CN104807524A

CN104807524A - 振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路

Info

Publication number: CN104807524A
Application number: CN201510231234.1A
Authority: CN
Inventors: 张静; 莫志宏
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2035-05-08
Also published as: CN104807524B

Abstract

本发明申请公开了一种振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路，包括激励馈信模块和振幅调节模块形成的回路。激励馈信模块包括激励晶体放大器、电压跟随器、减法器、低通滤波器和自动增益控制放大器，振幅调节模块包括缓冲放大器、调压器和振幅放大器。本发明以回路自激振荡产生的正弦信号激励石英晶体使其谐振，提取晶体谐振频率信号Vf和等效电阻信号V_R并向外界馈送以供测量。数控调节调压器的分压比即可改变激励信号的幅度，实现对晶体振荡幅度的调节。

Description

振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路

技术领域

本发明涉及微质量测量技术，具体涉及一种振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路。

背景技术

石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)是一种非常灵敏的厚度剪切型压电传感器，对质量变化的实时检测极限可达纳克级水平，并可利用压电谐振和对晶体表面的修饰，来实现晶体表面的力学和化学的动态调节以及力学传感，在化学和微生物学等领域应用日益广泛。

目前商用QCM装置中，如美国Maxte公司的RQCM和PLO-10i，日本精工公司的QCM934以及美国Stanford Research Systems公司的QCM200等，其驱动测量皆基于锁相或自激式振荡电路，能测量石英晶体的谐振频率f和等效电阻R。但上述QCM都不能调节施加于石英晶体的激励信号强度，因此不能调节石英晶体的振荡幅度，无法调节石英晶体对于其上负载物的剪切力的大小，故而不能用于探查不同剪切力大小下晶体表面负载物的形态和力学响应，从而揭示其力学性质，深入研究分子或原子，微粒或生物微粒与石英晶体接触界面之间的相互作用。

为了实现振幅调节，剑桥（英国）阿库比奥有限公司的专利《分子相互作用的测量及应用》（ZL00806533.0），中国科学技术大学吴崑等人的专利《振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置》（ZL2006 2 0075035.2），都提出了可改变激励信号发生器输出幅值的锁相振荡QCM装置，但此二者不脱锁相振荡的固有局限：即需要一个用来产生激励信号的信号发生器，且要通过一个鉴相选频回路来不断修正该信号发生器输出信号的频率，使其锁定在石英晶体的谐振频率上，因此其电路比以石英晶体为选频器件的自激振荡电路复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路，其电路结构简单，且可数控调节石英晶体的振荡幅度，从而调节石英晶体对其表面负载物的剪切力的大小，用于研究不同剪切力下负载物的形态和力学性质。

本发明方案如下：振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路，包括石英晶体、振幅调节模块和激励馈信模块；所述振幅调节模块包括缓冲放大器、振幅放大器和调压器；所述激励馈信模块包括激励晶体放大器、电压跟随器、减法器、低通滤波器和自动增益控制放大器；

缓冲放大器的输出端接调压器的输入端，调压器的输出端接振幅放大器的输入端；振幅放大器的输出端分两路，分别接到激励晶体放大器的同相输入端和电压跟随器的同相输入端，石英晶体的工作电极接地，石英晶体的激励电极接激励晶体放大器的反相输入端，激励晶体放大器的输出端接减法器的同相输入端，电压跟随器的输出端接减法器的反相输入端，减法器的输出信号经过低通滤波器进入自动增益控制放大器的输入端，自动增益控制放大器输出的正弦信号进入缓冲放大器的输入端；振荡回路的谐振频率信号V_f和等效电阻信号V_R分别取自自动增益控制放大器的输出端和增益指示端。

本发明工作原理如下：1. 本发明的自激振荡回路的幅度平衡，即环路总增益为1，由能使信号绕回路一圈后电压归为1Vp-p的自动增益控制放大器来满足，回路的相位平衡，即环路总相移为360°的整数倍，则通过精心设计调压器、各放大器和低通滤波器的相移来满足，于是回路在上电时能够自激振荡产生正弦信号。本发明以石英晶体作为选频器件，与其所接激励晶体放大器一起构成了石英晶体滤波器，再加上低通滤波器对高频噪声的滤除，使得回路能够将正弦信号频率锁定在石英晶体的谐振频率上。

