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：

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在其表面的金屬電極構成。石英晶體具有逆壓電效應，即在石英晶體電極上施加交變電壓時，石英晶體就會發(fā)生同頻振動，當外加激勵電壓的頻率與石英晶體的固有振蕩頻率一致時，便產(chǎn)生共振，此時振幅最大，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，當石英晶振片表面吸附其它物質時，石英晶振片的固有頻率隨吸附質量的大小而改變，因而電路的共振頻率也隨之改變。為實現(xiàn)特異性檢測，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)諧振頻率來實現(xiàn)傳感檢測，石英晶振片并聯(lián)電容的存在會導致晶體振蕩頻率偏離其固有串聯(lián)諧振頻率，進而導致測量誤差的產(chǎn)生；尤其是鍍膜晶振片對檢測環(huán)境更加敏感，其并聯(lián)電容更易受到擾動，因此我們必須補償由晶振片并聯(lián)電容導致的檢測誤差才能利用石英晶體微天平傳感器實現(xiàn)精確的傳感測量。

技術實現(xiàn)要素：

本申請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)電容補償及指示電路，其特征在于：所述模擬振蕩電路由ad8367自動增益放大器電路、巴倫及變容二極管電路、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)電容補償及指示電路包括增益指示電壓檢測電路、晶振片并聯(lián)電容補償電路以及晶振片并聯(lián)電容補償狀態(tài)指示電路；所述晶振片并聯(lián)電容補償電路及所述晶振片并聯(lián)電容補償狀態(tài)指示電路組成的一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)；所述晶振片并聯(lián)電容補償及指示電路用于檢測鍍膜石英晶振片的并聯(lián)電容，通過調整變容二極管的反向電壓來抵消該并聯(lián)電容并通過一組led指示電容的抵消狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述ad8367自動增益放大器電路、巴倫及變容二極管電路、反饋放大電路及低通濾波電路構成閉環(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，所述振幅條件通過所述ad8367自動增益放大器電路以及運算放大器ad8000控制。

優(yōu)選地，所述相位條件通過利用ad8367的反相放大特性通過設計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，所述檢測鍍膜石英晶振片的并聯(lián)電容的方法為通過監(jiān)測ad8367自動增益放大器電路的增益指示電壓。

優(yōu)選地，所述監(jiān)測ad8367自動增益放大器電路的增益指示電壓的方法為使用正弦調制對增益指示電壓進行75hz的頻率調制，鎖相放大技術對增益指示電壓變化幅度進行檢測。

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等應用設計，受并聯(lián)電容的影響很小，故而沒有并聯(lián)電容的抵消及指示電路設計；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，這時并聯(lián)電容對測試結果影響很大，甚至導致晶振停止振蕩，必須實現(xiàn)并聯(lián)電容的補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在液相大阻尼環(huán)境下鍍膜晶振片并聯(lián)電容易受擾動進而導致測量結果出現(xiàn)誤差的問題，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確測量。

應當理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當用作對本發(fā)明所要求保護內容的限制。

附圖說明

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

圖1示出了ad8367自動增益放大器電路；

圖2示出了巴倫及變容二極管電路；

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電路；

圖6示出了晶振片并聯(lián)電容補償電路；

圖7示出了晶振片并聯(lián)電容補償狀態(tài)指示電路。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(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的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標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)電容補償及指示電路，所述模擬振蕩電路由ad8367自動增益放大器電路、巴倫及變容二極管電路、反饋放大電路及低通濾波電路組成；所述晶振片并聯(lián)電容補償及指示電路包括增益指示電壓檢測電路、晶振片并聯(lián)電容補償電路以及晶振片并聯(lián)電容補償狀態(tài)指示電路。上述各子電路的連接關系如下所述：

如圖1所示的ad8367自動增益放大器電路，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所示的巴倫及變容二極管電路的變壓器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所示的巴倫及變容二極管電路所示，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，運算放大器nc5的引腳3接有10r的電阻r11，其腳6通過接有0r的電阻r12輸出至ad8000out。

