專(zhuān)利名稱(chēng)：諧振式傳感器的驅(qū)動(dòng)及信號(hào)采集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量阻抗頻譜的電子器件，尤其是用于諧振式傳感器的驅(qū)動(dòng)及測(cè)量。它是針對(duì)石英微天平(QCM)設(shè)計(jì)的，但也可用于其它類(lèi)型的諧振傳感器。
背景技術(shù)：
石英微天平是在圓形AT切石英片的上下表面鍍上圓形金電極構(gòu)成的一種諧振式傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，靈敏度高，可實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)，在液相中振動(dòng)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，在生物、化學(xué)、環(huán)保、食品等領(lǐng)域應(yīng)用前景十分廣泛。
目前，驅(qū)動(dòng)QCM振動(dòng)并采集其輸出信號(hào)的方法主要有兩種(1)振蕩電路的方法；(2)頻譜分析的方法。振蕩電路方法的基本原理為將QCM接入自激振蕩電路中，使其構(gòu)成選頻元件，電路的振蕩頻率等于QCM的諧振頻率。通過(guò)電路振蕩頻率的變化可得到QCM諧振頻率的變化，從而可推測(cè)待測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的變化。頻譜分析方法的基本原理為掃描QCM在其諧振頻率附近一段頻率范圍內(nèi)的頻譜(QCM等效阻抗的幅頻和相頻特性)，通過(guò)該頻譜可得到QCM的諧振頻率、Q值等等許多參數(shù)。與振蕩電路的方法相比，頻譜分析的主要優(yōu)點(diǎn)有在大阻尼介質(zhì)中不會(huì)停振，測(cè)量結(jié)果信息量大，形象直觀，計(jì)算解釋容易。此外當(dāng)QCM在液體中振蕩時(shí)，QCM的輸出信號(hào)會(huì)受到多種因素的影響，如液體的粘度、密度、電導(dǎo)率、電極的表面粗糙度和親水性等。通過(guò)頻譜分析的輸出可以有效地區(qū)分這些現(xiàn)象。最近雖有研究人員提出了用振蕩電路同時(shí)測(cè)量諧振頻率變化和Q值(或帶寬、等效電阻、耗散)的變化來(lái)提高振蕩電路性能的方法，但頻譜分析方法由于上述的特有優(yōu)點(diǎn)仍是不可替代的。
然而頻譜分析方法所需的頻譜分析儀體積龐大，價(jià)格昂貴，不適于實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，而且其實(shí)時(shí)性較差，不能發(fā)揮QCM實(shí)時(shí)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。
J.Schrder等在論文中提出了一種用單片電路實(shí)現(xiàn)頻譜分析的辦法(Advancedinterface electronics and methods for QCM，Sensors and Actuators A.97-98(2002)543-547，J.Schrder et.al)。其基本原理為(參見(jiàn)圖1)由邏輯單元陣列(Logic Cell Array，LCA)控制直接數(shù)字信號(hào)合成(DDS)芯片，DDS芯片產(chǎn)生的頻率為f0的正弦信號(hào)經(jīng)低通濾波后，驅(qū)動(dòng)由電阻Rs和QCM組成的串聯(lián)電路，通過(guò)測(cè)量總驅(qū)動(dòng)電壓Vg和QCM上的分壓Vq則可得到QCM等效阻抗的幅值和相角。取出的總驅(qū)動(dòng)電壓和QCM上的分壓分別與另一個(gè)DDS發(fā)出的頻率為f0+10K的信號(hào)混頻，并經(jīng)低通濾波后，剩余兩個(gè)頻率為10K的信號(hào)。通過(guò)相位差檢測(cè)電路即可得到這兩個(gè)低頻信號(hào)的相位差，相位差檢測(cè)電路的核心是一個(gè)高速比較器。這兩路低頻信號(hào)再同時(shí)送往整流、濾波電路。通過(guò)濾波后得到的兩路直流信號(hào)的幅值和前面得到的兩個(gè)低頻信號(hào)的相位差即可計(jì)算得到QCM等效阻抗的幅值和相角。LCA可通過(guò)DDS的控制字控制DDS產(chǎn)生的信號(hào)頻率f0，不斷改變f0即可得到不同頻率下QCM等效阻抗的幅值和相角，即為QCM等效阻抗的幅頻和相頻特性。
