石英晶体微天平驱动电路设计

2 系统总体设计
2.1 系统简介 整 个 系 统 以 单 片 机 微 处 理 器 STC15F2K60S2 为 核 心 ，采
用 6 MHz 的 石 英 晶 片 ， 设 计 有 自 动 控 制 增 益 放 大 电 路 （AGC）、高 频 运 算 放 大 电 路 以 及 带 通 滤 波 电 路 [6]。 2.2 系统硬件设计 2.2.1 LC 电路
型归一化方法，设计 3 阶 巴 特沃 斯 型 带通 滤 波 器（BPF），其 中 响应的频率值时，系统返回中断，再次读取数值。 当读取到数
心频率为 6 MHz，带宽是 1 MHz，特性阻抗是 50 Ω。
值时，单片机发送数据到 LCD 进行显示。 整个系统的流程图
如图 5 所示。
4 结束语
图 4 三阶带通滤波图 Fig. 4 Chart of Third order band-pass filter
采用单片机技术 、 电子元器件知 识 和 QCM 传感 器 的 基
本原理，实现了对石英晶体传感器的信号采集处理，并能够
对多种物质，气相、液相实现检测。 经过实验验证，该系统可
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《电子设计工程》2013 年第 18 期
图 5 控制程序流程图 Fig. 5 Flow chart of control program 以对 6 MHz 石英晶体频率的变化进行实时测量与显示。 本设 计结构简单、成本低、易于实现，具有一定的科学研究价值。 参考文献： [1] 何建安 ，付 龙，黄 沫 ，等.石英 晶 体 微天 平 的 新进 展[J]. 中 国 科 学 ，2011，41（11）:1679-1698. HE Jian-an，FU Long，HUANG Mo，et al. The new developments in the quartz crystal microbalance[J]. Science China，2011，41（11）:1679-1698. [2] YANG Rui-guo，XI Ning，Fung C K M，et al. Comparative
图 2 晶体稳定振荡模块原理图 Fig. 2 Schematic of the quartz stable oscillation module 自 动 控 制 增 益 模 块 采 用 AD8337 集 成 电 路 ，该 芯 片 能 够 自动调节系统增益， 使其在不同的输入信号强度下能产生 几 乎 恒 定 的 电 平 输 出 。 AD736 在 信 号 输 出 端 进 行 采 样 ，并 实 现 负 电 平 的 反 转 。 OPA544 对 信 号 进 行 放 大 ，反 馈 到 AD8377 的 GAIN 端 ，实 现 对 输 出 信 号 的 自 动 振 幅 调 节 。 电 路 如 图 3 所示。
studies of atomic force microscopy （AFM） and quartz crystal microbalance with dissipation （QCM -D） for real-time identification of signaling pathway[C]// Nanotechnolgy（IEEENANO）. Michigan State Univ: IEEE，2010:1016-1020. [3] JIANG Hai-feng，ZHANG Pei-ren. New design for QCM sensors based on correlation theory [C]// Microwave and Millimeter Wave Technology. Hefei: IEEE，2007:1-4. [4] Rodriguez-Pardo L，Faria J，Gabrielli C，et al. Design consideration of Miller oscillators for high -sensitivity QCM sensors in damping media [J]. IEEE，2007，54 （10）:1965 1976. [5] Sauerbrey G. Verwendung von schwingquarzen zur W覿gung dünner schichten und zur Mikrow覿 gung [J]. Phys，l959，155 （2）:206-222. [6] 森 荣 二. 滤 波 器 设 计 与 制 作[M]. 北 京 ：科 学 出 版 社 ，2006： 1-285.
