CN105119580B - 旁路电容补偿晶振传感器放大电路及利用该放大电路进行旁路电容补偿的方法 - Google Patents
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Abstract
旁路电容补偿晶振传感器放大电路及利用该放大电路进行旁路电容补偿的方法，涉及晶振传感器的旁路电容补偿技术。它为了解决晶振传感器中旁路电容影响谐振以及没有对旁路电容进行补偿的方法的问题。晶振传感器和两个变容二极管依次串联在变压器二次侧的两个接线端之间，晶振传感器与一个变容二极管的公共端连接运算放大器，两个变容二极管的阴极连接。将驱动信号加载到变压器的一次侧，并向两个变容二极管提供反向偏压，使运算放大器输出信号为零。反向偏压值通过数字控制系统控制。本发明能够对晶振传感器的旁路电容进行精确补偿，以消除晶振传感器中旁路电容对谐振的影响。适用于对各种谐振频率的晶振传感器进行旁路电容的精确补偿。
Description
技术领域
本发明涉及晶振传感器旁路电容的补偿技术。
背景技术
晶振传感器具有传统悬臂梁传感器无法比拟的优点，如具有较高的Q值，具有自激发自检测功能，弹性系数大从而不会发生“突跳接触”现象等，因此被广泛用作扫描探针显微镜的传感器。利用晶振的压电效应，将悬臂的振动转换成电信号，并由前置放大器检测，因此前置放大器在晶振传感器信号检测过程中具有至关重要的作用。但是前置放大器电路中晶振传感器的旁路电容会影响谐振，造成谐振曲线不对称、谐振频率偏移及共振点所对应的相位偏移，而目前还没有对旁路电容进行补偿的方法。
发明内容
本发明是为了解决晶振传感器中旁路电容影响谐振，导致谐振曲线不对称、谐振频率偏移及共振点所对应的相位偏移，以及没有对旁路电容进行补偿的方法的问题，从而提供旁路电容补偿晶振传感器放大电路及利用该放大电路进行旁路电容补偿的方法。
本发明所述的旁路电容补偿晶振传感器放大电路，它包括变压器、电阻、一号变容二极管、电源、二号变容二极管和运算放大器；
变压器的一次侧为所述旁路电容补偿晶振传感器放大电路的信号输入端，变压器的二次侧的一个接线端连接晶振传感器的一端，晶振传感器的另一端连接二号变容二极管的阳极，二号变容二极管的阴极连接一号变容二极管的阴极，一号变容二极管的阳极连接变压器的二次侧的另一个接线端，变压器中性点接地，一号变容二极管与二号变容二极管的公共端连接电源的正极；晶振传感器与二号变容二极管的公共端同时连接电阻的一端和运算放大器的反相输入端，运算放大器同相输入端接地，电阻的另一端连接运算放大器的输出端，且电阻与运算放大器的公共端作为所述旁路电容补偿晶振传感器放大电路的信号输出端。
上述电阻的阻值范围为20MΩ-100MΩ。上述电源的电压为27V。
上述运算放大器的型号为OP27或OP627，运算放大器的带宽范围为230MHz-1.6GHz。
所述放大电路还包括数字控制系统，数字控制系统连接电源的负极。
上述运算放大器的带宽范围为230MHz-1.6GHz。
利用旁路电容补偿晶振传感器放大电路进行旁路电容补偿的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将驱动信号Vin加载到变压器的一次侧；
步骤二、通过电源的负极向一号变容二极管和二号变容二极管提供反向偏压，且反向偏压值从0.5V逐渐增大；
步骤三、检测所述旁路电容补偿晶振传感器放大电路的输出信号Vout，并记录输出信号Vout为0时的反向偏压值；
步骤四、将步骤二所述的反向偏压值调节到输出信号为零时所对应的反向偏压值，实现旁路电容补偿。
步骤二中，通过数字控制系统来控制输入到一号变容二极管和二号变容二极管的反向偏压。
步骤一中，通过电脑终端控制程序输出驱动信号Vin，驱动信号Vin的频率比晶振传感器的谐振频率高20KHz-30KHz，驱动信号Vin的振幅范围为0.5V-2V。
步骤二中反向偏压值的变化步长为0.01V的整数倍。
步骤二中反向偏压值的变化范围为0.5V-3V。
本发明所述的旁路电容补偿晶振传感器放大电路中，一号变容二极管和二号变容二极管的电容与反向偏压之间存在固定关系：反向偏压增加，电容减小，反之，反向偏压减小，电容增加。输入的驱动信号经变压器转变为振幅相同、相位相差180度的两路驱动信号，其中一路输入到晶振传感器中，另一路输入到一号变容二极管和二号变容二极管中。在电源负极加载一个偏压值，用于向一号变容二极管和二号变容二极管提供一个反向偏压，并控制该反向偏压在一定范围内变化，同时监测放大电路的输出信号，当该输出信号为0时所对应的电容即为晶振传感器的旁路电容，将反向偏压值设定在输出信号为零时所对应的反向偏压值，即可实现旁路电容补偿，完全消除晶振传感器中旁路电容对谐振的影响。
