專利名稱：光學(xué)膜厚測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型與光學(xué)真空鍍膜生產(chǎn)過程中在線檢測(cè)膜厚的裝置有關(guān)。
技術(shù)背景
己有的模擬膜厚測(cè)量?jī)x(以南光機(jī)器的GM服-9704光學(xué)膜厚測(cè)量控 制儀為代表)由主信號(hào)低噪聲放大器、參考信號(hào)放大器、移相電路、帶 通濾波器、PSD解調(diào)電路，低通濾波器、DC增益器、顯示器組成(原理 框圖如圖8所示)。
這種裝置是測(cè)量調(diào)制光源通過被測(cè)基片的光強(qiáng)弱變化(以選出的某 一波長(zhǎng)的光信號(hào))。通過常用的光電轉(zhuǎn)換器(光電倍增管)輸出的被測(cè) 信號(hào)的電信號(hào)，再經(jīng)過放大處理加到PSD解調(diào)電路和測(cè)量用調(diào)制光源之 間經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到的參考信號(hào)進(jìn)行鎖相解調(diào)得到與薄膜厚度成比例的 交流信號(hào)(頻率等于光源的調(diào)整頻率)，最后再經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換后用顯示 器(多為指針式表)顯示出來。
在己有的模擬膜厚測(cè)量?jī)x中采用如圖8的方案設(shè)計(jì)，通過調(diào)劑參考 信號(hào)的相位達(dá)到測(cè)量的最大值，需要手工反復(fù)調(diào)節(jié)達(dá)到最佳狀態(tài)。在PSD 的解調(diào)電路中理論應(yīng)使用乘法器，參考信號(hào)應(yīng)是純凈的正弦波信號(hào)，但 實(shí)際工程中不易得到正弦波的信號(hào)，電子開關(guān)式的PSD解調(diào)電路還存在 交躍失真，而且模擬電路的溫漂較大，穩(wěn)定性較差。 實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種參考信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào) 節(jié)方便、測(cè)量精度高的光學(xué)膜厚測(cè)試儀。 本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的
本實(shí)用新型光學(xué)膜厚測(cè)試儀，主輸入信號(hào)依次經(jīng)串聯(lián)的差分放大 器、陷波器、主信號(hào)放大器、低通濾波器和偏置疊加器輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出接邏輯可編程器件，參考輸入信號(hào)經(jīng)參考信號(hào)處理電 路輸入邏輯可編程器件，邏輯可編程器件的輸出與單片機(jī)連接，單片機(jī) 與顯示器連接。參考信號(hào)處理電路由接口 Pl接入?yún)⒖夹盘?hào)，經(jīng)低通濾波器濾波、
第一運(yùn)算放大器WB放大和比較器U2整形為方波信號(hào)后輸入邏輯可編程 器件。
差分放大器由第二運(yùn)算放大器Ul構(gòu)成，陷波器由串連的第一放大 器U3和第二放大器U4構(gòu)成、第一、二放大器分別與電阻和電容構(gòu)成50Hz 和100Hz陷波器，主信號(hào)放大器為反向放大器，通過調(diào)節(jié)電阻R13校準(zhǔn) 放大位數(shù)，低通濾波器為二階低通濾波器U5，偏置疊加器由基準(zhǔn)芯片 U14和第三運(yùn)算放大器U6構(gòu)成，基準(zhǔn)芯片輸出基準(zhǔn)電壓加入第三運(yùn)算放 大器，使由低通濾波器U5輸入的雙極性信號(hào)變換為基準(zhǔn)電壓為中心的 單極信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，邏輯可編程器件為可編程門衛(wèi)陣列，單片機(jī) 與鍵盤和串，連接。
本實(shí)用新型的參考信號(hào)改為方波信號(hào)控制邏輯可編程芯片的電子 開關(guān)，調(diào)節(jié)參考信號(hào)的相位較為容易。邏輯可編程芯片采用數(shù)字乘法器、 高純度的參考信號(hào)和數(shù)字低通濾波器，運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)試方便，而且可以 取出人工調(diào)節(jié)相位差，實(shí)現(xiàn)快速全自動(dòng)測(cè)試，不會(huì)因?yàn)樾盘?hào)的頻率和相 位發(fā)生改變而解調(diào)錯(cuò)，使用更加便捷。
本實(shí)用新型使用極值法判別，雖然而設(shè)備中的信號(hào)幅度小，極易受 到外部干擾，甚至完全融入在噪聲中，使用本實(shí)用新型可提取出有用信 號(hào)，并穩(wěn)定顯示出信號(hào)大小，提供O. 1%的精度。
光學(xué)膜厚測(cè)試儀采用單片機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)等新型電子 器件，所有數(shù)字解調(diào)全部在FPGA內(nèi)部完成，單片機(jī)完成顯示與按鍵控 制，并與工控機(jī)通信。外部模擬型號(hào)使用差分放大器輸入，并且使用低 噪聲運(yùn)放增加信噪比。運(yùn)算電路由數(shù)字電路代替，可降低模擬電路的溫 度漂移量，提高線性度，解決了模擬電路存在的過零誤差，進(jìn)一步提高 設(shè)備穩(wěn)定性。


圖l為本實(shí)用新型框圖。
圖2為偏置疊加器電路原理圖。
圖3為差分放大器電路原理圖。
圖4為陷波器電路原理圖。
圖5為主信號(hào)放大器電路原理圖。
圖6為低通濾波器電路原理圖。圖7為參考信號(hào)處理電路原理圖。 圖8為己有的模擬膜厚測(cè)量?jī)x框圖。
具體實(shí)施方式
參考信號(hào)處理電路見附圖7，輸入的信號(hào)從圖左端的Pl屏蔽接口輸 入，經(jīng)電容C1，再經(jīng)電阻R1和電容C4組成的低通濾波器濾除高頻噪聲 后，通過運(yùn)放U1B的放大后。再通過電容C3，到電阻R3和電容C5濾波 后達(dá)到比較器U2，整形為標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)由JP1接頭輸出到邏輯可編程件 FPGA的180腳處理分析。
