技术领域
[0001] 本
发明涉及
电子电路技术领域，具体涉及一种
石英晶体微天平的静态电容补偿电路和方法。
背景技术
[0002] 石英晶体微天平(QCM)是一种对界面变化非常灵敏的
质量检测仪器，其测量
精度可达纳克级，最基本的原理是利用了石英晶体的
压电效应。QCM采用的AT切型石英晶片属于厚度剪切模型
谐振器，石英晶片工作时的特性类似于RLC串并联电路，其中包括两条支路(静态电路与动态电路)，其中动态电路由等效
电阻、等效电容、等效电感
串联构成。静态电路由一并联电容(也称静态电容)构成。静态电容是由于石英晶片两面
镀的金属
电极及电极引线引起的附加电容，在石英晶片负载较小时，静态电容也较小(几pF)，此时静态电容对电路谐振影响较小可忽略不计。而当晶体电极表面涂覆材料粘弹性较大或电极处于液相中时等效电阻和并联电容都会变大，对石英晶片的幅频和相频特性都会产生影响，这也是自激振荡电路在大阻尼环境下往往会发生停振的原因。因此，必须消除静态电容产生的影响。
[0003] 传统的电路采用的方法是产生一负电容来抵消静态电容，手动调节补偿电容直到与静态电容大小相近以使振荡电路工作于串联谐振状态下。传统的电容补偿方法需要手动补偿，补偿繁琐，精度低。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为了克服以上
现有技术存在的不足，提供了一种石英晶体微天平的静态电容补偿电路和方法。
[0005] 本发明的目的通过以下的技术方案实现：
[0006] 一种石英晶体微天平的静态电容补偿电路，包括：电位控制单元、直流控制单元、静态电容补偿单元、
信号衰减单元和信号采集单元；电位控制单元包括：
运算放大器A1，
运算放大器A2，运算放大器A3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、单刀双掷
开关S1、双刀双掷开关S2及待电容补偿石英晶体X1；信号源V2的正极和运算放大器A1的同相输入端连接，运算放大器A1的输出端和运算放大器A2的同相输入端连接，运算放大器A2的输出端通过电阻R1和双刀双掷开关S2的第一不动端连接，运算放大器A2的输出端还通过电阻R2和双刀双掷开关S2的第二不动端连接，运算放大器A2的输出端还通过电阻R3和双刀双掷开关S2的第三不动端连接，运算放大器A2的输出端还通过电阻R4和双刀双掷开关S2的第四不动端连接，双刀双掷开关S2的第一动端和单刀双掷开关S1的第一不动端连接，双刀双掷开关S2的第二动端和单刀双掷开关S1的第二不动端连接，单刀双掷开关S1的动端和待电容补偿石英晶体X1的一端连接，待电容补偿石英晶体X1的另一端连接至地；待电容补偿石英晶体X1的一端还和运算放大器A3的同向输入端连接，运算放大器A3的反向输入端和输出端均和运算放大器A2的反向输入端连接；静态电容补偿单元包括：运算放大器A1、运算放大器A5、电阻R10、电阻R11、电容C1和变容
二极管D1；运算放大器A1的
反相输入端和运算放大器A1的输出端、运算放大器A5的同相输入端均连接，运算放大器A5的反相输入端通过电阻R10连接至地，运算放大器A5的反相输入端还通过电阻R11和电容C1的一端、运算放大器A5的输出端均连接，电容C1的另一端和