本发明所述的利用旁路电容补偿晶振传感器放大电路的进行旁路电容补偿的方法，将驱动信号Vin加载到变压器的一次侧，向一号变容二极管和二号变容二极管提供反向偏压，且反向偏压值从0.5V逐渐增大，当输出信号Vout为零时所对应的电容即为晶振传感器的旁路电容，将反向偏压值设定在输出信号为零时所对应的反向偏压值，即可实现旁路电容补偿，进而消除晶振传感器中旁路电容对谐振的影响。本发明通过施加反向偏压来精确补偿旁路电容，数字控制系统对反向偏压的调节准确、方便、快捷，对皮法级别的旁路电容的补偿精度能够达到飞法级别。
本发明可用于对晶振传感器进行旁路电容补偿，适用于原子力显微镜AFM或其他设备中。
附图说明
图1是本发明所述的旁路电容补偿晶振传感器放大电路的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的旁路电容补偿晶振传感器放大电路，它包括变压器2、电阻R、一号变容二极管5、电源7、二号变容二极管8和运算放大器9；
变压器2的一次侧为所述旁路电容补偿晶振传感器放大电路的信号输入端，变压器2的二次侧的一个接线端连接晶振传感器3的一端，晶振传感器3的另一端连接二号变容二极管8的阳极，二号变容二极管8的阴极连接一号变容二极管5的阴极，一号变容二极管5的阳极连接变压器2的二次侧的另一个接线端，变压器中性点接地，一号变容二极管5与二号变容二极管8的公共端连接电源7的正极；晶振传感器3与二号变容二极管8的公共端同时连接电阻R的一端和运算放大器9的反相输入端，运算放大器9同相输入端接地，电阻R的另一端连接运算放大器9的输出端，且电阻R与运算放大器9的公共端作为所述旁路电容补偿晶振传感器放大电路的信号输出端。
上述放大电路中，运算放大器所采用的增益带宽积不同，则检测带宽不同，检测到晶振传感器3的晶振频率带宽范围不同。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的旁路电容补偿晶振传感器放大电路作进一步说明，本实施方式中，电阻R的阻值范围为20MΩ-100MΩ。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的旁路电容补偿晶振传感器放大电路作进一步说明，本实施方式中，电源7的电压为27V。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的旁路电容补偿晶振传感器放大电路作进一步说明，本实施方式中，运算放大器9的型号为OP27或OP627，运算放大器9的带宽范围为230MHz-1.6GHz。
型号为OP27或OP627的运算放大器9适用于共振频率为32.768kHz的晶振传感器。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的旁路电容补偿晶振传感器放大电路作进一步说明，本实施方式中，所述放大电路还包括数字控制系统，数字控制系统连接电源7的负极6。
本实施方式通过数字控制系统控制加载到一号变容二极管和二号变容二极管的反向偏压，反向偏压的变化步长可设置为mV量级，使反向偏压的调节更精确，对旁路电容的补偿也更精确。
具体实施方式六：本实施方式是利用具体实施方式一或五所述的旁路电容补偿晶振传感器放大电路进行旁路电容补偿的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将驱动信号Vin1加载到变压器2的一次侧；
步骤二、通过电源7的负极6向一号变容二极管5和二号变容二极管8提供反向偏压，且反向偏压值从0.5V逐渐增大；
步骤三、检测所述旁路电容补偿晶振传感器放大电路的输出信号Vout4，并记录输出信号Vout4为0时的反向偏压值；
步骤四、将步骤二所述的反向偏压值调节到输出信号为零时所对应的反向偏压值，实现旁路电容补偿。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的利用旁路电容补偿晶振传感器放大电路进行旁路电容补偿的方法作进一步说明，本实施方式中，通过数字控制系统来控制输入到一号变容二极管5和二号变容二极管8的反向偏压。