J.Schrder等所提出的QCM驅(qū)動(dòng)及信號(hào)采集器雖然能用單片電路測(cè)得QCM的頻譜，但還存在著如下缺點(diǎn)(1)、電路本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。除去模擬開(kāi)關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC和控制電路等基本部分外，它共包括DDS芯片、混頻器、精密整流電路各兩個(gè)，還有六個(gè)截止頻率不同的低通濾波器以及一個(gè)專(zhuān)用的相位差檢測(cè)電路。電路的元器件較多。
(2)、數(shù)字信號(hào)所需的計(jì)算復(fù)雜。電路共得到三個(gè)數(shù)字信號(hào)，分別是兩個(gè)從ADC輸出的與兩路信號(hào)幅值相關(guān)的數(shù)字信號(hào)，一個(gè)由相位檢測(cè)電路得到的數(shù)字信號(hào)。由于QCM的等效阻抗為復(fù)數(shù)，所以由兩個(gè)從ADC輸出的數(shù)字信號(hào)并不能直接得到等效阻抗的幅值；而從相位檢測(cè)電路得到的相位差也并不是等效阻抗的相角。要得到QCM等效阻抗的幅值和相角，必須通過(guò)這三個(gè)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算得到。
(3)、電路的速度還需進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了另外一種可測(cè)量QCM等效阻抗頻譜的諧振式傳感器的驅(qū)動(dòng)及信號(hào)采集器，可以解決上述問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下整個(gè)驅(qū)動(dòng)及信號(hào)采集器電路包括正弦信號(hào)產(chǎn)生電路1、傳感器驅(qū)動(dòng)電路2、模擬信號(hào)采集和處理電路3、數(shù)字信號(hào)采集處理和控制電路4四部分。其中，正弦信號(hào)產(chǎn)生電路由直接數(shù)字信號(hào)合成芯片DDS、自動(dòng)增益控制芯片AGC和電平及阻抗轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器Amp1組成；傳感器驅(qū)動(dòng)電路由運(yùn)算放大器Amp2和Amp3、傳感器(例如QCM)、參考電阻R1和R2和R3組成；模擬信號(hào)采集和處理電路由模擬乘法器MLPR1和MLPR2、低通濾波器LPF1和LPF2以及電平轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器Amp4和Amp5組成；數(shù)字信號(hào)采集處理和控制電路由多路開(kāi)關(guān)MUX、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和中央處理器CPU組成。DDS的輸入端與CPU的控制端口相連；然后DDS、AGC和Amp1順序相連；Amp1的輸出端同時(shí)與傳感器的輸入端、R2的輸入端相連；傳感器及R2的輸出端分別與Amp2、Amp3的反相輸入端相連；Amp2、Amp3的同相端同時(shí)接地，參考電阻R2和R3則分別跨接在運(yùn)算放大器Amp2和Amp3的輸出端和反相輸入端之間；Amp2、Amp3的輸出端分別與乘法器MLPR2的Y輸入端和X輸入端相連；而Amp2的輸出端則還同時(shí)與乘法器MLPR1的X輸入端和Y輸入端相連；兩個(gè)模擬乘法器MLPR1和MLPR2的輸出端分別與LPF1和Amp4、LPF2和Amp5順序相連；Amp4、Amp5的輸出端分別與多路開(kāi)關(guān)MUX的兩個(gè)不同輸入端相連，而多路開(kāi)關(guān)的兩個(gè)相應(yīng)的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的模擬信號(hào)輸入端；ADC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出端口與中央處理器CPU的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入端口相連；CPU的控制端口還分別與多路開(kāi)關(guān)MUX的通道選擇端口和ADC的控制輸入端相連。