变容二极管D1的负极连接，变容二极管D1的正极和待电容补偿石英晶体X1的一端连接；直流控制单元包括：运算放大器A6、直流源V1、电阻R12和电感L1；直流源V1的负极连接至地，直流源V1的正极和运算放大器A6的同相输入端连接，运算放大器A6的反相输入端和运算放大器A6的输出端、电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端通过电感L1和变容二极管D1的负极连接；信号衰减单元包括：运算放大器A4、单刀双掷开关S3、双刀双掷开关S4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9；运算放大器A4的同相输入端和运算放大器A2的输出端连接，运算放大器A4的反相输入端和运算放大器A4的输出端连接，运算放大器A4的反相输入端还通过电阻R5和单刀双掷开关S3的动端连接，单刀双掷开关S3的第一不动端、第二不动端分别和双刀双掷开关S4的第一动端、第二动端连接，双刀双掷开关S4的第一不动端、第二不动端、第三不动端和第四不动端分别通过电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9连接至地；信号采集单元包括：模拟乘法器A7、模拟乘法器A8、低通滤波模
块LP1、低通滤波模块LP2、
模数转换器ADC1和模数转换器ADC2；信号源V3的负极连接至地，信号源V3的正极和模拟乘法器A7的第二输入端连接，模拟乘法器A7的输出端通过低通滤波模块LP1和模数转换器ADC1连接，信号源V2的负极连接至地，信号源V2的正极和模拟乘法器A8的第二输入端连接，模拟乘法器A8的输出端通过低通滤波模块LP2和模数转换器ADC2连接，模拟乘法器A7的第一输入端、模拟乘法器A8的第一输入端均连接至电阻R5的一端。
[0007] 优选地，信号源V2是余弦信号，信号源V3是正弦信号，信号源V1是直流源。
[0008] 一种石英晶体微天平的静态电容补偿方法，包括：
[0009] S1，将单刀双掷开关S3、双刀双掷开关S4设置成衰减最大值，将单刀双掷开关S1、双刀双掷开关S2设置成放大倍数最小值；
[0010] S2，将信号源V1输出最大
电压，将信号源V1为直流信号源；
[0011] S3，调节信号源V2、信号源V3的
输出信号的
频率，使得信号源V2、信号源V3的输出信号的频率在待电容补偿石英晶体X1的谐振频率附近，其中信号源V2、信号源V3是频率相等、幅值相等，
相位相差90度的
正交波；
[0012] S4，通过模数转换器ADC1和模数转换器ADC2模数转换器对电压进行采集，得到电压VNet6的幅频特性及相频特性；
[0013] S5，根据电压VNet6的幅频特性和相频特性切换单刀双掷开关S1、双刀双掷开关S2、单刀双掷开关S3、双刀双掷开关S4，以使待电容补偿石英晶体X1的放大倍数达到预设倍数，模拟乘法器A7、模拟乘法器A8的输入幅度达到预设幅度；记录的
频率偏移差；其中频率偏移差，其中频率偏移差为运算放大器A2输出的电压VNet6幅值最大值对应的频率和运算放大器A2输出的电压VNet6相位零点对应的频率之差；
[0014] S6，依次减小信号源V1的输出，改变变容二极管的补偿值；重复执行步骤3、步骤4、步骤5，直到信号源V1输出到预设电压下限值，记录所有的频率偏移差，寻找最小频率偏移差对应的信号源V1的
输出电压作为静态电容补偿电压值点。
[0015] 本发明相对于现有技术具有如下的优点：
[0016] 本方案在电路中加入一变容二极管，通过直流控制单元控制变容二极管电容量的大小，对变容二极管施加一交流电压使得通过变容二极管的
电流与流过石英晶体静态电容的电流大小相等，相互抵消，从而达到电容补偿的目的；由运算放大器和变容二极管构成电容补偿单元，对石英晶体静态电容进行精确补偿，实现静态电容的自动补偿，补偿准确度及
稳定性良好。本方案的静态电容补偿范围为：2pF-30pF，电容补偿精度±2pF。
附图说明
[0017] 图1是本发明的石英晶体微天平的静态电容补偿电路的电路图。
[0018] 图2是本发明的待电容补偿石英晶体X1的等效电路模型图。
[0019] 图3是本发明的石英晶体X1在空载时候的幅频相频特性曲线图。
[0020] 图4(a)为本发明的液相中电容补偿前石英晶体X1的幅频相频特性曲线图。
