔ)償由晶振片并聯(lián)電容導(dǎo)致的檢測(cè)誤差才能利用石英晶體微天平傳感器實(shí)現(xiàn)精確的傳感測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)的目的在于提供了一種石英晶體微天平鍍膜晶振片并聯(lián)電容抵消及指示電路，包括模擬振蕩電路以及晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償及指示電路，其特征在于：所述模擬振蕩電路由ad8367自動(dòng)增益放大器電路、巴倫及變?nèi)荻O管電路、反饋放大電路及低通濾波電路組成；所述模擬振蕩電路外接傳感元件鍍膜石英晶振片，以閉環(huán)反饋方式維持石英晶振的穩(wěn)定振蕩；所述晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償及指示電路包括增益指示電壓檢測(cè)電路、晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償電路以及晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償狀態(tài)指示電路；所述晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償電路及所述晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償狀態(tài)指示電路組成的一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)；所述晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償及指示電路用于檢測(cè)鍍膜石英晶振片的并聯(lián)電容，通過(guò)調(diào)整變?nèi)荻O管的反向電壓來(lái)抵消該并聯(lián)電容并通過(guò)一組led指示電容的抵消狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述ad8367自動(dòng)增益放大器電路、巴倫及變?nèi)荻O管電路、反饋放大電路及低通濾波電路構(gòu)成閉環(huán)自激振蕩系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述震蕩系統(tǒng)起振條件為：振幅條件為所述振蕩系統(tǒng)的閉環(huán)增益為1，相位條件為所述振蕩系統(tǒng)的閉環(huán)相位變化為0或2π的整數(shù)倍。

優(yōu)選地，所述振幅條件通過(guò)所述ad8367自動(dòng)增益放大器電路以及運(yùn)算放大器ad8000控制。

優(yōu)選地，所述相位條件通過(guò)利用ad8367的反相放大特性通過(guò)設(shè)計(jì)在石英晶振共振頻率5mhz處相位變化為π的五階貝塞爾低通濾波器來(lái)保證振蕩電路的閉環(huán)相位變化始終為2π。

優(yōu)選地，所述檢測(cè)鍍膜石英晶振片的并聯(lián)電容的方法為通過(guò)監(jiān)測(cè)ad8367自動(dòng)增益放大器電路的增益指示電壓。

優(yōu)選地，所述監(jiān)測(cè)ad8367自動(dòng)增益放大器電路的增益指示電壓的方法為使用正弦調(diào)制對(duì)增益指示電壓進(jìn)行75hz的頻率調(diào)制，鎖相放大技術(shù)對(duì)增益指示電壓變化幅度進(jìn)行檢測(cè)。

現(xiàn)有的石英晶體微天平主要為氣相環(huán)境中剛性薄膜的厚度檢測(cè)等應(yīng)用設(shè)計(jì)，受并聯(lián)電容的影響很小，故而沒(méi)有并聯(lián)電容的抵消及指示電路設(shè)計(jì)；本發(fā)明主要面向液相環(huán)境中表面鍍有粘彈性薄膜的石英晶振片，這時(shí)并聯(lián)電容對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很大，甚至導(dǎo)致晶振停止振蕩，必須實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容的補(bǔ)償才能保證石英晶體微天平傳感器正常工作。為解決現(xiàn)有石英晶體微天平技術(shù)在液相大阻尼環(huán)境下鍍膜晶振片并聯(lián)電容易受擾動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差的問(wèn)題，本發(fā)明提出一套鍍膜晶振片并聯(lián)電容抵消及指示電路方案，從而保證石英晶體微天平在液相大阻尼環(huán)境下的正常工作和準(zhǔn)確測(cè)量。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說(shuō)明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出了ad8367自動(dòng)增益放大器電路；

圖2示出了巴倫及變?nèi)荻O管電路；

圖3示出了反饋放大電路；

圖4示出了低通濾波電路；

圖5示出了增益指示電壓檢測(cè)電路；

圖6示出了晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償電路；

圖7示出了晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償狀態(tài)指示電路。

具體實(shí)施方式

通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開(kāi)的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

本發(fā)明提供了一種石英晶體微天平鍍膜晶振片并聯(lián)電容抵消及指示電路，包括模擬振蕩電路以及晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償及指示電路，所述模擬振蕩電路由ad8367自動(dòng)增益放大器電路、巴倫及變?nèi)荻O管電路、反饋放大電路及低通濾波電路組成；所述晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償及指示電路包括增益指示電壓檢測(cè)電路、晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償電路以及晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償狀態(tài)指示電路。上述各子電路的連接關(guān)系如下所述：