本發(fā)明的工作過(guò)程如下由中央處理器CPU向DDS芯片發(fā)出控制指令，使其產(chǎn)生正弦信號(hào)。DDS的輸出信號(hào)經(jīng)AGC和Amp1后輸入兩個(gè)由運(yùn)算放大器Amp2、Amp3和相應(yīng)的參考電阻搭成的反相比例電路。這兩個(gè)反相比例電路的輸出送入兩個(gè)模擬乘法器MLPR1和MLPR2進(jìn)行模擬信號(hào)處理。兩個(gè)模擬乘法器的輸出信號(hào)分別經(jīng)低通濾波、電壓放大后通過(guò)多路開(kāi)關(guān)送入ADC。ADC接受控制CPU的控制，并將ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入CPU。CPU最后將ADC輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，還可以經(jīng)PC接口送入PC機(jī)供進(jìn)一步分析顯示之用。
正弦信號(hào)產(chǎn)生電路由直接數(shù)字信號(hào)合成DDS、自動(dòng)增益控制AGC和運(yùn)放Amp1組成。DDS接受CPU的控制，產(chǎn)生頻率可控的正弦信號(hào)；AGC調(diào)整DDS輸出的信號(hào)使其輸出信號(hào)的幅值始終保持為一個(gè)預(yù)定的值；Amp1則完成信號(hào)的電平和阻抗轉(zhuǎn)換。由于信號(hào)產(chǎn)生部分增加了自動(dòng)增益控制AGC使其產(chǎn)生的電壓幅值保持恒定，且減小了待測(cè)信號(hào)的數(shù)目。
與J.Schrder等提出的電路不同，正弦信號(hào)產(chǎn)生電路輸出的信號(hào)不是作用在QCM與電阻的串聯(lián)電路上，再通過(guò)測(cè)量串聯(lián)電路上的總電壓及QCM上的分壓來(lái)得到QCM等效阻抗的幅值和相角；而是將正弦信號(hào)作用在如圖所示的兩個(gè)反相比例電路上，驅(qū)動(dòng)QCM振動(dòng)。由兩個(gè)反相比例電路的輸出信號(hào)可得到QCM等效阻抗的幅值和相角。根據(jù)反相比例電路虛地的原理，作用在QCM上的電壓始終保持為信號(hào)產(chǎn)生部分的輸出電壓與地之間的電壓差。采用這種結(jié)構(gòu)的好處是(1)、作用在QCM上的電壓幅值保持恒定。
(2)、使后續(xù)的計(jì)算簡(jiǎn)單。
(3)、只通過(guò)一個(gè)反相比例電路的輸出信號(hào)即可單獨(dú)得到QCM等效阻抗的幅值(通過(guò)后面的計(jì)算將會(huì)得到此結(jié)論。)模擬信號(hào)采集和處理部分的核心是兩個(gè)模擬乘法器和兩個(gè)低通濾波器。設(shè)信號(hào)產(chǎn)生電路的輸出電壓為u＝u0cos(ωt)。則含有QCM的反相比例電路的輸出為u1=-u0R1|Z|cos(ωt-φ)]]>式中R1為參考電阻R1的阻值，|Z|和φ分別為QCM的等效阻抗的幅值和相角。另一個(gè)反相比例電路的輸出為u2=-u0R3R2cosωt]]>式中R2、R3分別為參考電阻R2和R2的阻值。
這兩路信號(hào)被送入兩個(gè)模擬乘法器。
乘法器1使QCM驅(qū)動(dòng)部分中的包含QCM的反相比例電路輸出的交流信號(hào)自乘，其輸出為um1=[-u0R1|Z|cos(ωt-φ)]2=12(u0R1|Z|)2[1+cos(2ωt-2φ)];]]>乘法器2將包含QCM的反相比例電路輸出的交流信號(hào)與不包含QCM的反相比例電路輸出的交流信號(hào)相乘，其輸出為um2=(u0)2R1R3R2|Z|cos(ωt)cos(ωt-φ)=(u0)2R1R32R2|Z|[cosφ+cos(2ωt-φ)];]]>兩路輸出信號(hào)經(jīng)低通濾波器LPF后的輸出分別為uf1=12(u0R1|Z|)2...(1);]]>和uf2=(u0)2R1R32R2|Z|cosφ...(2);]]>這兩個(gè)直流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器Amp4和Amp5的電壓轉(zhuǎn)換和多路開(kāi)關(guān)被送往模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果經(jīng)CPU處理后，再送往PC機(jī)供分析、顯示之用。
分析電路并整理①、②兩式可得QCM等效阻抗的幅值|Z|=u0R12uf1...(3)]]>QCM等效阻抗的相角φ=cos-12R2|Z|uf2R1R3(u0)2...(4)]]>上面兩式中R1、R2、R3和u0均為與電路參數(shù)有關(guān)的已知值。所以由采集的信號(hào)uf1和uf2，通過(guò)③、④兩式即可分別計(jì)算得到QCM等效阻抗的幅值和相角。通過(guò)DDS改變產(chǎn)生的信號(hào)的頻率，即可得到不同頻率下QCM等效阻抗的幅值和相角，即QCM的頻譜。