[0021] 图4(b)为本发明的液相中电容补偿后石英晶体X1的幅频相频特性曲线图。
[0022] 图5为本发明的石英晶体X1静态电容补偿精度测试图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步说明。
[0024] 参见图1、一种石英晶体微天平的静态电容补偿电路，包括：电位控制单元、直流控制单元、静态电容补偿单元、信号衰减单元和信号采集单元；
[0025] 电位控制单元包括：运算放大器A1，运算放大器A2，运算放大器A3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、单刀双掷开关S1、双刀双掷开关S2及待电容补偿石英晶体X1；信号源V2的正极和运算放大器A1的同相输入端连接，运算放大器A1的输出端和运算放大器A2的同相输入端连接，运算放大器A2的输出端通过电阻R1和双刀双掷开关S2的第一不动端连接，运算放大器A2的输出端还通过电阻R2和双刀双掷开关S2的第二不动端连接，运算放大器A2的输出端还通过电阻R3和双刀双掷开关S2的第三不动端连接，运算放大器A2的输出端还通过电阻R4和双刀双掷开关S2的第四不动端连接，双刀双掷开关S2的第一动端和单刀双掷开关S1的第一不动端连接，双刀双掷开关S2的第二动端和单刀双掷开关S1的第二不动端连接，单刀双掷开关S1的动端和待电容补偿石英晶体X1的一端连接，待电容补偿石英晶体X1的另一端连接至地；待电容补偿石英晶体X1的一端还和运算放大器A3的同向输入端连接，运算放大器A3的反向输入端和输出端均和运算放大器A2的反向输入端连接；
[0026] 在电位控制单元的电路中，交流信号源V2，V3是正交的交流信号，信号源V2是余弦信号，信号源V3是正弦信号，信号源V2经过电压跟随器A1(运算放大器A1)施加在运放A2的同相端，运放A2的输出经过一可选电阻(电阻R1或电阻R2或电阻R3或电阻R4)作用在待电容补偿石英晶体X1的一端，同时
节点10(待电容补偿石英晶体X1的一端)的电压经过运算放大器A3作用于运算放大器A2的反向输入端，如此构成一闭环反馈，则有电压节点10的电压VNet10＝VNet11＝VNet1＝V2，由此，通过调节电压V2便可控制待电容补偿石英晶体X1的激励电压信号。单刀双掷开关S1、双刀双掷开关S2用于电阻的切换选择以保证与待电容补偿石英晶体X1的最佳放大倍数。VNet11为节点11的电压，VNet1为节点1的电压。最佳放大倍数为1到6倍。
[0027] 静态电容补偿单元包括：运算放大器A1、运算放大器A5、电阻R10、电阻R11、电容C1和变容二极管D1；运算放大器A1的反相输入端和运算放大器A1的输出端、运算放大器A5的同相输入端均连接，运算放大器A5的反相输入端通过电阻R10连接至地，运算放大器A5的反相输入端还通过电阻R11和电容C1的一端、运算放大器A5的输出端均连接，电容C1的另一端和变容二极管D1的负极连接，变容二极管D1的正极和待电容补偿石英晶体X1的一端连接；直流控制单元包括：运算放大器A6、直流源V1、电阻R12和电感L1；直流源V1的负极连接至地，直流源V1的正极和运算放大器A6的同相输入端连接，运算放大器A6的反相输入端和运算放大器A6的输出端、电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端通过电感L1和变容二极管D1的负极连接；
