石英晶体微天平镀膜晶振片并联电容抵消及指示电路

摘要

本发明提供了一种石英晶体微天平镀膜晶振片并联电容抵消及指示电路，包括模拟振荡电路以及晶振片并联电容补偿及指示电路，其特征在于：所述模拟振荡电路由自动增益放大器电路、巴伦及变容二极管电路、反馈放大电路及低通滤波电路组成；所述晶振片并联电容补偿及指示电路包括增益指示电压检测电路、晶振片并联电容补偿电路以及晶振片并联电容补偿状态指示电路；所述晶振片并联电容补偿电路及所述晶振片并联电容补偿状态指示电路组成的一个闭环反馈系统。

权利要求

1.一种石英晶体微天平镀膜晶振片并联电容抵消及指示电路，包括模拟振荡电路以及晶振片并联电容补偿及指示电路，其特征在于：所述模拟振荡电路由AD8367自动增益放大器电路、巴伦及变容二极管电路、反馈放大电路及低通滤波电路组成；所述模拟振荡电路外接传感元件镀膜石英晶振片，其中镀膜石英晶振片是液相环境中表面有粘弹性镀膜石英晶振片；

所述晶振片并联电容补偿及指示电路包括增益指示电压检测电路、晶振片并联电容补偿电路以及晶振片并联电容补偿状态指示电路；所述晶振片并联电容补偿电路及所述晶振片并联电容补偿状态指示电路组成了闭环反馈系统；所述晶振片并联电容补偿及指示电路用于检测镀膜石英晶振片的并联电容，通过调整变容二极管的反向电压来抵消该并联电容并通过一组LED指示电容的抵消状态，其中，所述晶振片并联电容补偿电路，其输出端与巴伦及变容二极管电路的49.9R的电阻R83相连；

75Hz交流调制信号的增益指示电压经过OPA337放大之后进入巴特沃斯带通滤波器，增益指示电压的交流分量经滤波放大后与6V的参考电压合成两路相位差为π的信号，两路信号经模拟开关CD4052选通及通过所述晶振片并联电容补偿电路放大后驱动四个LED发光，作为晶振片并联电容补偿状态指示电路的状态指示信号。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述AD8367自动增益放大器电路、巴伦及变容二极管电路、反馈放大电路及低通滤波电路构成闭环自激振荡系统。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于：所述振 荡系统起振条件为：振幅条件为所述振荡系统的闭环增益为1，相位条件为所述振荡系统的闭环相位变化为0或2π的整数倍。

4.如权利要求3所述的电路，其特征在于：所述振幅条件通过所述AD8367自动增益放大器电路以及运算放大器AD8000控制。

5.如权利要求3所述的电路，其特征在于：所述相位条件通过利用AD8367的反相放大特性通过设计在石英晶振共振频率5MHz处相位变化为π的五阶贝塞尔低通滤波器来保证振荡电路的闭环相位变化始终为2π。

6.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述检测镀膜石英晶振片的并联电容的方法为通过监测AD8367自动增益放大器电路的增益指示电压。

7.如权利要求6所述的电路，其特征在于：所述监测AD8367自动增益放大器电路的增益指示电压的方法为使用正弦调制对增益指示电压进行75Hz的频率调制，锁相放大技术对增益指示电压变化幅度进行检测。

说明书

石英晶体微天平镀膜晶振片并联电容抵消及指示电路

技术领域

[0001] 本发明涉及石英晶体微天平抵消及指示电路，特别涉及一种用于石英晶体微天平镀膜晶振片并联电容抵消及指示电路。

背景技术

[0002] 石英晶体微天平传感器的核心传感元件是石英晶振片，该晶振一般由AT切型的石英晶片与镀在其表面的金属电极构成。石英晶体具有逆压电效应，即在石英晶体电极上施加交变电压时，石英晶体就会发生同频振动，当外加激励电压的频率与石英晶体的固有振荡频率一致时，便产生共振，此时振幅最大，振荡最为稳定，即石英晶体在电路中起到选频作用。在共振条件下，当石英晶振片表面吸附其它物质时，石英晶振片的固有频率随吸附质量的大小而改变，因而电路的共振频率也随之改变。为实现特异性检测，可以在晶振片表面修饰功能薄膜，制成镀膜晶振片。

