CN100447576C - 谐振式传感器的驱动及信号采集器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种谐振式传感器的驱动及信号采集器，它涉及能够实时测量阻抗频谱的电子器件，尤其是用于谐振式传感器的驱动及测量。整个驱动及信号采集器电路包括由DDS、AGC和Amp1组成的正弦信号产生电路1，由运算放大器、谐振式传感器(例如QCM)和参考电阻组成的谐振式传感器驱动电路2，由模拟乘法器、低通滤波器以及电平转换运算放大器组成的模拟信号采集和处理电路3，由多路开关、模数转换器和中央处理器组成的数字信号采集处理和控制电路4四部分。它是将正弦信号作用在两个反相比例电路上，驱动QCM振动；由反相比例电路的输出信号可得到QCM等效阻抗的幅值和相角。使作用在QCM上的电压保持恒定，简化了电路结构和后续计算，提高了速度，并且具有两种工作模式。

Description

谐振式传感器的驱动及信号采集器

技术领域

本发明涉及一种能够实时测量阻抗频谱的电子器件，尤其是用于谐振式传感器的驱动及测量。它是针对石英微天平(QCM)设计的，但也可用于其它类型的谐振传感器。

背景技术

石英微天平是在圆形AT切石英片的上下表面镀上圆形金电极构成的一种谐振式传感器。它具有结构简单，成本低，灵敏度高，可实时在线检测，在液相中振动损耗小等优点，在生物、化学、环保、食品等领域应用前景十分广泛。

目前，驱动QCM振动并采集其输出信号的方法主要有两种：(1)振荡电路的方法；(2)频谱分析的方法。振荡电路方法的基本原理为：将QCM接入自激振荡电路中，使其构成选频元件，电路的振荡频率等于QCM的谐振频率。通过电路振荡频率的变化可得到QCM谐振频率的变化，从而可推测待测物质性质的变化。频谱分析方法的基本原理为：扫描QCM在其谐振频率附近一段频率范围内的频谱(QCM等效阻抗的幅频和相频特性)，通过该频谱可得到QCM的谐振频率、Q值等等许多参数。与振荡电路的方法相比，频谱分析的主要优点有：在大阻尼介质中不会停振，测量结果信息量大，形象直观，计算解释容易。此外当QCM在液体中振荡时，QCM的输出信号会受到多种因素的影响，如：液体的粘度、密度、电导率、电极的表面粗糙度和亲水性等。通过频谱分析的输出可以有效地区分这些现象。最近虽有研究人员提出了用振荡电路同时测量谐振频率变化和Q值(或带宽、等效电阻、耗散)的变化来提高振荡电路性能的方法，但频谱分析方法由于上述的特有优点仍是不可替代的。

然而频谱分析方法所需的频谱分析仪体积庞大，价格昂贵，不适于实际生产中的应用，而且其实时性较差，不能发挥QCM实时测量的优势。

J.

等在论文中提出了一种用单片电路实现频谱分析的办法(Advancedinterface electronics and methods for QCM，Sensors and Actuators A.97-98(2002)543-547，J.

et.al)。其基本原理为(参见图1)：由逻辑单元阵列(Logic Cell Array，LCA)控制直接数字信号合成(DDS)芯片，DDS芯片产生的频率为f₀的正弦信号经低通滤波后，驱动由电阻Rs和QCM组成的串联电路，通过测量总驱动电压Vg和QCM上的分压Vq则可得到QCM等效阻抗的幅值和相角。取出的总驱动电压和QCM上的分压分别与另一个DDS发出的频率为f₀+10K的信号混频，并经低通滤波后，剩余两个频率为10K的信号。通过相位差检测电路即可得到这两个低频信号的相位差，相位差检测电路的核心是一个高速比较器。这两路低频信号再同时送往整流、滤波电路。通过滤波后得到的两路直流信号的幅值和前面得到的两个低频信号的相位差即可计算得到QCM等效阻抗的幅值和相角。LCA可通过DDS的控制字控制DDS产生的信号频率f₀，不断改变f₀即可得到不同频率下QCM等效阻抗的幅值和相角，即为QCM等效阻抗的幅频和相频特性。

J.