[0028] 如图3所示显示了石英晶体在空载时候的谐振频率附近的幅频特性曲线，在理想情况下，当静态电容很小晶体发生串联谐振时，阻抗达到最小且相位处于零点。实际上，待电容补偿石英晶体X1在工作时可以等效成如图2所示的RLC串并联电路(Rq、Lq、Cq串联之后和C0并联)。当静态电容C0很小时，流过它的电流可忽略，因此对串联谐振影响不大。而当串联等效电阻Rq变大时，若静态电容C0也变大，流过静态电容C0的电流将对串联谐振支路产生不可忽略的影响，因此需要对静态电容C0予以补偿。在静态电容补偿单元的电路中，由于对待电容补偿石英晶体X1施加的电位VNet10＝V2，即对静态电容施加的电位为V2，为了补偿该静态电容C0，需要增加一支路，使其产生的电流能够完全提供给静态电容C0，由此工作电流才会完全流经串联谐振支路使静态电容C0不对其产生影响。具体做法是，由运放A5构成同相放大器并且R10＝R11，运放A5的输入VNet1＝V2，C1为隔直流电容，因此VNet23＝VNet22＝2*VNet1＝2*V2。施加在变容二极管D1两端的电压相位相同，差为V2，此时调节变容二极管D1的电容大小与静态电容C0相等，二者即可相互抵消。改变变容二级管D1电容的方法为，信号源V1为一可调节的直流电压源，经运算放大器A6在由交流隔离电阻R12、电感L1施加在变容二极管D1的负极。补偿后的工作状态由串联支路决定，无论负载如何变化，静态电容C0始终处于完全补偿状态，不对晶体谐振产生影响。
[0029] 信号衰减单元包括：运算放大器A4、单刀双掷开关S3、双刀双掷开关S4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9；运算放大器A4的同相输入端和运算放大器A2的输出端连接，运算放大器A4的反相输入端和运算放大器A4的输出端连接，运算放大器A4的反相输入端还通过电阻R5和单刀双掷开关S3的动端连接，单刀双掷开关S3的第一不动端、第二不动端分别和双刀双掷开关S4的第一动端、第二动端连接，双刀双掷开关S4的第一不动端、第二不动端、第三不动端和第四不动端分别通过电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9连接至地；
[0030] 在信号衰减单元的电路中，运算放大器A4用于信号的隔离，则有VNet12＝VNet6。单刀双掷开关S3、双刀双掷开关S4与电阻R5，R6，R7，R8，R9进行信号衰减，以使输入模拟乘法器A7、A8的电压处于合适的量程。电压节点VNet15与信号源V2的关系可用表达式来表示，其中A和ω为信号源V2的振幅和
角频率，模拟乘法器A7将信号VNet15与V3进行混频，模拟乘法器A8将信号VNet15与V2进行混频，通过积化和差公式换算可知，低通
滤波器LP1、LP2能够滤除混频后信号中角频率为2ω的高频分量，其中混频后信号的直流量分别由模数转换器ADC1和模数转换器ADC2采集可得
其中β是与衰减电路及放大
电路有关的比例系数。从而可得到电压节点VNet6的幅频特性
相频特性
[0031] 信号采集单元包括：模拟乘法器A7、模拟乘法器A8、低通滤波模块LP1、低通滤波模块LP2、模数转换器ADC1和模数转换器ADC2；信号源V3的负极连接至地，信号源V3的正极和模拟乘法器A7的第二输入端(Y)连接，模拟乘法器A7的输出端通过低通滤波模块LP1和模数转换器ADC1连接，信号源V2的负极连接至地，信号源V2的正极和模拟乘法器A8的第二输入端(Y)连接，模拟乘法器A8的输出端通过低通滤波模块LP2和模数转换器ADC2连接，模拟乘法器A7的第一输入端(X)、模拟乘法器A8(X)的第一输入端均连接至电阻R5的一端。
[0032] 在本实施例，信号源V2是余弦信号，信号源V3是正弦信号，信号源V1是直流源。
[0033] 上述的石英晶体微天平的静态电容补偿电路的静态电容补偿方法，包括：
[0034] S1，将单刀双掷开关S3、双刀双掷开关S4设置成衰减最大值，将单刀双掷开关S1、双刀双掷开关S2设置成放大倍数最小值；其中，将单刀双掷开关S3、双刀双掷开关S4设置成衰减最大值，以免模拟乘法器A7、模拟乘法器A8超出输入量程；将单刀双掷开关S1、双刀双掷开关S2设置成放大倍数最小值；以免运放A2超出量程而失真；