2.本发明通过激励馈信模块自激振荡产生的正弦信号激励石英晶体使之发生谐振，提取晶体谐振频率信号V_f和等效电阻信号V_R并向外界馈送以供测量。具体为：设计激励晶体放大器和电压跟随器，使经过它们的正弦信号的相移相等；于是，对于减法器而言，作被减数的是激励晶体放大器输出电压，作减数的是电压跟随器输出电压；因电压跟随器增益为1，所以减数等于激励晶体放大器同相端电压，于是减法器输出电压等于信号流经激励晶体放大器时获得的电压增量，其值与石英晶体等效电阻成反比（激励晶体放大器为同相放大器，且串联谐振时石英晶体相当于－端接地电阻）；减法器输出电压经过低通滤波器时的衰减程度为定值，故自动增益控制放大器的增益直接与石英晶体等效电阻相关，测量其增益指示端电压后可以算出等效电阻的大小。

3.本发明通过振幅调节模块改变激励信号的幅度，实现对晶体振幅的调节。具体为：自动增益控制放大器为缓冲放大器提供恒定的输出负载，其输出信号电压为定值，缓冲放大器和振幅放大器的增益亦为定值，且依据虚短原理，激励晶体放大器反相输入端电压等于其同相输入端电压，因此可以通过控制调压器的电压变化的比值来调节振幅放大器的输出电压，即调节施加到石英晶体激励电极的信号幅度，进而调节石英晶体的振幅。

本发明电路的信号流向为：自激振荡产生的正弦信号从自动增益控制放大器恒压输出后，经缓冲放大器，输入调压器的高端，分压调幅后从调压器的滑动输出端输往振幅放大器；幅值被振幅放大器放大一定倍率后，信号分为二路分别输入激励晶体放大器的同相端和电压跟随器的同相端；激励晶体放大器的输出信号接到减法器的同相端，作为被减数，电压跟随器的输出信号接到减法器的反相端，作为减数；减法器输出信号经低通滤波器滤波和调相，流回自动增益控制放大器输入端。

本发明的有益效果：与PLO-10i、QCM934、QCM200等商用石英晶体微天平装置相比，本发明电路增设振幅调节模块，因此具有它们所没有的晶体振幅调节能力。与背景中所述两个专利里的变振幅锁相振荡电路相比，本发明电路自激振荡产生激励信号并以石英晶体为选频器件，不需要外接信号发生器，也不需要专设的选频回路，结构简单、成本低。

本发明为石英晶体微天平建立了晶体振幅可调的驱动电路，通过调压器的分压比来调节石英晶体激励信号的幅度，进而调节石英晶体振荡于不同的幅度，并通过减法单元与自动增益控制放大器相结合来提取石英晶体等效电阻信号V_R和谐振频率信号V_f 供外界装置测量。因此，本发明可探查不同剪切力大小下晶体表面负载物的形态和力学响应，揭示其力学性质，深入研究分子或原子、微粒或生物微粒与石英晶体接触界面之间的相互作用。因此本发明可广泛应用在生物传感器、微观吸附/接触力学等诸多领域，尤其可以用于分子键裂扫描或细菌粘附能力测试等场合，具有较广阔的应用前景。

进一步，为了施加足够强的激励信号到石英晶体，振幅放大器包括一级振幅放大器和二级振幅放大器，调压器的滑动端接一级振幅放大器的输入端，一级振幅放大器的输出端接二级振幅放大器的输入端，二级振幅放大器的输出端分两路，分别接到激励晶体放大器的同相输入端和电压跟随器的同相输入端。

进一步，本发明的调压器为数字电位器。数字电位器具有数控分压的作用，对于兆赫兹级信号，随着控制分压比的数字代码的增大，数字电位器的相移发生周期性变化，本发明利用各周期中的同相点，实现数字电位器的等相移变(分压)比调幅；在特定增益范围内，有些集成运算放大器放大电路的相移不随输出电压的变化而改变，本发明借此可实现调幅时放大器相移不变，进而自激振荡回路的相位平衡不变，从而保证激励信号频率不受调幅影响。

进一步，还包括用于石英晶体谐振频率信号V_f的第一馈出电路和用于石英晶体等效电阻信号V_R的第二馈出电路；第一馈出电路包括第一放大器，第一放大器的同相输入端通过电阻接地并同时连接在自动增益控制放大器输出端和缓冲放大器的线路之间，第一放大器的反相输入端通过电阻接地并同时经反馈电阻连接第一放大器的输出端，第一放大器的输出端通过负载电阻接地并同时连接石英晶体谐振频率信号V_f的馈出端口；第二馈出电路包括第二放大器，第二放大器的同相输入端通过电阻接地，并与自动增益控制放大器增益指示端连接，第二放大器的反相输入端通过电阻接地，并经反馈电阻与第二放大器的输出端连接，第二放大器的输出端通过负载电阻接地，并与石英晶体等效电阻信号V_R的馈出端口连接。