等所提出的QCM驱动及信号采集器虽然能用单片电路测得QCM的频谱，但还存在着如下缺点：

(1)、电路本身结构比较复杂。除去模拟开关、模数转换芯片ADC和控制电路等基本部分外，它共包括DDS芯片、混频器、精密整流电路各两个，还有六个截止频率不同的低通滤波器以及一个专用的相位差检测电路。电路的元器件较多。

(2)、数字信号所需的计算复杂。电路共得到三个数字信号，分别是：两个从ADC输出的与两路信号幅值相关的数字信号，一个由相位检测电路得到的数字信号。由于QCM的等效阻抗为复数，所以由两个从ADC输出的数字信号并不能直接得到等效阻抗的幅值；而从相位检测电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，必须通过这三个数字信号进行复杂的数学运算得到。

(3)、电路的速度还需进一步提高。

发明内容

本发明提出了另外一种可测量QCM等效阻抗频谱的谐振式传感器的驱动及信号采集器，可以解决上述问题。

本发明的技术解决方案如下：整个驱动及信号采集器电路包括正弦信号产生电路1、谐振式传感器驱动电路2、模拟信号采集和处理电路3、数字信号采集处理和控制电路4四部分；其中，正弦信号产生电路由直接数字信号合成芯片DDS、自动增益控制芯片AGC和电平及阻抗转换运算放大器Amp1组成；谐振式传感器驱动电路由运算放大器Amp2和Amp3、谐振式传感器(例如QCM)、参考电阻R1和R2和R3组成；模拟信号采集和处理电路由模拟乘法器MLPR1和MLPR2、低通滤波器LPF1和LPF2以及电平转换运算放大器Amp4和Amp5组成；数字信号采集处理和控制电路由多路开关MUX、模数转换器ADC和中央处理器CPU组成；DDS的输入端与CPU的控制端口相连；然后DDS、AGC和Amp1顺序相连；Amp1的输出端同时与谐振式传感器的输入端、R2的输入端相连；谐振式传感器及R2的输出端分别与Amp2、Amp3的反相输入端相连；Amp2、Amp3的同相端同时接地，参考电阻R1和R3则分别跨接在运算放大器Amp2和Amp3的输出端和反相输入端之间；Amp2、Amp3的输出端分别与模拟乘法器MLPR2的Y输入端和X输入端相连；而Amp2的输出端则还同时与模拟乘法器MLPR1的X输入端和Y输入端相连；两个模拟乘法器MLPR1和MLPR2的输出端分别与LPF1和Amp4、LPF2和Amp5顺序相连；Amp4、Amp5的输出端分别与多路开关MUX的两个不同输入端相连，而多路开关的两个相应的输出端接模数转换器ADC的模拟信号输入端；ADC的数字数据输出端口与中央处理器CPU的数字数据输入端口相连；CPU的控制端口还分别与多路开关MUX的通道选择端口和ADC的控制输入端相连。

本发明的工作过程如下：由中央处理器CPU向DDS芯片发出控制指令，使其产生正弦信号。DDS的输出信号经AGC和Amp1后输入两个由运算放大器Amp2、Amp3和相应的参考电阻搭成的反相比例电路。这两个反相比例电路的输出送入两个模拟乘法器MLPR1和MLPR2进行模拟信号处理。两个模拟乘法器的输出信号分别经低通滤波、电压放大后通过多路开关送入ADC。ADC接受控制CPU的控制，并将ADC转换的结果送入CPU。CPU最后将ADC输入的数字信号进行运算处理，还可以经PC接口送入PC机供进一步分析显示之用。

正弦信号产生电路由直接数字信号合成DDS、自动增益控制AGC和运放Amp1组成。DDS接受CPU的控制，产生频率可控的正弦信号；AGC调整DDS输出的信号使其输出信号的幅值始终保持为一个预定的值；Amp1则完成信号的电平和阻抗转换。由于信号产生部分增加了自动增益控制AGC使其产生的电压幅值保持恒定，且减小了待测信号的数目。

与J.等提出的电路不同，正弦信号产生电路输出的信号不是作用在QCM与电阻的串联电路上，再通过测量串联电路上的总电压及QCM上的分压来得到QCM等效阻抗的幅值和相角；而是将正弦信号作用在如图所示的两个反相比例电路上，驱动QCM振动。由两个反相比例电路的输出信号可得到QCM等效阻抗的幅值和相角。根据反相比例电路虚地的原理，作用在QCM上的电压始终保持为信号产生部分的输出电压与地之间的电压差。采用这种结构的好处是：