如圖1所示的ad8367自動(dòng)增益放大器電路，其芯片的引腳3inpt為輸入，引腳10vout串接0.1uf的電容c5以及49.9r的電阻r4，然后一端通過(guò)0.18uf的電容c8接入地端agnd，另一端的輸出ad8367out作為圖2所示的巴倫及變?nèi)荻O管電路的變壓器t2的引腳1的輸入端ad8367out。

ad8367芯片的其他引腳，例如引腳1icom、引腳4mode、引腳7icom、引腳14icom、引腳8ocom均直接接地，引腳12vpsi與引腳11vpso各接有10r的電阻r1和r2，r1與引腳2enbl并聯(lián)，再接熔斷器fb1，接電源avcc5，r2與引腳2enbl并聯(lián)后接0.1uf的電容c1再接地。引腳9-13均接有電容，其中引腳10和13接入電阻再接地。引腳5和6并聯(lián)接電阻r5后連有0.1uf的電容c6再接地。

如圖2所示的巴倫及變?nèi)荻O管電路所示，變壓器t1的引腳6輸出的balunout作為圖3所示的反饋放大電路的引腳3的輸入端。

如圖3所示的反饋放大電路，運(yùn)算放大器nc5的引腳3接有10r的電阻r11，其腳6通過(guò)接有0r的電阻r12輸出至ad8000out。

運(yùn)算放大器nc5的其他引腳如下所述：引腳9接地，引腳8接10k的電阻r10后與電源avcc5連接，引腳7分別接0.1uf的電容c14后接地，另一分支接熔斷器fb4后接電源avcc5，引腳4并聯(lián)接熔斷器fb6后接vcc-5，以及并聯(lián)熔斷器fb5以及0.1uf的電容c16后接地，引腳3為接10r的電阻r11后輸出balunout，引腳2為滑動(dòng)變阻器vr1，引腳1接4.7k的電阻r13，后通過(guò)滑動(dòng)變阻器vr1接1.2k的電阻r14以及0.1uf的電容c15后接地。

如圖4所示的低通濾波電路，輸入端為圖3所示的ad8000out，通過(guò)串聯(lián)電容c17、電阻r15，以及電感l(wèi)1和l2和電阻r16進(jìn)行輸出，其中各接地端agnd與主線間并接有各個(gè)電容c18、c19、c20、c21、c22、c23，輸出端ad8367refin作為圖1所示的ad8367自動(dòng)增益放大器電路的輸入端。

如圖5所示的增益指示電壓檢測(cè)電路，具體地，包含75hz交流調(diào)制信號(hào)的增益指示電壓vagc經(jīng)過(guò)opa337放大之后進(jìn)入由lmc6082組成的巴特沃斯帶通濾波器，vagc的交流分量經(jīng)濾波放大后進(jìn)入lm13700與6v的參考電壓合成兩路相位差為π的信號(hào)(lm13700m0out1，lm13700m0out2)，之后上述兩路信號(hào)經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)cd4052選通及通過(guò)晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償電路ad822放大后驅(qū)動(dòng)四個(gè)led發(fā)光作為晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償狀態(tài)指示電路的狀態(tài)指示信號(hào)。

如圖6所示的晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償電路，其芯片cd4052b的版u21的引腳13x-out/in接有u22b，其u22b的引腳7接100r的電阻r124，輸出varactor，其輸出端與圖2的巴倫及變?nèi)荻O管電路的49.9r的電阻r83相連。

如圖7所示的晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償狀態(tài)指示電路的lm339ad的引腳6in1-、4in2-、9in3+、11in4+的ledvoltage與圖6所示的晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償電路的u22a的引腳1輸出的1k的電阻r138并聯(lián)的0r電阻r142輸出的ledvoltage連接。

lm339ad的引腳1out1、引腳2out2、引腳13out3以及引腳13out4分別并聯(lián)接有發(fā)光二極管d18-d21以及4.7k的電阻r144-r147，引腳3vcc并聯(lián)接入0.1uf的電容c10至接地，以及接入熔斷器fb32后接電源avcc12，引腳7in1+、5in2+、8in3-、10in4+分別并聯(lián)有1k、10r、100k的電阻，用于分壓，從下至上電壓越來(lái)越大。

上述各子電路的功能以及實(shí)現(xiàn)方法如下所述：

所述模擬振蕩電路包括如圖1所示的ad8367自動(dòng)增益放大器電路、如圖2所示巴倫及變?nèi)荻O管電路、如圖3所示的反饋放大電路以及如圖4所示的低通濾波電路，各部分的功能及實(shí)現(xiàn)方法介紹如下：

上述四部分電路組合構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)自激振蕩系統(tǒng)。

為使該電路起振必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件，即振幅條件和相位條件。振幅條件要求振蕩電路的閉環(huán)增益為1，相位條件要求振蕩電路的閉環(huán)相位變化為0或2π的整數(shù)倍。

在電路設(shè)計(jì)中我們使用了如圖1所示的自動(dòng)增益控制型放大器ad8367以及如圖3所示運(yùn)算放大器ad8000即反饋放大電路來(lái)保證振蕩電路的閉環(huán)增益始終為1。