附图说明

图1为本发明振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路的原理框图；

图2为本发明振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路的一种具体实施电路。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

本实施例中，放大器都采用集成运算放大器，自动增益控制放大器也称AGC放大器，本实施例均称AGC放大器，调压器可采用数字电位器、变压器或可控硅调压器等电压调节器件，本实施例以数字电位器为例，数字电位器用作数控分压，减法器采用差分放大器。

如图1所示，振幅调节模块包括缓冲放大器、振幅放大器和数字电位器；激励馈信模块包括激励晶体放大器、电压跟随器、减法器、低通滤波器和自动增益控制放大器。

缓冲放大器的输出端接数字电位器的高端（输入端），数字电位器的低端接地，数字电位器的滑动端（输出端）接振幅放大器的输入端；振幅放大器的输出端分两路，分别接到激励晶体放大器的同相输入端和电压跟随器的同相输入端，石英晶体的工作电极接地，石英晶体的激励电极接激励晶体放大器的反相输入端，激励晶体放大器的输出端接减法器的同相输入端，电压跟随器的输出端接减法器的反相输入端，减法器的输出信号经过低通滤波器进入自动增益控制放大器的输入端，自动增益控制放大器输出的正弦信号进入缓冲放大器的输入端；振荡回路的谐振频率信号V_f和等效电阻信号V_R分别取自自动增益控制放大器的输出端和增益指示端。

本实施例中，AGC放大器输出的正弦信号经缓冲放大器，输入数字电位器的高端，数字电位器的低端接地，经数字电位器分压后的信号从数字电位器的滑动端输出到第一振幅放大器的输入端，经第一振幅放大器放大后输出到第二振幅放大器的输入端，再经第二振幅放大器放大后分为两路，分别输入到激励晶体放大器的同相输入端和电压跟随器的同相输入端；

石英晶体工作电极接地、激励电极接激励晶体放大器的反相输入端，依据虚短原理，激励电极上电压与激励晶体放大器同相输入端相等。

激励晶体放大器输出信号用作减法器的同相输入信号，作为被减数，电压跟随器输出信号用作减法器的反相输入信号，作为减数，于是减法器输出信号电压与石英晶体等效电阻成反比；减法器输出信号经低通滤波器进入AGC放大器的输入端。

振荡回路的谐振频率信号V_f和等效电阻信号V_R分别取自AGC放大器U1的输出端和增益指示端，分别经信号第一馈出电路和第二馈出电路缓冲放大后馈送到外界用于检测。

图2是本发明实施例的具体电路图。在该电路中：

自动增益控制放大器U1选用美国ADI公司的AD8367型可变增益放大器，工作在自动增益控制模式。自动增益控制放大器U1的1、4、7、8、14脚接地，2脚接直流正5伏并通过1微法电解电容C1接地，3脚为输入端，接低通滤波器U10的输出端，5脚为增益指示端，接等效电阻信号V_R的第二馈出电路U12，且接6脚后一起通过0.1微法电容C5接地，9脚通过10纳法电容C6接地，10脚为输出端，通过0.1微法隔直电容C7接200欧姆电阻R4到地，并连接缓冲放大器U2和谐振频率信号V_f的第一馈出电路U11，11脚通过0.1微法电容C3接地并通过4.7欧姆电阻R3接直流正5伏，12脚通过0.1微法电容C2接地并通过4.7欧姆电阻R2接直流正5伏，13脚通过串联的10纳法电容C4和100欧姆电阻R1接地。

缓冲放大器U2采用美国ADI公司的AD826型集成双路运算放大器中的一路（U11用了另一路）。缓冲放大器U2的8脚接直流正12伏并通过10微法电解电容C8和0.1微法电容C9接地，3脚（同相输入端，即＋端）接前述0.1微法隔直电容C7，2脚（反相输入端，即－端）通过300欧姆电阻R5接地并经1千欧姆电阻R6与1脚（输出端）相接。