(1)、作用在QCM上的电压幅值保持恒定。

(2)、使后续的计算简单。

(3)、只通过一个反相比例电路的输出信号即可单独得到QCM等效阻抗的幅值(通过后面的计算将会得到此结论。)

模拟信号采集和处理部分的核心是两个模拟乘法器和两个低通滤波器。设信号产生电路的输出电压为：u＝u⁰cos(ωt)。则含有QCM的反相比例电路的输出为：

$u_1=-u^0\frac{R_1}{\left|Z\right|}\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})$

式中：R₁为参考电阻R₁的阻值，|Z|和φ分别为QCM的等效阻抗的幅值和相角。另一个反相比例电路的输出为：

$u_2=-u^0\frac{R_3}{R_2}\cos \mathrm{\ωt}$

式中：R₂、R₃分别为参考电阻R₂和R₃的阻值。

这两路信号被送入两个模拟乘法器。

乘法器1使QCM驱动部分中的包含QCM的反相比例电路输出的交流信号自乘，其输出为：

$u_{m1}={[-u^0\frac{R_1}{\left|Z\right|}\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})]}^2=\frac{1}{2}{\left(\frac{u^0{R}_1}{\left|Z\right|}\right)}^2[1+\cos (2\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\φ})];$

乘法器2将包含QCM的反相比例电路输出的交流信号与不包含QCM的反相比例电路输出的交流信号相乘，其输出为：

$u_{m2}={\left(u^0\right)}^2\frac{R_1{R}_3}{R_2\left|Z\right|}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})={\left(u^0\right)}^2\frac{R_1{R}_3}{2R_2\left|Z\right|}[\cos \mathrm{\φ}+\cos (2\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})];$

两路输出信号经低通滤波器LPF后的输出分别为： $u_{f1}=\frac{1}{2}{\left(\frac{u^0{R}_1}{\left|Z\right|}\right)}^2$ ......①；

和： $u_{f2}={\left(u^0\right)}^2\frac{R_1{R}_3}{2R_2\left|Z\right|}\cos \mathrm{\φ}$ ......②；

这两个直流信号经过放大器Amp4和Amp5的电压转换和多路开关被送往模数转换器ADC，AD转换的结果经CPU处理后，再送往PC机供分析、显示之用。

分析电路并整理①、②两式可得：

QCM等效阻抗的幅值： $\left|Z\right|=\frac{u^0{R}_1}{\sqrt{{2u}_{f1}}}$ ......③；

QCM等效阻抗的相角： $\mathrm{\φ}={\cos }^{-1}\frac{{2R}_2\left|Z\right|u_{f2}}{R_1{R}_3{\left(u^0\right)}^2}$ ......④；

上面两式中R₁、R₂、R₃和u⁰均为与电路参数有关的已知值。所以由采集的信号u_f1和u_f2，通过③、④两式即可分别计算得到QCM等效阻抗的幅值和相角。通过DDS改变产生的信号的频率，即可得到不同频率下QCM等效阻抗的幅值和相角，即QCM的频谱。

由③式可见，通过u_f1即可单独求出QCM等效阻抗的幅值，得到QCM的幅频特性曲线。因此本电路可以设定两种工作模式：1、使电路仅采集信号u_f1，从而可得到QCM的幅频特性曲线，由该曲线可以得到QCM的谐振频率(阻抗幅值最低点)、带宽、Q值等参数。由于这种模式只采集、处理一路信号，因此模式1工作速度较快。2、同时采集、处理两路信号u_f1和u_f2，从而可得到QCM的幅频特性和相频特性曲线。采用此模式可以得到QCM的最全面的信息，但它的工作速度较模式1慢。

与J.

等提出的方法相比，本发明的优点是十分明显的：

(1)、改进了电路的信号产生部分和信号作用在QCM上使其振动的方式。使作用在QCM上的电压保持恒定，简化了后续所需的计算，提高了速度，并使电路具有了快慢两种工作模式。

(2)、改进和简化了模拟信号采集和处理部分。如认为本电路中的乘法器与J.