[0003] 石英晶振片的等效电路由Butterworth-van-Dyke模型给出，包含两条支路。第一条为声学支路，在电路中表现为晶振片等效电阻，等效电容及等效电感组成的串联谐振电路；第二条为电学支路，在电路中表现为纯电容(由晶振片的上下电极引入)。所有石英晶体微天平类传感器均利用石英晶振片的串联谐振频率来实现传感检测，石英晶振片并联电容的存在会导致晶体振荡频率偏离其固有串联谐振频率，进而导致测量误差的产生；尤其是镀膜晶振片对检测环境更加敏感，其并联电容更易受到扰动，因此我们必须补偿由晶振片并联电容导致的检测误差才能利用石英晶体微天平传感器实现精确的传感测量。

发明内容

[0004] 本申请的目的在于提供了一种石英晶体微天平镀膜晶振片并联电容抵消及指示电路，包括模拟振荡电路以及晶振片并联电容补偿及指示电路，其特征在于：所述模拟振荡电路由AD8367自动增益放大器电路、巴伦及变容二极管电路、反馈放大电路及低通滤波电路组成；所述模拟振荡电路外接传感元件镀膜石英晶振片，以闭环反馈方式维持石英晶振的稳定振荡；所述晶振片并联电容补偿及指示电路包括增益指示电压检测电路、晶振片并联电容补偿电路以及晶振片并联电容补偿状态指示电路；所述晶振片并联电容补偿电路及所述晶振片并联电容补偿状态指示电路组成的一个闭环反馈系统；所述晶振片并联电容补偿及指示电路用于检测镀膜石英晶振片的并联电容，通过调整变容二极管的反向电压来抵消该并联电容并通过一组LED指示电容的抵消状态。

[0005] 优选地，所述AD8367自动增益放大器电路、巴伦及变容二极管电路、反馈放大电路及低通滤波电路构成闭环自激振荡系统。

[0006] 优选地，所述震荡系统起振条件为：振幅条件为所述振荡系统的闭环增益为1，相位条件为所述振荡系统的闭环相位变化为0或2π的整数倍。

[0007] 优选地，所述振幅条件通过所述AD8367自动增益放大器电路以及运算放大器AD8000控制。

[0008] 优选地，所述相位条件通过利用AD8367的反相放大特性通过设计在石英晶振共振频率5MHz处相位变化为π的五阶贝塞尔低通滤波器来保证振荡电路的闭环相位变化始终为2π。

[0009] 优选地，所述检测镀膜石英晶振片的并联电容的方法为通过监测AD8367自动增益放大器电路的增益指示电压。

[0010] 优选地，所述监测AD8367自动增益放大器电路的增益指示电压的方法为使用正弦调制对增益指示电压进行75Hz的频率调制，锁相放大技术对增益指示电压变化幅度进行检测。

[0011] 现有的石英晶体微天平主要为气相环境中刚性薄膜的厚度检测等应用设计，受并联电容的影响很小，故而没有并联电容的抵消及指示电路设计；本发明主要面向液相环境中表面镀有粘弹性薄膜的石英晶振片，这时并联电容对测试结果影响很大，甚至导致晶振停止振荡，必须实现并联电容的补偿才能保证石英晶体微天平传感器正常工作。为解决现有石英晶体微天平技术在液相大阻尼环境下镀膜晶振片并联电容易受扰动进而导致测量结果出现误差的问题，本发明提出一套镀膜晶振片并联电容抵消及指示电路方案，从而保证石英晶体微天平在液相大阻尼环境下的正常工作和准确测量。

[0012] 应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

[0013] 参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

[0014] 图1示出了AD8367自动增益放大器电路；

[0015] 图2示出了巴伦及变容二极管电路；

[0016] 图3示出了反馈放大电路；

[0017] 图4示出了低通滤波电路；

[0018] 图5示出了增益指示电压检测电路；

[0019] 图6示出了晶振片并联电容补偿电路；

[0020] 图7示出了晶振片并联电容补偿状态指示电路。

具体实施方式

[0021] 通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

[0022] 在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

[0023] 本发明提供了一种石英晶体微天平镀膜晶振片并联电容抵消及指示电路，包括模拟振荡电路以及晶振片并联电容补偿及指示电路，所述模拟振荡电路由AD8367自动增益放大器电路、巴伦及变容二极管电路、反馈放大电路及低通滤波电路组成；所述晶振片并联电容补偿及指示电路包括增益指示电压检测电路、晶振片并联电容补偿电路以及晶振片并联电容补偿状态指示电路。上述各子电路的连接关系如下所述：