用作数控分压器的数字电位器U3采用ADI公司的AD5273型，其高端A到低端B的电阻为1千欧姆，2脚接地，3、4和5脚分别连对外接口Con1（片选信号、低电平有效）、Con2（串行数据输入）和Con3（串行时钟输入、正边沿触发），6脚接直流正5伏并通过1微法电解电容C12和0.1微法电容C13接地；8脚（高端A）经0.1微法隔直电容C10接到缓冲放大器U2的1脚（输出端）；1脚（低端B）通过0.1微法电容C11接地，并通过5.7千欧姆电阻R8接地，同时通过5.7千欧姆电阻R7接直流正5伏，这样低端B有了2.5伏的直流偏置（AD5273是单电源供电，输出电位不能为负），且对于兆赫兹级正弦信号相当于是接地的；7脚（滑动输出端W）与第一振幅放大器U4的3脚（＋端）相连。外界对数字电位器的数字式控制信号通过Con1、Con2、Con3这3个接口输入，实现对振幅的数控调节。

第一振幅放大器U4采用ADI公司的AD828型集成双路运算放大器中的一路（第二振幅放大器U5用了另一路），其8脚接直流正12伏并通过10微法电解电容C14和0.1微法电容C15接地， 2脚（－端）通过300欧姆电阻R9接地并经300欧姆电阻R10与1脚（输出端）相接。U4的增益A₄ = 1＋R10/ R9= 2。

第二振幅放大器U5的4脚接直流负12伏并通过10微法电解电容C18和0.1微法电容C17接地，其5脚（＋端）通过300欧姆电阻R11接地并经0.1微法隔直电容C16接到U4的1脚，其6脚（－端）通过750欧姆电阻R12接地并经750欧姆电阻R13与7脚（输出端）相接。U5的增益A₅ = 1＋R13/ R12= 2。

基频为10兆赫兹的石英晶体U6工作电极接地，激励电极接激励晶体放大器U7的6脚，即反相端。

激励晶体放大器U7选用ADI公司的AD828型集成双路运算放大器中的一路（电压跟随器U8用另一路），其4脚接直流负12伏并通过10微法电解电容C22和0.1微法电容C21接地， 5脚（＋端）接U8的3脚、并通过400欧姆电阻R15接地、还通过100欧姆电阻R14串接0.1微法隔直电容C19再接到U5的7脚，6脚（－端）接石英晶体U6的激励电极和12~50皮法可调电容C20、并通过150欧姆电阻R16与7脚（输出端）相接，C19和C20以它们不连运放的那一端相接。R14、R15、R16、C20和U7运放够成了运放支路补偿式的石英晶体静态电容补偿电路。U7的增益A₇ = 1＋R16/R = 1＋150/R，其中R为石英晶体串联谐振等效电阻。

电压跟随器U8的8脚接直流正12伏并通过10微法电解电容C24和0.1微法电容C23接地，3脚（＋端）连U7的5脚，其2脚（－端）通过150欧姆电阻R17接1脚（输出端）。U8的增益A₈ = 1。

用作减法器的差分放大器U9选用 ADI公司的AD828型集成双路运算放大器中的一路（U12用了另一路），其4脚接直流负12伏并通过10微法电解电容C26和0.1微法电容C25接地，其5脚（＋端）通过1千欧姆电阻R19接地并经1千欧姆电阻R18接到U7的7脚，其6脚（－端）通过1千欧姆电阻R21接7脚（输出端），并通过1千欧姆电阻R20接U8的1脚。

U6、U7、U8、U9的总增益A₆₇₈₉= A₇－A₈= 1＋150/R－1= 150/R。

低通滤波器U10是个RC低通滤波器。用示波器测得U1至U9的总相移（滞后）为306°，故U10需要实现54°的相位滞后来保证振荡回路的相位平衡。信号经138欧姆电阻R22后，通过201皮法电容C27接地，并经100欧姆电阻R23接207欧姆的U1输入电阻R_INPT后接地，AGC放大器U1的输入信号就是滤波后负载在R_INPT上的这部分。经仿真后知道，对于10兆赫兹正弦信号，U10的增益A₁₀= 0.29。

晶体谐振频率信号V_f的馈出电路U11为一个同相放大器，用的是ADI公司AD826型集成双路运算放大器中的一路（U2用了另一路），其4脚接直流负12伏并通过10微法电解电容C28和0.1微法电容C29接地，其5脚（＋端）通过200欧姆电阻R4接地、并经0.1微法隔直电容C7接U1的10脚，其6脚（－端）通过390欧姆电阻R24接地、并经590欧姆电阻R25接7脚（输出端），其7脚通过750欧姆电阻R26接地、并与信号Vf馈出端口Out1相连。U11的增益A11= 1＋R25/ R24 = 2.51 。

