CN104811158A - 一种压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计方法，将压电体声波谐振式传感器的驱动电路进行模块化拆分成不同功能的电路网络，包括有源网络、正反馈控制网络及输出网络。本发明的实质是：基于电路电网络理论，利用电网络的参数可测量性，采用理论计算和实际测量相结合进行设计。本发明不需要对具体的器件进行建模，而是通过实际电网络测量去修正(调整)电路参数。在设计过程中，将复杂的非线性电路，拆分成线性电路，应用线性网络理论就可以进行理论计算，大大减小了调试工作量和调试时间。因此，本发明所述设计方法可以简化设计过程，提高设计效率，减小工作量。

Description

一种压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计方法。

背景技术

压电体声波谐振式传感器(简称为压电体声波谐振器)，由压电材料制成，包括石英、陶瓷、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。主要原理是：压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力以及能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。

由于压电体声波谐振式传感器是一种利用压电效应将其表面受到的剪切应力或者压力转换成频率的器件，它能将交变电场转换为机械振动；反过来，由于反压电效应的存在，它也能将变化的机械力转换为交变的电场。当交变电场的频率等于其固有谐振频率时，压电体声波谐振式传感器将会发生谐振而输出稳定的频率。为此，要想驱动压电体声波谐振式传感器，获得稳定的输出频率信号及其他良好的电性能指标，必须要给其设计合适的驱动电路。

目前，基于压电体声波谐振式传感器的驱动电路基本是直接采用振荡器电路形式，以传统的电容三点式和电感三点式振荡电路为代表。

Driscoll于1973年提出了一种串联驱动电路(见参考文献：MICHAEL M.DRISCOLL，Two-Stage Self-Limiting Series Mode Type Quartz-Crystal OscillatorExhibiting Improved Short-Term Frequency Stability，IEEE TRANSACTIONS ONINSTRUMENTATION AND MEASUREMENT,VOL.IM-22,NO.2,JUNE 1973)。1983年，巴特勒提出了一种串联型驱动电路形式(Matthys,R.Crystal OscillatorsCircuits First edition,Ed.John Wiley&Sons,ISBN 0-471-87401-9,1983。赵声衡著，湖南大学出版社，《石英晶体振荡器》)。后来，又有一些研究人员提出了一些新的电路，但是他们都是直接给出了具体的电路形式，并没有给出所给电路的具体设计过程和方法，(L.Rodríguez-Pardo,J.C.Gabrielli,H.Perrot and R.Brendel,Quartz crystal oscillator circuit for high resolution microgravimetric sensorsin fluids,Electronic Letters 42(18),1065-1067,2006.L.Rodríguez-Pardo,J.C.Gabrielli,H.Perrot and R.Brendel,TSM-AW sensors based on Miller XCOs formicrogravimetric measurements in liquid media,IEEE Transactions oninstrumentation and measurement,57(10),2309-2319,2008.L.Bruschi,G.Delfitto,and G.Mistura，Inexpensive but accurate driving circuits for quartz crystalmicrobalances，REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME 70,NUMBER 1JANUARY 1999)到目前为止，关于压电体声波谐振式传感器的驱动电路的设计方法的文献基本没有，仅有的一本资料(George D.Vendelin，Designof amplifiers and oscillators by the S-Parameter method，John Wiley&Sons Inc，March 31,1982)提出了S参数设计放大器和振荡器的概念，但是并没有具体的设计方法的描述，实际参考意义不大。

事实上，直接采用振荡器电路来驱动压电谐振式传感器会带来一些问题。主要原因一方面是振荡器电路中的谐振器是采用真空封装，不需要外部接触其他东西，其振荡范围很窄；而压电谐振式传感器是裸露在外面的，并且还要和外界被测介质接触，其振荡范围要求很宽。另一方面，压电传感器的形式有凸台式，锥形结构和平台式等，同一种的驱动电路参数相差很大。这样，就导致二者的设计理念不一样。同时，现有的基于压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计都是严重依赖工程人员的实际经验，调试时间长，调试的工作量大。