由③式可見(jiàn)，通過(guò)uf1即可單獨(dú)求出QCM等效阻抗的幅值，得到QCM的幅頻特性曲線(xiàn)。因此本電路可以設(shè)定兩種工作模式1、使電路僅采集信號(hào)uf1，從而可得到QCM的幅頻特性曲線(xiàn)，由該曲線(xiàn)可以得到QCM的諧振頻率(阻抗幅值最低點(diǎn))、帶寬、Q值等參數(shù)。由于這種模式只采集、處理一路信號(hào)，因此模式1工作速度較快。2、同時(shí)采集、處理兩路信號(hào)uf1和uf2，從而可得到QCM的幅頻特性和相頻特性曲線(xiàn)。采用此模式可以得到QCM的最全面的信息，但它的工作速度較模式1慢。
與J.Schrder等提出的方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的(1)、改進(jìn)了電路的信號(hào)產(chǎn)生部分和信號(hào)作用在QCM上使其振動(dòng)的方式。使作用在QCM上的電壓保持恒定，簡(jiǎn)化了后續(xù)所需的計(jì)算，提高了速度，并使電路具有了快慢兩種工作模式。
(2)、改進(jìn)和簡(jiǎn)化了模擬信號(hào)采集和處理部分。如認(rèn)為本電路中的乘法器與J.Schrder所采用的混頻器等價(jià)，則本電路中省掉了三個(gè)濾波器、兩個(gè)精密整流器、一個(gè)DDS和相位檢測(cè)電路，簡(jiǎn)化是十分明顯的。且由于濾波電路會(huì)有延時(shí)作用，所以減少濾波電路可以提高速度。


附圖1為已有技術(shù)的電路原理圖。
附圖2為本發(fā)明的電路原理圖。
附圖3為本發(fā)明實(shí)施例的具體電路圖(說(shuō)明為了清楚起見(jiàn)，在圖中省略了一些非主要元件，如電源的退耦電容，集成電路的配置元件等；由于DSP的引腳很多，所以與本發(fā)明功能不相關(guān)的引腳也未畫(huà)出。此類(lèi)省略的元件和引腳的具體數(shù)值和連接方式均可在相應(yīng)元件的數(shù)據(jù)手冊(cè)上找到)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖(圖2、3)對(duì)本發(fā)明做一個(gè)詳細(xì)的說(shuō)明在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，QCM的基頻(Fundamental Frequency)為5MHz。DDS芯片使用了AD9835，自動(dòng)增益控制則由AD8367搭建而成。AD8367是片上集成平方律探測(cè)器(Square-Law Detector)的可變?cè)鲆娣糯笃?，運(yùn)用該芯片可以方便的搭成自動(dòng)增益控制放大器AGC。乘法器則采用了AD835。CPU采用了DSP芯片TMS320F2810，由于這款DSP芯片自帶16路的12位AD轉(zhuǎn)換電路，因此在實(shí)施例中實(shí)際上省掉了原理圖中的多路開(kāi)關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。諧振式傳感器驅(qū)動(dòng)及信號(hào)采集器與PC機(jī)之間的通訊是通過(guò)并行口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，選用的并口工作模式為PS/2模式。經(jīng)驗(yàn)證實(shí)施例電路在模式1下工作時(shí)，采集一個(gè)頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)最多需0.5ms，而在模式2下最多需0.8ms。兩種模式的性能均高于J.Schrder等提出的電路的性能(至少1ms)。
本發(fā)明提出的傳感器驅(qū)動(dòng)及信號(hào)采集器也適用于其它類(lèi)型的諧振式傳感器。對(duì)于諧振頻率低于10MHz的諧振傳感器[如音叉、扭轉(zhuǎn)諧振傳感器、懸臂梁諧振傳感器、低頻振膜諧振傳感器、磁致伸縮諧振傳感器、低頻彎板波(Flexural Plate Wave，F(xiàn)PW)傳感器等]，上述實(shí)施例所提出的電路可以不加改動(dòng)的直接應(yīng)用。對(duì)于諧振頻率大于10MHz，而小于50MHz的諧振傳感器[如聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)傳感器、高頻FPW傳感器、高頻振膜諧振傳感器、聲平板模(Acoustic Plate Mode，APM)傳感器、磁聲諧振傳感器(Magnetic-acoustic-resonator sensors，MARS)等]，則具體電路中所選用的芯片、元件等與上述實(shí)施例有所不同。例如，電路中的DDS應(yīng)選用采樣頻率更高的芯片，乘法器和運(yùn)放器的壓擺率(Slew Rate)和單位增益帶寬(Gain BandwidthProduct)等動(dòng)態(tài)指標(biāo)滿(mǎn)足高頻應(yīng)用的要求。