晶体等效电阻信号V_R的馈出电路U12为一个同相放大器，用的是ADI公司AD828型集成双路运算放大器中的一路（U9用了另一路），其8脚接直流正12伏并通过10微法电解电容C32和0.1微法电容C31接地，其3脚（＋端）通过0.1微法电容C30接地、并通过220欧姆电阻R27接U1的5脚，其2脚（－端）通过100欧姆电阻R28接地、并经200欧姆电阻R29接1脚（输出端），1脚通过160欧姆电阻R30接地、并与信号V_R馈出端口Out2相连。U12的增益A₁₂= 1＋R29/ R28= 3 。

电路中接正12伏、负12伏、正5伏的各引脚接通外界直流电源后，调C20，当其电容值与石英晶体静态电容之比等于R15/R14时，流经石英晶体静态电容和C20的电流大小相等、方向相反，该静态电容被补偿，振荡回路得以自激起振并稳定工作于石英晶体的串联谐振频率，因此外界装置可以通过测量晶体谐振频率信号V_f的频率而获得石英晶体的串联谐振频率f 。

因AGC放大器U1的输出电压为1V_p-p，有

V _w×A₄×A₅×A₆₇₈₉×A₁₀×A_agc= 1

即 V _w×2×2×150/R×0.29×A_agc= 1

其中，V _w是数字电位器U3的输出电压，为与数控代码对应的已知量，R是石英晶体的串联谐振等效电阻，A₄和A₅分别为第一振幅放大器U4和第二振幅放大器U5的增益（可见对石英晶体的激励电压为4V _w），A₆₇₈₉是U6、U7、U8、U9的总增益，是低通滤波器U10的增益，A_agc是AGC放大器U1的增益。

故有R = 174 V _w×A_agc

其中

A_agc =

V _gain为AGC放大器U1增益指示端（5脚）电压，而V_R= A₁₂×V _gain= 3V _gain，因此外界装置可以通过测量晶体等效电阻信号V_R推算出石英晶体的串联谐振等效电阻R 。

综上所述，本发明振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路，不但可以馈出石英晶体等效电阻信号V_R和谐振频率信号V_f供外界装置测量，实现前述商用QCM装置的功能，且结构比前述二专利的电路简单，降低成本。更重要的是它可以通过数控调节分压器的分压比来调节石英晶体激励信号的幅度，进而调节石英晶体振荡于不同的幅度，因此可以用于观测不同剪切力大小对晶体表面负载物的形态和力学性质的影响，深入揭示分子/原子之间、微粒/生物微粒与接触界面之间是如何相互作用的。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路，其特征在于，包括石英晶体、振幅调节模块和激励馈信模块；所述振幅调节模块包括缓冲放大器、振幅放大器和调压器；所述激励馈信模块包括激励晶体放大器、电压跟随器、减法器、低通滤波器和自动增益控制放大器；

2.根据权利要求1所述的振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路，其特征在于，所述的振幅放大器包括一级振幅放大器和二级振幅放大器，调压器的滑动端接一级振幅放大器的输入端，一级振幅放大器的输出端接二级振幅放大器的输入端，二级振幅放大器的输出端分两路，分别接到激励晶体放大器的同相输入端和电压跟随器的同相输入端。

3.根据权利要求1所述的振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路，其特征在于，所述的调压器为数字电位器。

4.根据权利要求1所述的振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路，其特征在于，还包括用于石英晶体谐振频率信号V_f的第一馈出电路和用于石英晶体等效电阻信号V_R的第二馈出电路；第一馈出电路包括第一放大器，第一放大器的同相输入端通过电阻接地并同时连接在自动增益控制放大器输出端和缓冲放大器的线路之间，第一放大器的反相输入端通过电阻接地并同时经反馈电阻连接第一放大器的输出端，第一放大器的输出端通过负载电阻接地并同时连接石英晶体谐振频率信号V_f的馈出端口；第二馈出电路包括第二放大器，第二放大器的同相输入端通过电阻接地，并与自动增益控制放大器增益指示端连接，第二放大器的反相输入端通过电阻接地，并经反馈电阻与第二放大器的输出端连接，第二放大器的输出端通过负载电阻接地，并与石英晶体等效电阻信号V_R的馈出端口连接。