当然，作为一种辅助设计手段，在压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计过程中，计算机仿真技术也被采用。目前常用的计算机仿真软件主要有ADS(Agilent公司开发)和Serenade(Ansoft公司开发)。但是，基于计算机仿真技术的压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计由于器件的建模精度不高，存在比较明显的缺陷，设计出来的驱动电路的性能和实际相差很大，实际意义有限。总之，基于压电体声波谐振式传感器的驱动电路相关的设计方法还严重缺乏。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计方法，以简化设计，提高设计效率，节约调试时间。

为实现上述发明目的，本发明压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将压电体声波谐振式传感器驱动电路拆分成有源网络、正反馈控制网络及输出网络；

其中，有源网络由直流偏置电路和有源器件构成，有源器件可以是三极管BJT也可以是场效应管FET；正反馈控制网络由谐振选频电路，移相电路以及压电体声波谐振式传感器构成，正反馈控制网络信号经过正反馈输入端口进入谐振选频电路、移相电路，最后加载到压电体声波谐振式传感器上，再经压电体声波谐振式传感器到正反馈输出端口；输出网络由输出匹配电路和滤波电路组成；

(2)、根据压电体声波谐振式传感器的工作频率f选取合适的有源器件，然后参考厂家给出的数据手册对所选定有源器件，配置直流偏置电路，得到相应的静态工作点；将有源网络的检测输出端口接50欧姆的端接阻抗，将有源网络看作是由输入端口和正反馈端口构成的双口网络；

用阻抗分析仪或者矢量网络分析仪测试配置有源网络的输入端口到反馈输出端口的阻抗参数：

测试的阻抗参数用矩阵形式表示即表示为阻抗矩阵，并阻抗矩阵转换成S参数矩阵形式，可以表述如下：

$S_{\mathrm{Active}}=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}^{\mathrm{Active}}& S_{12}^{\mathrm{Acive}}\\ S_{21}^{\mathrm{Active}}& S_{22}^{\mathrm{Active}}\end{array}\right]---\left(1\right);$

同时，配置有源网络，要求有源网络的S参数矩阵需满足如下条件：

$\frac{1-{\left|S_{11}^{\mathrm{Active}}\right|}^2-{\left|S_{22}^{\mathrm{Active}}\right|}^2+{|S_{11}^{\mathrm{Active}}{S}_{22}^{\mathrm{Active}}-S_{12}^{\mathrm{Active}}{S}_{21}^{\mathrm{Active}}|}^2}{2\left|S_{11}^{\mathrm{Active}}\right|\left|S_{21}^{\mathrm{Active}}\right|}---\left(2\right);$

此时，有源网络的增益可表示为：

$G_{\mathrm{Active}}=\frac{S_{21}^{\mathrm{Active}}-S_{12}^{\mathrm{Active}}}{1-S_{11}^{\mathrm{Active}}{S}_{22}^{\mathrm{Active}}+S_{12}^{\mathrm{Active}}{S}_{21}^{\mathrm{Active}}-2S_{12}^{\mathrm{Active}}}---\left(3\right);$

(3)、用阻抗分析仪或者矢量网络分析仪测试配置正反馈控制网络的正反馈输入端口到正反馈输出端口的阻抗参数：

测试的阻抗参数用矩阵形式表示即表示为阻抗矩阵，并阻抗矩阵转换成S参数矩阵形式，可以表述如下：

$S_{\mathrm{Feedback}}=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}^{\mathrm{Feedback}}& S_{12}^{\mathrm{Feedback}}\\ S_{21}^{\mathrm{Feedback}}& S_{22}^{\mathrm{Feedback}}\end{array}\right]---\left(4\right);$

正反馈控制网络的增益表示为：

$G_{\mathrm{Feedback}}=\frac{S_{21}^{\mathrm{Feedback}}-S_{12}^{\mathrm{Feedback}}}{1-S_{11}^{\mathrm{Feedback}}{S}_{22}^{\mathrm{Feedback}}+S_{12}^{\mathrm{Feedback}}{S}_{21}^{\mathrm{Feedback}}-2S_{12}^{\mathrm{Feedback}}}---\left(5\right);$