利用ad8367的反相放大特性通過(guò)設(shè)計(jì)在石英晶振共振頻率(5mhz)處相位變化為π的五階貝塞爾低通濾波器來(lái)保證振蕩電路的閉環(huán)相位變化始終為2π。

此外，為使石英晶振在測(cè)量過(guò)程中始終保持在其串聯(lián)共振頻率上，我們還設(shè)計(jì)了如圖2所示的鍍膜晶振并聯(lián)電容的抵銷電路。

此電路使用巴倫(t1，t2)及變?nèi)荻O管(v1)，通過(guò)調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管兩端的反向偏置電壓消除鍍膜石英晶振片的并聯(lián)電容，使晶振穩(wěn)定地工作在其串聯(lián)諧振頻率上。

本發(fā)明的所述晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償及指示電路包括如圖5所示的增益指示電壓檢測(cè)電路、如圖6所示的晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償電路以及如圖7所示的晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償狀態(tài)指示電路。其中，所述晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償電路及所述晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償狀態(tài)指示電路組成了閉環(huán)反饋系統(tǒng)；所述晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償及指示電路用于檢測(cè)鍍膜石英晶振片的并聯(lián)電容，通過(guò)調(diào)整變?nèi)荻O管的反向電壓來(lái)抵消該并聯(lián)電容并通過(guò)一組led指示電容的抵消狀態(tài)。

晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償及指示電路是由增益指示電壓檢測(cè)電路，晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償電路及晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償狀態(tài)指示電路組成的一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，各部分的功能及實(shí)現(xiàn)方法介紹如下：

當(dāng)測(cè)試環(huán)境變化時(shí)，鍍膜晶振片并聯(lián)電容變化會(huì)導(dǎo)致模擬振蕩電路中自動(dòng)增益放大器ad8367的增益發(fā)生變化，因此監(jiān)測(cè)ad8367的增益指示電壓vagc即可得知晶振片并聯(lián)電容的變化情況。

vagc的變化幅度與增益成指數(shù)關(guān)系，晶振并聯(lián)電容變化導(dǎo)致vagc變化幅度很小，因此使用正弦調(diào)制技術(shù)對(duì)vagc進(jìn)行75hz的頻率調(diào)制，使用類似鎖相放大的技術(shù)對(duì)微小的vagc變化幅度進(jìn)行檢測(cè)。

具體地，如圖5所示，包含75hz交流調(diào)制信號(hào)的增益指示電壓vagc經(jīng)過(guò)opa337放大之后進(jìn)入由lmc6082組成的巴特沃斯帶通濾波器，vagc的交流分量經(jīng)濾波放大后進(jìn)入lm13700與6v的參考電壓合成兩路相位差為π的信號(hào)(lm13700m0out1，lm13700m0out2)，之后上述兩路信號(hào)經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)cd4052選通及通過(guò)圖6所示的晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償電路ad822放大后驅(qū)動(dòng)四個(gè)led發(fā)光作為如圖7所示的晶振片并聯(lián)電容補(bǔ)償狀態(tài)指示電路的狀態(tài)指示信號(hào)。

當(dāng)檢測(cè)環(huán)境變化導(dǎo)致鍍膜晶振片并聯(lián)電容變化時(shí)，vagc的信號(hào)變化經(jīng)上述電路處理后最終表現(xiàn)為圖7中d19及d20兩個(gè)led的熄滅及d18或d21其中之一的點(diǎn)亮，指示鍍膜晶振片的并聯(lián)電容發(fā)生了變化，需要進(jìn)行補(bǔ)償。此時(shí)我們通過(guò)調(diào)節(jié)圖6中的電位器vr4使d19及d20重新點(diǎn)亮即可實(shí)現(xiàn)鍍膜晶振片并聯(lián)電容的補(bǔ)償。

本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)：

(1)利用變?nèi)荻O管與鍍膜晶振片并聯(lián)并使之通過(guò)反相電流抵消晶振片并聯(lián)電容的技術(shù)；

(2)利用調(diào)制—濾波技術(shù)精確檢測(cè)鍍膜晶振片并聯(lián)電容變化的技術(shù)；

(3)利用自動(dòng)增益放大器的增益指示電壓實(shí)現(xiàn)鍍膜晶振片并聯(lián)電容閉環(huán)補(bǔ)償及狀態(tài)指示的技術(shù)；

達(dá)到了以下有益效果：

(1)利用閉環(huán)反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)鍍膜晶振片并聯(lián)電容的抵消精度較高，有利于石英晶體微天平傳感器在液相大阻尼環(huán)境下的應(yīng)用；

(2)利用led指示鍍膜晶振片并聯(lián)電容的抵消狀態(tài)簡(jiǎn)單直觀，便于測(cè)量操作。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。