赛多利斯简析基于微天平的微质量测量

导读:石英晶体微天平利用石英晶体压电效应，将待测物的质量信号转化成频率信号输出，QCM频率信号采集电路的性能直接影响QCM系统的检测精度和工作稳定度。

来源：未知发布日期：2019-09-04 14:33【大中小】

国内QCM技术研究起步较晚但发展迅速.中国科学院将石英晶体微天平用以航天器表面环境污染的校测.北京卫星环境工程研究所利用石英晶体微天平热效应模型对其频温效应进行了分析.为今后石英晶体微天平的研制提出了建议。技术成熟的商用QCM系统通常采用耗散因子法、频谱分析法、锁相振荡电路法获取QCM频率信息.同时还可以获取串联电阻及其他信息.但是电路设计复杂.成本较高，本文构建了构建一种便携式和低成本的微质量测量装置。

1QCM驱动电路设计
1.1起振电路设计
起振电路采用基于CMOS型反相器的皮尔斯并联型晶体振荡电路。R，作为反馈电阻接在反相器输入和输出之间，它将反相器偏置在线性区域内.实际应用中，为了获得较高的输入阻抗.反馈电阻的值通常将大于1Mn.以便晶体可以轻松驱动反相器.阻尼电阻将反相器输出与晶体隔离.防止寄生高频振荡.外部负载电容的并联值需等于晶体数据表中指定建议电容负载.用以对电路并联谐振频率进行微调.通常为20。500F。

1.2 CMOS反相器的选择
反相器分为缓冲反相器和非缓冲反相器.其中缓冲反相器增益通常高于非缓冲反相器.由于缓冲反相器增益过高.对振荡电路的参数变化敏感.因此皮尔斯型并联晶体振荡电路通常选用更为稳定的非缓冲反相器嘲.本文赛多利斯科学仪器（北京）有限公司选取sn741vclGU04作为最终的反相器芯片.

1.3差频分频电路设计
晶体振荡电路的输出频率不仅决定于石英基片表面的质量.还会受到非质量因素如温度、湿度的影响，因而设置对照组振荡电路.将测量组振荡电路与对照组振荡电路进行差频处理.既通过差频降低了频率采集的难度又降低了石英晶体温度效应对电路振荡频率的影fl向141。因此QCM系统起振电路模块将包含两组形式和工作条件完全相同的振荡电路.两组电路分别通过D触发器进行分频处理后再进行差频处理。

2频率测量模块设计
stm32F103定时器功能由高级定时器、通用定时器和基本定时器构成.利用通用定时器功能便可以进行输入捕获.通过检测TIMX CHx上的边沿信号.在边沿信号发生跳变的时候.将当前定时器的值存放到对应的捕获/l：k较寄存器里面.完成捕获.进而实现输入信号的频率测量。

3结束语
本文赛多利斯科学仪器（北京）有限公司以构建便携式低成本微质量测量装置为核心目标.构建了QCM驱动系统的基本框架.采用皮尔斯型并联晶体振荡电路采集石英晶体频率信息.通过高速施密特触发器对波形进行整形处理.再通过D触发器进行降频处理.最终以stm32为控制核心实时测量并显示频率。本文通过实验对上述功能模块逐一进行了验证.振荡电路输出频率等于石英晶体标称频率2MHz.通过施密特触发器可以近似得到2MHz的矩形波。此外在实际电路验证中发现还有诸多因素影响石英晶体微天平驱动系统稳定性.可通过滤波器对电路中的干扰信号进行消除.从而得到纯净的频率值171。提高供电电源质量从而减小相位噪声对系统的影响.设计PCB板时需要减少杂散电容和电感.并防止EMI问题的发生。

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