考虑以下两个约束条件：

3.1)、正反馈控制网络的相移满足180度；正反馈控制网络的相移与有源网络的相移之和为360度；即有：其中，为有源网络的相移，为正反馈控制网络的相移；

3.2)、正反馈控制网络的增益与有源网络的增益之积为1；即有：

$G_{\mathrm{Active}}\·G_{\mathrm{Feedback}}=\frac{S_{21}^{\mathrm{Active}}-S_{12}^{\mathrm{Active}}}{1-S_{11}^{\mathrm{Active}}{S}_{22}^{\mathrm{Active}}+S_{12}^{\mathrm{Active}}{S}_{21}^{\mathrm{Active}}-2S_{12}^{\mathrm{Active}}}\·\frac{S_{21}^{\mathrm{Feedback}}-S_{12}^{\mathrm{Feedback}}}{1-S_{11}^{\mathrm{Feedback}}{S}_{22}^{\mathrm{Feedback}}+S_{12}^{\mathrm{Feedback}}{S}_{21}^{\mathrm{Feedback}}-{2S}_{12}^{\mathrm{Feedback}}}=1---\left(6\right)$

对正反馈控制网络中谐振选频电路和移相电路的参数进行调整，完成正反馈控制网络的配置；

(4)、用阻抗分析仪或者矢量网络分析仪测试配置输出网络：按照输出网络的输入端口和输出端口的阻抗按照50欧姆特性阻抗，调整输出匹配电路，

(5)、将有源网络的输入端口与正反馈控制网络的正反馈输出端口连接，有源网络的反馈输出端口与正反馈控制网络的正反馈输入端口连接，将正反馈控制网络信号输出给正反馈控制网络；

有源网络的检测输出端口与输出网络的输入端口连接，将检测信号输出给输出网络，检测信号经过输出匹配电路匹配、滤波电路滤波后输出给后续处理电路(负载)。

本发明的目的是这样实现的

本发明压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计方法，将压电体声波谐振式传感器的驱动电路进行模块化拆分成不同功能的电路网络，包括有源网络、正反馈控制网络及输出网络。其中，有源网络由直流偏置电路和有源器件构成，有源器件可以是三极管BJT也可以是场效应管FET，有源网络的阻抗可由矢量网络分析仪测量得到，配置有源网络，使其满足约束条件；正反馈控制网络由谐振选频电路，移相电路以及压电体声波谐振器构成，该网络的参数确定则需要由有源网络的实际测量值结合约束条件进行调整得到，约束条件包括相位条件和增益条件；输出网络由输出匹配电路和滤波电路组成，输出匹配电路的参数调整使输出网络特性阻抗为50欧姆，其他可根据不同的输出要求进行设计，比如要求输出最大功率时，采用共轭匹配方式确定参数，若要求输出最小噪声时则采用完全匹配方式，滤波电路的主要作用是为了进一步提高信号的质量，可根据具体要求进行设计。

本发明的实质是：基于电路电网络理论，利用电网络的参数可测量性，采用理论计算和实际测量相结合进行设计。

本发明所述设计方法具有以下优点：

传统的设计方法是直接采用某种现存的电路形式进行调试，对相关人员的工程经验要求很高，费时费力。用高频仿真软件进行辅助设计这种方法，也是直接采用某种电路进行设计，要想得到好的效果，需要对电路元器件进行精确的建模，而元器件的精确建模一直是未能解决的问题。本发明与上述设计方法相比，本发明不需要对具体的器件进行建模，而是通过实际电网络测量去修正(调整)电路参数。在设计过程中，将复杂的非线性电路，拆分成线性电路，应用线性网络理论就可以进行理论计算，大大减小了调试工作量和调试时间。因此，本发明所述设计方法可以简化设计过程，提高设计效率，减小工作量。

