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石英晶体微天平驱动电路设计
资料介绍
石英晶体微天平(QCM)是利用石英晶体的压电效应，将吸附在石英晶体电极表面的吸附物质量、液体粘稠度变化转化为可测量的频率信号的精密检测仪器。石英晶体具有较高的频率，且在其表面附着轻微物质质量时，就能够引起频率的变化。因此它可以检测出极微小的质量变化，检测灵敏度从微克到纳克级。基于石英晶体的这一特性，石英晶体微天平可以广泛应用于生物分子的相互作用、蛋白质等大分子材料的表面吸附、病菌检测、电化学以及空气卫生质量检测等众多领域。
本文首先详细介绍了QCM的研究意义及背景知识、国内外研究现状，重点分析了谐振电路振荡原理、QCM工作原理，并通过建立力学模型，推导出QCM频率变化的理论公式，为硬件电路构造、软件程序编写和实验平台准备打下理论基础。
本课题的主要目的是研制QCM传感器的驱动电路。根据石英晶体的基本振荡原理，使用自动增益控制电路(AGC)，很好的改善了谐振电路的起振条件，实现电路振荡的持续稳定。同时对电路进行电容补偿，保证电路能够在高阻抗的条件下，也能够正常工作，同时消除了并联电容对频率相位移动的影响，确保晶体的稳定振荡。设计了带通滤波电路，去除振荡过程中的一些杂波，并将所得频率限制在一定范围内，保证了单片机读取到最准确的晶体频率。通过轨至轨运算放大芯片，将频率信号固定在一定的区间内，确保单片机(STC12C5A60S2)能够读取到有效的输出频率信号。进而，使用频率计数器对所读取的频率进行计数，并通过LCD12232进行显示。最后，通过实验验证所搭建电路的稳定性，以及参照实验结果，与Sauerbrey公式的理论计算结果进行比对，进行误差分析。当实验对参数要求较高时，使用温度模糊自整定PID控制算法，将仪器的工作环境温度控制在基本恒定的范围，减小误差。
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