振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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VR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。

【技术实现步骤摘要】
振幅可调的石英晶体微天平自激振荡电路
本专利技术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。
技术介绍
石英晶体微天平(QuartzCrystalMicrobalance，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StanfordResearchSystems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》（ZL200620075035.2），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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术方案如下：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Vf和等效电阻信号VR分别取自自动增益控制放大器的输出端和增益指示端。本专利技术工作原理如下：1.本专利技术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。本专利技术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.本专利技术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Vf和等效电阻信号VR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.本专利技术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。本专利技术电路的信号流向为：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。本专利技术的有益效果：与PLO-10i、QCM934、QCM200等商用石英晶体微天平装置相比，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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VR和谐振频率信号Vf供外界装置测量。因此，本专利技术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。因此本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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Vf的第一馈出电路和用于石英晶体等效电阻信号VR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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；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Vf和等效电阻信号VR分别取自自动增益控制放大器的输出端和增益指示端。

【技术特征摘要】
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；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Vf和等效电阻信号VR分别取自自动增益控制放大器的输出端和增益指示端。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张静，莫志宏，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85