附图说明

图1是本发明设计的压电体声波谐振式传感器驱动电路一种具体实施方式原理框图；

图2是本发明压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

本发明不用对具体的电路元件进行模型构建，而是基于电路电网络理论，利用电网络的参数可测量性，采用理论计算和实际测量相结合进行设计。

在本实施例中，如图1所示，本发明设计的压电体声波谐振式传感器驱动电路首先进行模块化拆分成不同功能的电路网络，包括有源网络、正反馈控制网络及输出网络。

其中，有源网络由直流偏置电路和有源器件构成，有源器件可以是三极管BJT也可以是场效应管FET，有源网络的阻抗可由阻抗分析仪或矢量网络分析仪测量得到。在本实施例中，有源网络的输入端口为A端口，有源网络的反馈输出端口为B端口，有源网络的检测输出端口为C端口。

正反馈控制网络由谐振选频电路，移相电路以及压电体声波谐振器构成，该网络的参数确定则需要由有源网络的实际测量值结合约束条件进行计算得到，约束条件包括相位条件和增益条件。在本实施例中，正反馈控制网络的正反馈输入端口为E端口，正反馈控制网络的正反馈输出端口为F端口。

有源网络的C端口与输出网络的输入端口即D端口连接，将检测信号输出给输出网络，检测信号经过输出匹配电路匹配、滤波电路滤波后经过端口G输出给后续处理电路(负载)。

输出网络由输出匹配电路和滤波电路组成，调整输出匹配电路，使输出网络的输入端口和输出端口的阻抗按照50欧姆特性阻抗，同时输出匹配电路的参数受到有源网络的约束，具体可根据不同的输出要求进行设计，比如要求输出最大功率时，采用共轭匹配方式确定参数，若要求输出最小噪声时则采用完全匹配方式。滤波电路的主要作用是为了进一步提高信号的质量。

图2是本发明压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计方法流程图。

在本实施例中，如图2所示，本发明压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计方法包括：

步骤S1：将压电体声波谐振式传感器驱动电路拆分为成有源网络、正反馈控制网络及输出网络；

步骤S2：设计有源网络，包括选择三极管BJT也可以是场效应管FET，配置直流偏置电路，然后用阻抗分析仪或者矢量网络分析仪测试并配置有源网络的输入端口到反馈输出端口的阻抗参数，直到满足公式(2)的条件；

步骤S3：设计正反馈控制网络，在步骤2的基础上，用阻抗分析仪或者矢量网络分析仪测试配置正反馈控制网络的正反馈输入端口到正反馈输出端口的阻抗参数，直到其满足公式(5)、(6)的两个约束条件；

步骤S4：设计输出网络，用阻抗分析仪或者矢量网络分析仪测试配置输出网络，使其具有50欧姆特性阻抗，输出网络的其他特性根据具体电路要求进行设计；

步骤S5：将各部分连接起来，即完成设计。

本发明的实质是基于电路电网络理论，利用电网络的参数可测量性，采用理论计算和实际测量相结合进行设计。在设计过程中，将复杂的非线性电路，拆分成线性电路，应用线性网络理论就可以进行理论计算，大大减小了调试工作量和调试时间。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种压电体声波谐振式传感器驱动电路的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将压电体声波谐振式传感器驱动电路拆分成有源网络、正反馈控制网络及输出网络；

其中，有源网络由直流偏置电路和有源器件构成，有源器件可以是三极管BJT也可以是场效应管FET；正反馈控制网络由谐振选频电路，移相电路以及压电体声波谐振式传感器构成，正反馈控制网络信号经过正反馈输入端口进入谐振选频电路、移相电路，最后加载到压电体声波谐振式传感器上，再经压电体声波谐振式传感器到正反馈输出端口；输出网络由输出匹配电路和滤波电路组成；

(2)、根据压电体声波谐振式传感器的工作频率f选取合适的有源器件，然后参考厂家给出的数据手册对所选定有源器件，配置直流偏置电路，得到相应的静态工作点；将有源网络的检测输出端口接50欧姆的端接阻抗，将有源网络看作是由输入端口和正反馈端口构成的双口网络；

用阻抗分析仪或者矢量网络分析仪测试配置有源网络的输入端口到反馈输出端口的阻抗参数：

测试的阻抗参数用矩阵形式表示即表示为阻抗矩阵，并阻抗矩阵转换成S参数矩阵形式，可以表述如下：

$S_{\mathrm{Active}}=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}^{\mathrm{Active}}& S_{12}^{\mathrm{Active}}\\ S_{21}^{\mathrm{Active}}& S_{22}^{\mathrm{Active}}\end{array}\right]---\left(1\right);$