所采用的混频器等价，则本电路中省掉了三个滤波器、两个精密整流器、一个DDS和相位检测电路，简化是十分明显的。且由于滤波电路会有延时作用，所以减少滤波电路可以提高速度。

附图说明

附图1为已有技术的电路原理图。

附图2为本发明的电路原理图。

附图3为本发明实施例的具体电路图(说明：为了清楚起见，在图中省略了一些非主要元件，如：电源的退耦电容，集成电路的配置元件等；由于DSP的引脚很多，所以与本发明功能不相关的引脚也未画出。此类省略的元件和引脚的具体数值和连接方式均可在相应元件的数据手册上找到)。

具体实施方式

下面结合附图(图2、3)对本发明做一个详细的说明：在本发明的具体实施例中，QCM的基频(Fundamental Frequency)为5MHz。DDS芯片使用了AD9835，自动增益控制则由AD8367搭建而成。AD8367是片上集成平方律探测器(Square-Law Detector)的可变增益放大器，运用该芯片可以方便的搭成自动增益控制放大器AGC。乘法器则采用了AD835。CPU采用了DSP芯片TMS320F2810，由于这款DSP芯片自带16路的12位AD转换电路，因此在实施例中实际上省掉了原理图中的多路开关和模数转换器。谐振式传感器驱动及信号采集器与PC机之间的通讯是通过并行口来实现的，选用的并口工作模式为PS/2模式。经验证实施例电路在模式1下工作时，采集一个频率点的数据最多需0.5ms，而在模式2下最多需0.8ms。两种模式的性能均高于J.

等提出的电路的性能(至少1ms)。

本发明提出的传感器驱动及信号采集器也适用于其它类型的谐振式传感器。对于谐振频率低于10MHz的谐振传感器[如：音叉、扭转谐振传感器、悬臂梁谐振传感器、低频振膜谐振传感器、磁致伸缩谐振传感器、低频弯板波(Flexural Plate Wave，FPW)传感器等]，上述实施例所提出的电路可以不加改动的直接应用。对于谐振频率大于10MHz，而小于50MHz的谐振传感器[如：声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)传感器、高频FPW传感器、高频振膜谐振传感器、声平板模(Acoustic Plate Mode，APM)传感器、磁声谐振传感器(Magnetic-acoustic-resonator sensors，MARS)等]，则具体电路中所选用的芯片、元件等与上述实施例有所不同。例如，电路中的DDS应选用采样频率更高的芯片，乘法器和运放器的压摆率(Slew Rate)和单位增益带宽(Gain BandwidthProduct)等动态指标满足高频应用的要求。

Claims (1)

1、一种谐振式传感器的驱动及信号采集器，其特征在于：整个驱动及信号采集器电路包括正弦信号产生电路(1)、谐振式传感器驱动电路(2)、模拟信号采集和处理电路(3)、数字信号采集处理和控制电路(4)四部分；其中，正弦信号产生电路由直接数字信号合成芯片DDS、自动增益控制芯片AGC和电平及阻抗转换运算放大器Amp1组成；谐振式传感器驱动电路由运算放大器Amp2和Amp3、谐振式传感器、参考电阻R1和R2和R3组成；模拟信号采集和处理电路由模拟乘法器MLPR1和MLPR2、低通滤波器LPF1和LPF2以及电平转换运算放大器Amp4和Amp5组成；数字信号采集处理和控制电路由多路开关MUX、模数转换器ADC和中央处理器CPU组成；DDS的输入端与CPU的控制端口相连；然后DDS、AGC和Amp1顺序相连；Amp1的输出端同时与谐振式传感器的输入端、R2的输入端相连；谐振式传感器的输出端与Amp2的反相输入端相连，R2的输出端与Amp3的反相输入端相连；Amp2、Amp3的同相输入端同时接地，参考电阻R1跨接在运算放大器Amp2的输出端和反相输入端之间，参考电阻R3跨接在运算放大器Amp3的输出端和反相输入端之间；Amp2的输出端与模拟乘法器MLPR2的Y输入端相连，Amp3的输出端与模拟乘法器MLPR2的X输入端相连；而Amp2的输出端则还同时与模拟乘法器MLPR1的X输入端和Y输入端相连；模拟乘法器MLPR1的输出端与LPF1和Amp4顺序相连，模拟乘法器MLPR2的输出端与LPF2和Amp5顺序相连；Amp4的输出端与多路开关MUX的一个输入端相连，Amp5的输出端与多路开关MUX的另一个输入端相连，而多路开关的两个相应的输出端接模数转换器ADC的模拟信号输入端；ADC的数字数据输出端口与中央处理器CPU的数字数据输入端口相连；CPU的控制端口还分别与多路开关MUX的通道选择端口和ADC的控制输入端相连。

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