主信號(hào)的處理共分為五級(jí)電路(見附圖2—6)。
主信號(hào)第一級(jí)差分電路(見附圖3)，輸入的信號(hào)由左側(cè)進(jìn)入經(jīng)電容 C43,電容C44，電阻R7，電阻R8交流耦合輸入到差分輸入運(yùn)放Ul (AD524AD)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。圖中標(biāo)號(hào)RG引腳分別短到標(biāo)號(hào)GA引腳、' 標(biāo)號(hào)GB引腳、標(biāo)號(hào)GC引腳即可實(shí)現(xiàn)X10倍、X 100倍和X 1000倍的放 大。標(biāo)號(hào)RG引腳懸空即實(shí)現(xiàn)X1倍放大，再通過電容C30, R64交流耦 合到主信號(hào)第二級(jí)陷波器電路的輸入端。
主信號(hào)第二級(jí)陷波電路分為50Hz和100Hz的陷波兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)級(jí) 聯(lián)組成，主要作用是對(duì)50Hz的工頻干擾和50Hz 二次諧波(100Hz)的 抑制。由放大器U3及其外圍元件(電阻R17，電阻R18，電阻R14，電 容C45，電容C46，電容C49)組成50Hz的陷波器，放大器U4也是相同 電路結(jié)構(gòu)組成的100Hz的陷波器。再通過電容C22，電阻R66交流耦合 到主信號(hào)第三級(jí)放大電路輸入端。
第三級(jí)放大器電路是反向放大器標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)R13可校準(zhǔn)放 大倍數(shù)。并通過電容C37，電阻R67交流耦合到第四級(jí)低通濾波器電路 的輸入端。
第四級(jí)低通濾波器電路是由標(biāo)準(zhǔn)二階低通濾波器結(jié)構(gòu)構(gòu)成的抗混 疊濾波器的去高頻分量的作用。為進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器的信號(hào)去除采樣速率2 倍級(jí)以上的信號(hào)。再有電容C38，電阻R68交流耦合到第五級(jí)偏置疊加電路。
第五級(jí)偏置疊加器通過基準(zhǔn)芯片U14 (AD780)芯片6腳輸出高穩(wěn)定 度2.5V的基準(zhǔn)電壓加入到運(yùn)放(U6)的3腳，使輸入的雙極性信號(hào)抬 高2.5V電壓變換為以2.5V為中心的單極性信號(hào)。最終輸出到AD轉(zhuǎn)換 器(AD7655) 46腳轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入邏輯可編程器件(FPGA)處理分析。
由以上分析電路結(jié)構(gòu)可知，經(jīng)過調(diào)理后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，
通過邏輯可編程器件(FPGA)內(nèi)部的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)解調(diào)信號(hào)即 可實(shí)現(xiàn)對(duì)相位不敏感的全數(shù)字的正交矢量鎖定的解調(diào)。
權(quán)利要求1、光學(xué)膜厚測(cè)試儀，其特征在于主輸入信號(hào)依次經(jīng)串聯(lián)的差分放大器、陷波器、主信號(hào)放大器、低通濾波器和偏置疊加器輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出接邏輯可編程器件，參考輸入信號(hào)經(jīng)參考信號(hào)處理電路輸入邏輯可編程器件，邏輯可編程器件的輸出與單片機(jī)連接，單片機(jī)與顯示器連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)膜厚測(cè)試儀，其特征在于參考信號(hào) 處理電路由接口 Pl接入?yún)⒖夹盘?hào)，經(jīng)低通濾波器濾波、第一運(yùn)算放大 器WB放大和比較器U2整形為方波信號(hào)后輸入邏輯可編程器件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)膜厚測(cè)試儀，其特征在于差分放大 器由第二運(yùn)算放大器U1構(gòu)成，陷波器由串連的第一放大器U3和第二放 大器U4構(gòu)成、第一、二放大器分別與電阻和電容構(gòu)成50Hz和100Hz陷 波器，主信號(hào)放大器為反向放大器，通過調(diào)節(jié)電阻R13校準(zhǔn)放大位數(shù)， 低通濾波器為二階低通濾波器U5，偏置疊加器由基準(zhǔn)芯片U14和第三運(yùn) 算放大器U6構(gòu)成，基準(zhǔn)芯片輸出基準(zhǔn)電壓加入第三運(yùn)算放大器，使由 低通濾波器U5輸入的雙極性信號(hào)變換為基準(zhǔn)電壓為中心的單極信號(hào)輸 入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，邏輯可編程器件為可編程門衛(wèi)陣列，單片機(jī)與鍵盤和串 口連接。
專利摘要本實(shí)用新型為光學(xué)膜厚測(cè)試儀，解決已有膜厚測(cè)試儀使用調(diào)節(jié)不便，穩(wěn)定性差，精度差的問題。主輸入信號(hào)依次經(jīng)串聯(lián)的差分放大器、陷波器、主信號(hào)放大器、低通濾波器和偏置疊加器輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出接邏輯可編程器件，參考輸入信號(hào)經(jīng)參考信號(hào)處理電路輸入邏輯可編程器件，邏輯可編程器件的輸出與單片機(jī)連接，單片機(jī)與顯示器連接。
文檔編號(hào)G01B11/06GK201318934SQ20082014122
公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2008年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者博 張, 薛尚清, 亮 謝, 楊 魏 申請(qǐng)人:四川南光電氣有限責(zé)任公司