[0035] S2，将信号源V1输出最大电压，将信号源V1为直流信号源；此时补偿值为最小；
[0036] S3，调节信号源V2、信号源V3的输出信号的频率，使得信号源V2、信号源V3的输出信号的频率在待电容补偿石英晶体X1的谐振频率附近，其中信号源V2、信号源V3是频率相等、幅值相等，相位相差90度的正交波；
[0037] S4，通过模数转换器ADC1和模数转换器ADC2模数转换器对电压进行采集，得到电压VNet6的幅频特性及相频特性；
[0038] S5，根据电压VNet6的幅频特性和相频特性切换单刀双掷开关S1、双刀双掷开关S2、单刀双掷开关S3、双刀双掷开关S4，以使待电容补偿石英晶体X1的放大倍数达到预设倍数，模拟乘法器A7、模拟乘法器A8的输入幅度达到预设幅度；记录的频率偏移差；其中频率偏移差，其中频率偏移差为运算放大器A2输出的电压VNet6幅值最大值对应的频率和运算放大器A2输出的电压VNet6相位零点对应的频率之差；模拟乘法器A7、模拟乘法器A8的输入幅度达到预设幅度不超过1V。
[0039] S6，依次减小信号源V1的输出，改变变容二极管的补偿值；重复执行步骤3、步骤4、步骤5，直到信号源V1输出到预设电压下限值，记录所有的频率偏移差，寻找最小频率偏移差对应的信号源V1的输出电压作为静态电容补偿电压值点。
[0040] 将液相中未进行电容补偿的实验结果和电容补偿后的实验结果相比较，液相中电容补偿前石英晶体X1的幅频相频特性曲线图如图4(a)。液相中电容补偿后石英晶体X1的幅频相频特性曲线图如图4(b)。
[0041] 实验数据
[0042] 利用上述石英晶体微天平的静态电容补偿电路对石英晶体微天平静态电容补偿精度进行测试，其中单刀双掷开关S1、双刀双掷开关S2选用1K电阻档，分别用12PF，18PF，22PF，27pF精度为5％的测试电容与1K电阻并联组成测试网络。
[0043] 具体操作步骤如下：
[0044] 1.将单刀双掷开关S3、双刀双掷开关S4设置成无衰减状态；
[0045] 2.将单刀双掷开关S1、双刀双掷开关S2设置为1K电阻档；
[0046] 3.将12PF电容和1K电阻接入测试点Net10；
[0047] 4.直流信号源V1输出最大值，施加在变容二极管D1，此时补偿值为最小；
[0048] 5.
控制信号源V2，V3产生频率为10MHz的正交波；
[0049] 6.模拟乘法器A7、模拟乘法器A8进行采集后得到VNet6的幅值和相位；
[0050] 7.减小直流信号源V1的输出，改变变容二极管D1的补偿值；
[0051] 8.重复步骤4，步骤5，步骤6，步骤7得到与补偿电容值有关的幅值、相位曲线，找到零相位对应的电容值即为补偿的电容值；
[0052] 9.改变测试电容的电容值，重复步骤5，步骤6，步骤7，步骤8；
[0053] 将补偿的电容值与测试电容值的实验结果相比较，结果如图5所示：三角标号的点为测试的电容值，方形标号的点为实际补偿的电容值，圆形标号的点为补偿的误差值。
[0054] 综上，在电路中加入一变容二极管，通过直流控制单元控制变容二极管电容量的大小，对变容二极管施加一交流电压使得通过变容二极管的电流与流过石英晶体静态电容的电流大小相等，相互抵消，从而达到电容补偿的目的；由运算放大器和变容二极管构成电容补偿单元，对石英晶体静态电容进行精确补偿。电容补偿范围为：2pF-30pF，电容补偿精度±2pF。本发明的适用对象为石英晶体微天平中静态电容对实验测量结果无法忽略的场合，例如晶体电极表面涂覆材料粘弹性较大或电极处于液相中，以及一切导致等效电阻过大静态电容需要补偿的情况。
[0055] 上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