運算放大器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為滑動變阻器vr1，引腳1接4.7k的電阻r13，后通過滑動變阻器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，通過串聯(lián)電容c17、電阻r15，以及電感l(wèi)1和l2和電阻r16進行輸出，其中各接地端agnd與主線間并接有各個電容c18、c19、c20、c21、c22、c23，輸出端ad8367refin作為圖1所示的ad8367自動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電路，具體地，包含75hz交流調制信號的增益指示電壓vagc經(jīng)過opa337放大之后進入由lmc6082組成的巴特沃斯帶通濾波器，vagc的交流分量經(jīng)濾波放大后進入lm13700與6v的參考電壓合成兩路相位差為π的信號(lm13700m0out1，lm13700m0out2)，之后上述兩路信號經(jīng)模擬開關cd4052選通及通過晶振片并聯(lián)電容補償電路ad822放大后驅動四個led發(fā)光作為晶振片并聯(lián)電容補償狀態(tài)指示電路的狀態(tài)指示信號。

如圖6所示的晶振片并聯(lián)電容補償電路，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的巴倫及變容二極管電路的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，從下至上電壓越來越大。

上述各子電路的功能以及實現(xiàn)方法如下所述：

所述模擬振蕩電路包括如圖1所示的ad8367自動增益放大器電路、如圖2所示巴倫及變容二極管電路、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，各部分的功能及實現(xiàn)方法介紹如下：

上述四部分電路組合構成了一個閉環(huán)自激振蕩系統(tǒng)。

為使該電路起振必須同時滿足兩個條件，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。

在電路設計中我們使用了如圖1所示的自動增益控制型放大器ad8367以及如圖3所示運算放大器ad8000即反饋放大電路來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設計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，為使石英晶振在測量過程中始終保持在其串聯(lián)共振頻率上，我們還設計了如圖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)及變容二極管(v1)，通過調節(jié)變容二極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)電容補償及指示電路包括如圖5所示的增益指示電壓檢測電路、如圖6所示的晶振片并聯(lián)電容補償電路以及如圖7所示的晶振片并聯(lián)電容補償狀態(tài)指示電路。其中，所述晶振片并聯(lián)電容補償電路及所述晶振片并聯(lián)電容補償狀態(tài)指示電路組成了閉環(huán)反饋系統(tǒng)；所述晶振片并聯(lián)電容補償及指示電路用于檢測鍍膜石英晶振片的并聯(lián)電容，通過調整變容二極管的反向電壓來抵消該并聯(lián)電容并通過一組led指示電容的抵消狀態(tài)。

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

當測試環(huán)境變化時，鍍膜晶振片并聯(lián)電容變化會導致模擬振蕩電路中自動增益放大器ad8367的增益發(fā)生變化，因此監(jiān)測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)關系，晶振并聯(lián)電容變化導致vagc變化幅度很小，因此使用正弦調制技術對vagc進行75hz的頻率調制，使用類似鎖相放大的技術對微小的vagc變化幅度進行檢測。

具體地，如圖5所示，包含75hz交流調制信號的增益指示電壓vagc經(jīng)過opa337放大之后進入由lmc6082組成的巴特沃斯帶通濾波器，vagc的交流分量經(jīng)濾波放大后進入lm13700與6v的參考電壓合成兩路相位差為π的信號(lm13700m0out1，lm13700m0out2)，之后上述兩路信號經(jīng)模擬開關cd4052選通及通過圖6所示的晶振片并聯(lián)電容補償電路ad822放大后驅動四個led發(fā)光作為如圖7所示的晶振片并聯(lián)電容補償狀態(tài)指示電路的狀態(tài)指示信號。

當檢測環(huán)境變化導致鍍膜晶振片并聯(lián)電容變化時，vagc的信號變化經(jīng)上述電路處理后最終表現(xiàn)為圖7中d19及d20兩個led的熄滅及d18或d21其中之一的點亮，指示鍍膜晶振片的并聯(lián)電容發(fā)生了變化，需要進行補償。此時我們通過調節(jié)圖6中的電位器vr4使d19及d20重新點亮即可實現(xiàn)鍍膜晶振片并聯(lián)電容的補償。

本發(fā)明通過下述技術：

(1)利用變容二極管與鍍膜晶振片并聯(lián)并使之通過反相電流抵消晶振片并聯(lián)電容的技術；

(2)利用調制—濾波技術精確檢測鍍膜晶振片并聯(lián)電容變化的技術；

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

達到了以下有益效果：

(1)利用閉環(huán)反饋技術實現(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)境下的應用；

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

結合這里披露的本發(fā)明的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施例對于本領域技術人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權利要求所限定。