同时，配置有源网络，要求有源网络的S参数矩阵需满足如下条件：

$\frac{1-{\left|S_{11}^{\mathrm{Active}}\right|}^2-{\left|S_{22}^{\mathrm{Active}}\right|}^2+{|S_{11}^{\mathrm{Active}}{S}_{22}^{\mathrm{Active}}-S_{12}^{\mathrm{Active}}{S}_{21}^{\mathrm{Active}}|}^2}{2\left|S_{11}^{\mathrm{Active}}\right|\left|S_{21}^{\mathrm{Active}}\right|}<1---\left(2\right);$

此时，有源网络的增益可表示为：

$G_{\mathrm{Active}}=\frac{S_{21}^{\mathrm{Active}}-A_{12}^{\mathrm{Active}}}{1-S_{11}^{\mathrm{Active}}{S}_{22}^{\mathrm{Active}}+S_{12}^{\mathrm{Active}}{S}_{21}^{\mathrm{Active}}-2S_{12}^{\mathrm{Active}}}---\left(3\right);$

(3)、用阻抗分析仪或者矢量网络分析仪测试配置正反馈控制网络的正反馈输入端口到正反馈输出端口的阻抗参数：

测试的阻抗参数用矩阵形式表示即表示为阻抗矩阵，并阻抗矩阵转换成S参数矩阵形式，可以表述如下：

$S_{\mathrm{Feedback}}=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}^{\mathrm{Feedback}}& S_{12}^{\mathrm{Feedback}}\\ S_{21}^{\mathrm{Feedback}}& S_{22}^{\mathrm{Feedback}}\end{array}\right]---\left(4\right);$

正反馈控制网络的增益表示为：

$G_{\mathrm{Feedback}}=\frac{S_{21}^{\mathrm{Feedback}}-A_{12}^{\mathrm{Feedback}}}{1-S_{11}^{\mathrm{Feedback}}{S}_{22}^{\mathrm{Feedback}}+S_{12}^{\mathrm{Feedback}}{S}_{21}-2S_{12}}---\left(5\right);$

考虑以下两个约束条件：

3.1)、正反馈控制网络的相移满足180度；正反馈控制网络的相移与有源网络的相移之和为360度；即有：

3.2)、正反馈控制网络的增益与有源网络的增益之积为1；即有：

$G_{\mathrm{Active}}\&CenterDot;G_{\mathrm{Feedback}}=\frac{S_{21}^{\mathrm{Active}}-A_{12}^{\mathrm{Active}}}{1-S_{11}^{\mathrm{Active}}{S}_{22}^{\mathrm{Active}}+S_{12}^{\mathrm{Active}}{S}_{21}^{\mathrm{Active}}-2S_{12}^{\mathrm{Active}}}\&CenterDot;\frac{S_{21}^{\mathrm{Feedback}}-S_{12}^{\mathrm{Feedback}}}{1-S_{11}^{\mathrm{Feedback}}{S}_{22}^{\mathrm{Feedback}}+S_{12}^{\mathrm{Feedback}}{S}_{21}^{\mathrm{Feedback}}-2S_{12}^{\mathrm{Feedback}}}=1---\left(6\right)$

对正反馈控制网络中谐振选频电路和移相电路的参数进行调整，完成正反馈控制网络的配置；

(4)、用阻抗分析仪或者矢量网络分析仪测试配置输出网络：按照输出网络的输入端口和输出端口的阻抗按照50欧姆特性阻抗，调整输出匹配电路，

(5)、将有源网络的输入端口与正反馈控制网络的正反馈输出端口连接，有源网络的反馈输出端口与正反馈控制网络的正反馈输入端口连接，将正反馈控制网络信号输出给正反馈控制网络；

有源网络的检测输出端口与输出网络的输入端口连接，将检测信号输出给输出网络，检测信号经过输出匹配电路匹配、滤波电路滤波后输出给后续处理电路(负载)。