[0024] 如图1所示的AD8367自动增益放大器电路，其芯片的引脚3INPT为输入，引脚10VOUT串接0.1uF的电容C5以及49.9R的电阻R4，然后一端通过0.18uF的电容C8接入地端AGND，另一端的输出AD8367OUT作为图2所示的巴伦及变容二极管电路的变压器T2的引脚1的输入端AD8367OUT。

[0025] AD8367芯片的其他引脚，例如引脚1ICOM、引脚4MODE、引脚7ICOM、引脚14ICOM、引脚8OCOM均直接接地，引脚12VPSI与引脚11VPSO各接有10R的电阻R1和R2，R1与引脚2ENBL并联，再接熔断器FB1，接电源AVCC5，R2与引脚2ENBL并联后接0.1uF的电容C1再接地。引脚9-13均接有电容，其中引脚10和13接入电阻再接地。引脚5和6并联接电阻R5后连有0.1uF的电容C6再接地。

[0026] 如图2所示的巴伦及变容二极管电路所示，变压器T1的引脚6输出的BALUN OUT作为图3所示的反馈放大电路的引脚3的输入端。

[0027] 如图3所示的反馈放大电路，运算放大器NC5的引脚3接有10R的电阻R11，其脚6通过接有0R的电阻R12输出至AD8000OUT。

[0028] 运算放大器NC5的其他引脚如下所述：引脚9接地，引脚8接10K的电阻R10后与电源AVCC5连接，引脚7分别接0.1uF的电容C14后接地，另一分支接熔断器FB4后接电源AVCC5，引脚4并联接熔断器FB6后接VCC-5，以及并联熔断器FB5以及0.1uF的电容C16后接地，引脚3为接10R的电阻R11后输出BALUNOUT，引脚2为滑动变阻器VR1，引脚1接4.7K的电阻R13，后通过滑动变阻器VR1接1.2K的电阻R14以及0.1uF的电容C15后接地。

[0029] 如图4所示的低通滤波电路，输入端为图3所示的AD8000OUT，通过串联电容C17、电阻R15，以及电感L1和L2和电阻R16进行输出，其中各接地端AGND与主线间并接有各个电容C18、C19、C20、C21、C22、C23，输出端AD8367REF IN作为图1所示的AD8367自动增益放大器电路的输入端。

[0030] 如图5所示的增益指示电压检测电路，具体地，包含75Hz交流调制信号的增益指示电压Vagc经过OPA337放大之后进入由LMC6082组成的巴特沃斯带通滤波器，Vagc的交流分量经滤波放大后进入LM13700与6V的参考电压合成两路相位差为π的信号(LM13700M0OUT1，LM13700M0OUT2)，之后上述两路信号经模拟开关CD4052选通及通过晶振片并联电容补偿电路AD822放大后驱动四个LED发光作为晶振片并联电容补偿状态指示电路的状态指示信号。

[0031] 如图6所示的晶振片并联电容补偿电路，其芯片CD4052B的版U21的引脚13X-OUT/IN接有U22B，其U22B的引脚7接100R的电阻R124，输出VARACTOR，其输出端与图2的巴伦及变容二极管电路的49.9R的电阻R83相连。

[0032] 如图7所示的晶振片并联电容补偿状态指示电路的LM339AD的引脚6IN1-、4IN2-、9IN3+、11IN4+的LED Voltage与图6所示的晶振片并联电容补偿电路的U22A的引脚1输出的
1K的电阻R138并联的0R电阻R142输出的LED Voltage连接。

[0033] LM339AD的引脚1OUT1、引脚2OUT2、引脚13OUT3以及引脚13OUT4分别并联接有发光二极管D18-D21以及4.7K的电阻R144-R147，引脚3VCC并联接入0.1uF的电容C10至接地，以及接入熔断器FB32后接电源AVCC12，引脚7IN1+、5IN2+、8IN3-、10IN4+分别并联有1k、10R、100K的电阻，用于分压，从下至上电压越来越大。