權(quán)利要求
1.一種諧振式傳感器的驅(qū)動(dòng)及信號(hào)采集器，其特征在于整個(gè)驅(qū)動(dòng)及信號(hào)采集器電路包括正弦信號(hào)產(chǎn)生電路(1)、傳感器驅(qū)動(dòng)電路(2)、模擬信號(hào)采集和處理電路(3)、數(shù)字信號(hào)采集處理和控制電路(4)四部分。其中，正弦信號(hào)產(chǎn)生電路由直接數(shù)字信號(hào)合成芯片DDS、自動(dòng)增益控制芯片AGC和電平及阻抗轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器Amp1組成；傳感器驅(qū)動(dòng)電路由運(yùn)算放大器Amp2和Amp3、傳感器、參考電阻R1和R2和R3組成；模擬信號(hào)采集和處理電路由模擬乘法器MLPR1和MLPR2、低通濾波器LPF1和LPF2以及電平轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器Amp4和Amp5組成；數(shù)字信號(hào)采集處理和控制電路由多路開(kāi)關(guān)MUX、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和中央處理器CPU組成。DDS的輸入端與CPU的控制端口相連；然后DDS、AGC和Amp1順序相連；Amp1的輸出端同時(shí)與傳感器的輸入端、R2的輸入端相連；傳感器及R2的輸出端分別與Amp2、Amp3的反相輸入端相連；Amp2、Amp3的同相端同時(shí)接地，參考電阻R2和R3則分別跨接在運(yùn)算放大器Amp2和Amp3的輸出端和反相輸入端之間；Amp2、Amp3的輸出端分別與乘法器MLPR2的Y輸入端和X輸入端相連；而Amp2的輸出端則還同時(shí)與乘法器MLPR1的X輸入端和Y輸入端相連；兩個(gè)模擬乘法器MLPR1和MLPR2的輸出端分別與LPF1和Amp4、LPF2和Amp5順序相連；Amp4、Amp5的輸出端分別與多路開(kāi)關(guān)MUX的兩個(gè)不同輸入端相連，而多路開(kāi)關(guān)的兩個(gè)相應(yīng)的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的模擬信號(hào)輸入端；ADC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出端口與中央處理器CPU的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入端口相連；CPU的控制端口還分別與多路開(kāi)關(guān)MUX的通道選擇端口和ADC的控制輸入端相連。
全文摘要
本發(fā)明是一種諧振式傳感器的驅(qū)動(dòng)及信號(hào)采集器，它涉及能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量阻抗頻譜的電子器件，尤其是用于諧振式傳感器的驅(qū)動(dòng)及測(cè)量。整個(gè)驅(qū)動(dòng)及信號(hào)采集器電路包括由DDS、AGC和Amp1組成的正弦信號(hào)產(chǎn)生電路1，由運(yùn)算放大器、傳感器(例如QCM)和參考電阻組成的傳感器驅(qū)動(dòng)電路2，由模擬乘法器、低通濾波器以及電平轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器組成的模擬信號(hào)采集和處理電路3，由多路開(kāi)關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和中央處理器組成的數(shù)字信號(hào)采集處理和控制電路4四部分。它是將正弦信號(hào)作用在兩個(gè)反相比例電路上，驅(qū)動(dòng)QCM振動(dòng)；由反相比例電路的輸出信號(hào)可得到QCM等效阻抗的幅值和相角。使作用在QCM上的電壓保持恒定，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)和后續(xù)計(jì)算，提高了速度，并且具有兩種工作模式。
文檔編號(hào)G01R31/00GK1635387SQ20031011284
公開(kāi)日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2003年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者常浩, 王琪民, 蔣海峰, 張培仁 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)