本实施方式通过数字控制系统来控制反向偏压值，有效的实现了通过数字电路来补偿旁路电容，实现了对模拟放大电路的自动控制，偏压调节过程在电脑上操作进行，准确、方便、快捷。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式六所述的利用旁路电容补偿晶振传感器放大电路进行旁路电容补偿的方法作进一步说明，本实施方式中，通过电脑终端控制程序输出驱动信号Vin1，驱动信号Vin1的频率比晶振传感器3的谐振频率高20KHz-30KHz，驱动信号Vin1的振幅范围为0.5V-2V。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式六所述的利用旁路电容补偿晶振传感器放大电路进行旁路电容补偿的方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中反向偏压值的变化步长为0.01V的整数倍。
本实施方式中，反向偏压值的变化步长的最小值为0.01V，步长越小，测量越精确，对旁路电容的补偿也更精确。
具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式六所述的利用旁路电容补偿晶振传感器放大电路进行旁路电容补偿的方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中反向偏压值的变化范围为0.5V-3V。
Claims (10)
1.旁路电容补偿晶振传感器放大电路，其特征在于：它包括变压器(2)、电阻(R)、一号变容二极管(5)、电源(7)、二号变容二极管(8)和运算放大器(9)；
变压器(2)的一次侧为所述旁路电容补偿晶振传感器放大电路的信号输入端，变压器(2)的二次侧的一个接线端连接晶振传感器(3)的一端，晶振传感器(3)的另一端连接二号变容二极管(8)的阳极，二号变容二极管(8)的阴极连接一号变容二极管(5)的阴极，一号变容二极管(5)的阳极连接变压器(2)的二次侧的另一个接线端，变压器中性点接地，一号变容二极管(5)与二号变容二极管(8)的公共端连接电源(7)的正极；晶振传感器(3)与二号变容二极管(8)的公共端同时连接电阻(R)的一端和运算放大器(9)的反相输入端，运算放大器(9)同相输入端接地，电阻(R)的另一端连接运算放大器(9)的输出端，运算放大器(9)的输出端作为所述旁路电容补偿晶振传感器放大电路的信号输出端。
2.根据权利要求1所述旁路电容补偿晶振传感器放大电路，其特征在于：所述电阻(R)的阻值范围为20MΩ-100MΩ。
3.根据权利要求1所述旁路电容补偿晶振传感器放大电路，其特征在于：所述电源(7)的电压为27V。
4.根据权利要求1所述旁路电容补偿晶振传感器放大电路，其特征在于：运算放大器(9)的型号为OP27或OP627，运算放大器(9)的带宽范围为230MHz-1.6GHz。
5.根据权利要求1所述旁路电容补偿晶振传感器放大电路，其特征在于：所述放大电路还包括数字控制系统，数字控制系统连接电源(7)的负极(6)。
6.利用权利要求1或5所述的旁路电容补偿晶振传感器放大电路进行旁路电容补偿的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、将驱动信号Vin(1)加载到变压器(2)的一次侧；
步骤二、通过电源(7)的负极(6)向一号变容二极管(5)和二号变容二极管(8)提供反向偏压，且反向偏压值从0.5V逐渐增大；
步骤三、检测所述旁路电容补偿晶振传感器放大电路的输出信号Vout(4)，并记录输出信号Vout(4)为0时的反向偏压值；
步骤四、将步骤二所述的反向偏压值调节到输出信号Vout(4)为0时所对应的反向偏压值，实现旁路电容补偿。
7.根据权利要求6所述的利用旁路电容补偿晶振传感器放大电路进行旁路电容补偿的方法，其特征在于：步骤二中，通过数字控制系统来控制输入到一号变容二极管(5)和二号变容二极管(8)的反向偏压。
8.根据权利要求6所述的利用旁路电容补偿晶振传感器放大电路进行旁路电容补偿的方法，其特征在于：步骤一中，通过电脑终端控制程序输出驱动信号Vin(1)，驱动信号Vin(1)的频率比晶振传感器(3)的谐振频率高20KHz-30KHz，驱动信号Vin(1)的振幅范围为0.5V-2V。
9.根据权利要求6所述的利用旁路电容补偿晶振传感器放大电路进行旁路电容补偿的方法，其特征在于：步骤二中反向偏压值的变化步长为0.01V的整数倍。
10.根据权利要求6所述的利用旁路电容补偿晶振传感器放大电路进行旁路电容补偿的方法，其特征在于：步骤二中反向偏压值的变化范围为0.5V-3V。
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