[0034] 上述各子电路的功能以及实现方法如下所述：

[0035] 所述模拟振荡电路包括如图1所示的AD8367自动增益放大器电路、如图2所示巴伦及变容二极管电路、如图3所示的反馈放大电路以及如图4所示的低通滤波电路，各部分的功能及实现方法介绍如下：

[0036] 上述四部分电路组合构成了一个闭环自激振荡系统。

[0037] 为使该电路起振必须同时满足两个条件，即振幅条件和相位条件。振幅条件要求振荡电路的闭环增益为1，相位条件要求振荡电路的闭环相位变化为0或2π的整数倍。

[0038] 在电路设计中我们使用了如图1所示的自动增益控制型放大器AD8367以及如图3所示运算放大器AD8000即反馈放大电路来保证振荡电路的闭环增益始终为1。

[0039] 利用AD8367的反相放大特性通过设计在石英晶振共振频率(5MHz)处相位变化为π的五阶贝塞尔低通滤波器来保证振荡电路的闭环相位变化始终为2π。

[0040] 此外，为使石英晶振在测量过程中始终保持在其串联共振频率上，我们还设计了如图2所示的镀膜晶振并联电容的抵销电路。

[0041] 此电路使用巴伦(T1，T2)及变容二极管(V1)，通过调节变容二极管两端的反向偏置电压消除镀膜石英晶振片的并联电容，使晶振稳定地工作在其串联谐振频率上。

[0042] 本发明的所述晶振片并联电容补偿及指示电路包括如图5所示的增益指示电压检测电路、如图6所示的晶振片并联电容补偿电路以及如图7所示的晶振片并联电容补偿状态指示电路。其中，所述晶振片并联电容补偿电路及所述晶振片并联电容补偿状态指示电路组成了闭环反馈系统；所述晶振片并联电容补偿及指示电路用于检测镀膜石英晶振片的并联电容，通过调整变容二极管的反向电压来抵消该并联电容并通过一组LED指示电容的抵消状态。

[0043] 晶振片并联电容补偿及指示电路是由增益指示电压检测电路，晶振片并联电容补偿电路及晶振片并联电容补偿状态指示电路组成的一个闭环反馈系统，各部分的功能及实现方法介绍如下：

[0044] 当测试环境变化时，镀膜晶振片并联电容变化会导致模拟振荡电路中自动增益放大器AD8367的增益发生变化，因此监测AD8367的增益指示电压Vagc即可得知晶振片并联电容的变化情况。

[0045] Vagc的变化幅度与增益成指数关系，晶振并联电容变化导致Vagc变化幅度很小，因此使用正弦调制技术对Vagc进行75Hz的频率调制，使用类似锁相放大的技术对微小的Vagc变化幅度进行检测。

[0046] 具体地，如图5所示，包含75Hz交流调制信号的增益指示电压Vagc经过OPA337放大之后进入由LMC6082组成的巴特沃斯带通滤波器，Vagc的交流分量经滤波放大后进入LM13700与6V的参考电压合成两路相位差为π的信号(LM13700M0OUT1，LM13700M0OUT2)，之后上述两路信号经模拟开关CD4052选通及通过图6所示的晶振片并联电容补偿电路AD822放大后驱动四个LED发光作为如图7所示的晶振片并联电容补偿状态指示电路的状态指示信号。

[0047] 当检测环境变化导致镀膜晶振片并联电容变化时，Vagc的信号变化经上述电路处理后最终表现为图7中D19及D20两个LED的熄灭及D18或D21其中之一的点亮，指示镀膜晶振片的并联电容发生了变化，需要进行补偿。此时我们通过调节图6中的电位器VR4使D19及D20重新点亮即可实现镀膜晶振片并联电容的补偿。

[0048] 本发明通过下述技术：

[0049] (1)利用变容二极管与镀膜晶振片并联并使之通过反相电流抵消晶振片并联电容的技术；

[0050] (2)利用调制—滤波技术精确检测镀膜晶振片并联电容变化的技术；

[0051] (3)利用自动增益放大器的增益指示电压实现镀膜晶振片并联电容闭环补偿及状态指示的技术；

[0052] 达到了以下有益效果：

[0053] (1)利用闭环反馈技术实现镀膜晶振片并联电容的抵消精度较高，有利于石英晶体微天平传感器在液相大阻尼环境下的应用；

[0054] (2)利用LED指示镀膜晶振片并联电容的抵消状态简单直观，便于测量操作。

[0055] 结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。