Δfs =-2f
2 0
rf hf
（1）
姨rq cq
其 中 fs 是 石 英 晶 体 谐 振 频 率 变 化 ，f0 是 晶 片 固 有 频 率 ，hf
是表面薄膜厚度，rf 是表面薄膜密度，cq=2.648 g/cm3 是石英晶
体的密度，rq 是石英体的敏感度因数。
Sauerbrey 公式只适用于刚性薄膜。 由于粘稠液体材料的
严格 ，易 于 得到 符 合 设计 值 的 特性 。 因 此 选用 巴 特 沃 斯 型 滤 对测 量 环境 的 适 应 时 间 、LCD 屏 幕 的 初 始 化 以 及 单 片 机 的 I/
波器作为设计电路。
O 借口、中断系统的初始化等。 然后系统开始工作，使用定时
为了使滤波电路不会对振荡器产生相位移动，采用定 K 器和计数器中断系统来读取系统的输出频率。 若不能读取到
LC 电路 与 QCM 振荡 器 并 联接 在 一 起 ， 辅 助 QCM 振 荡
收 稿 日 期 ：2013-03-20
稿 件 编 号 ：201303238
作者简介：缑新科（1967—），男，甘肃天水人，硕士。 研究方向：智能结构及动力系统控制。
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缑新科， 等 石英晶体微天平驱动电路设计 稳定电路振荡原理图如图 2 所示。
第 21 卷 第 18 期 Vol.21 No.18
电子设计工程 Electronic Design Engineering
2013 年 9 月 Sep. 2013
石英晶体微天平驱动电路设计
缑新科， 苏国英 （兰州理工大学 电信学院， 甘肃 兰州 730050）
摘要： 石英晶体微天平能够测量微小质量的变化，其广泛应用在生物医学、蛋白质、气体等的吸附检测。 本电路设计
rliq、hliq 液体 的 密度 和 粘 度。
的外力作用而变形时，其内部就会产生极化现象，同时在 它的两个相对表面出现正负相反的电荷。 由于压电效应， 晶体在外加交变电场时，就会产生振荡。 当振动频率与石 英晶体的固有频率一致时，便会出现共振，此时振荡稳定、 强烈。而石英晶体的固有频率会随着它表面吸附的物质质 量 变 化 而 变 化 。 德 国 科 学 家 Guenter Sauerbrey 教 授 推 导 验 证了石英晶体共振频率与吸附质量之间的关系，即 Sauerbrey 公 式 [5]：
剪切波具有非常小的穿透深度，因此液体膜可以看作是半无
限 。 1985 年 ，Kanazawa 推 出 了 适 用 于 一 面 是 纯 净 粘 液 （即 牛
顿流体）的 Kanazawa 公式。
1 QCM 工作原理
姨 fs =-f
3/2 0
rliq hliq rq cq
（2）
石英晶体具有压电性质，当晶体受到某一固定方向上
以 STC15F2K60S2 单片机为核心，利用石英晶振片的 特 性 ，振荡 器的 起振 、稳 定 振荡原 理 ，以及自动 增益 控 制等方 法 ，
构造稳定的振荡电路，实现对石英晶片频率变化的直接测量，进而推断出相应的质量变化。 使用 LCD 显示模块，实时
显示频率、质量等的测量值，并扩展 RS232 接口，实现与上位机之间的通信。
图 3 自动控制增益模块电路原理图
Fig. 3 Schematic of the AGC module
2.2.3 滤波电路的设计 巴特沃斯型滤波器的特点是通带内比较平坦，它的衰减
3 系统程序设计
特性和相位特性都相当好，对构成滤波器的器件的要求也不
系统程序使用 C 语言编写。 系统初始化包含有石英晶片
关键词： 石英晶体微天平； QCM； 振荡电路； 滤波电路； 整形电路
中图分类号： TN7
文献标识码： A
文 章 编 号 ：1674－6236（2013）18-0030-03
The new driving circuit design of quartz crystal microbalance
GOU Xin-ke， SU Guo-ying （College of Electrical and Information Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China）
Abstract: The quartz crystal microbalance （QCM） can measure tiny quality change， and has been widely used in biomedical， protein， gases adsorbed detection. The circuit design ， to STC15F2K60S2 MCU as the core， using the characteristics of quartz crystal piece and the oscillator starting， stable oscillation principle， as well as AGC circuit structure ，can achieve a direct measurement of the change in frequency of the quartz crystal， and then infer a corresponding change in mass. The circuit equipped with LCD display module， the measured values of the frequency， quality can be real-time displayed， and expansion of the RS232 interface， convenient and direct communication with the host computer. Key words: quartz crystal microbalance； QCM； oscillation； filter； shaping circuit
在过去的 30 年间，石英晶体 微 天 平 （QCM）技 术 在 理论 、 方法和应用上都取得了很大的发展， 同时也推动了化学、生 物学、医学等诸多领域的发展，尤其是在生物医学、高分子、 蛋白质吸附、药理学方面[1]。 目前，比较成熟的 QCM 产品均为 国 外 生 产 ，如 瑞 士 的 Q-sense、美 国 SRS 的 QCM、QCM-D[2]以 及 日 本 的 QCM10 等 ， 而 国 内 对 QCM 电 路 设 计 方 面 研 究 甚 少 。 本 设 计 基 于 石 英 晶 体 振 荡 的 基 本 原 理[3-4]，使 用 滤 波 整 形 电 路 ，得 到符 合 要 求 的 矩 形 波 形 ，并 充 分 利 用 STC 系 列 单 片 机的高速时钟，实现对晶体频率的直接读取。
图 1 系统结构框图 Fig. 1 Structure diagram of the system 器振荡。 当环境突然发生变化，或者石英晶片上的负载过大 时， 会造成石英 晶 振 片停 止 启 动， 因 此 添 加 LC 基 本 振 荡电 路，可以有效的刺激电路，达到起振的效果。 同时由于石英晶 片振荡更加稳定 ， 所 以 LC 振 荡 电 路的 振 荡 频率 会 随 着石 英 晶片频率的变化而变化。 2.2.2 稳定振荡电路 晶体稳定振荡模块由 3 部分构成： 自动控制增益模块、 运算放大器 AD8022（AMP1）和 AD8009（AMP2）。 自动控制增 益模块是一个稳幅输出的负反馈电路，可以实现相位角度偏 转 180°。 运算 放大 器 AD8022 用 于驱 动 石 英晶 体 工 作 ，同 时 它具有很高的共模抑制比， 可降低噪声造成的相位偏移。 AD8009 工作在差分放大状态，并使相位角度偏转 180°。 晶体