專利名稱：光學(xué)膜厚測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型與光學(xué)真空鍍膜生產(chǎn)過程中在線檢測膜厚的裝置有關(guān)。
技術(shù)背景
己有的模擬膜厚測量儀(以南光機器的GM服-9704光學(xué)膜厚測量控 制儀為代表)由主信號低噪聲放大器、參考信號放大器、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)。
這種裝置是測量調(diào)制光源通過被測基片的光強弱變化(以選出的某 一波長的光信號)。通過常用的光電轉(zhuǎn)換器(光電倍增管)輸出的被測 信號的電信號，再經(jīng)過放大處理加到PSD解調(diào)電路和測量用調(diào)制光源之 間經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到的參考信號進行鎖相解調(diào)得到與薄膜厚度成比例的 交流信號(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量儀中采用如圖8的方案設(shè)計，通過調(diào)劑參考 信號的相位達到測量的最大值，需要手工反復(fù)調(diào)節(jié)達到最佳狀態(tài)。在PSD 的解調(diào)電路中理論應(yīng)使用乘法器，參考信號應(yīng)是純凈的正弦波信號，但 實際工程中不易得到正弦波的信號，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。 實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種參考信號為數(shù)字信號，運行穩(wěn)定、調(diào) 節(jié)方便、測量精度高的光學(xué)膜厚測試儀。 本實用新型是這樣實現(xiàn)的
本實用新型光學(xué)膜厚測試儀，主輸入信號依次經(jīng)串聯(lián)的差分放大 器、陷波器、主信號放大器、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，參考輸入信號經(jīng)參考信號處理電 路輸入邏輯可編程器件，邏輯可編程器件的輸出與單片機連接，單片機 與顯示器連接。參考信號處理電路由接口 Pl接入?yún)⒖夹盘枺?jīng)低通濾波器濾波、
第一運算放大器WB放大和比較器U2整形為方波信號后輸入邏輯可編程 器件。
差分放大器由第二運算放大器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)電壓加入第三運算放 大器，使由低通濾波器U5輸入的雙極性信號變換為基準(zhǔn)電壓為中心的 單極信號輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，邏輯可編程器件為可編程門衛(wèi)陣列，單片機 與鍵盤和串，連接。
本實用新型的參考信號改為方波信號控制邏輯可編程芯片的電子 開關(guān)，調(diào)節(jié)參考信號的相位較為容易。邏輯可編程芯片采用數(shù)字乘法器、 高純度的參考信號和數(shù)字低通濾波器，運行穩(wěn)定，調(diào)試方便，而且可以 取出人工調(diào)節(jié)相位差，實現(xiàn)快速全自動測試，不會因為信號的頻率和相 位發(fā)生改變而解調(diào)錯，使用更加便捷。
本實用新型使用極值法判別，雖然而設(shè)備中的信號幅度小，極易受 到外部干擾，甚至完全融入在噪聲中，使用本實用新型可提取出有用信 號，并穩(wěn)定顯示出信號大小，提供O. 1%的精度。
光學(xué)膜厚測試儀采用單片機、現(xiàn)場可編程門陣列(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，單片機完成顯示與按鍵控 制，并與工控機通信。外部模擬型號使用差分放大器輸入，并且使用低 噪聲運放增加信噪比。運算電路由數(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，進一步提高 設(shè)備穩(wěn)定性。


圖l為本實用新型框圖。
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為參考信號處理電路原理圖。 圖8為己有的模擬膜厚測量儀框圖。
具體實施方式
參考信號處理電路見附圖7，輸入的信號從圖左端的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，通過運放U1B的放大后。再通過電容C3，到電阻R3和電容C5濾波 后達到比較器U2，整形為標(biāo)準(zhǔn)方波信號由JP1接頭輸出到邏輯可編程件 FPGA的180腳處理分析。
主信號的處理共分為五級電路(見附圖2—6)。
主信號第一級差分電路(見附圖3)，輸入的信號由左側(cè)進入經(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放Ul (AD524AD)實現(xiàn)信號的放大。圖中標(biāo)號RG引腳分別短到標(biāo)號GA引腳、' 標(biāo)號GB引腳、標(biāo)號GC引腳即可實現(xiàn)X10倍、X 100倍和X 1000倍的放 大。標(biāo)號RG引腳懸空即實現(xiàn)X1倍放大，再通過電容C30, R64交流耦 合到主信號第二級陷波器電路的輸入端。
主信號第二級陷波電路分為50Hz和100Hz的陷波兩個相同結(jié)構(gòu)級 聯(lián)組成，主要作用是對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 到主信號第三級放大電路輸入端。
第三級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交流耦合到第四級低通濾波器電路 的輸入端。
第四級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。為進入AD轉(zhuǎn)換器的信號去除采樣速率2 倍級以上的信號。再有電容C38，電阻R68交流耦合到第五級偏置疊加電路。
第五級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)電壓加入到運放(U6)的3腳，使輸入的雙極性信號抬 高2.5V電壓變換為以2.5V為中心的單極性信號。最終輸出到AD轉(zhuǎn)換 器(AD7655) 46腳轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進入邏輯可編程器件(FPGA)處理分析。
由以上分析電路結(jié)構(gòu)可知，經(jīng)過調(diào)理后的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，
通過邏輯可編程器件(FPGA)內(nèi)部的實時數(shù)字信號處理系統(tǒng)解調(diào)信號即 可實現(xiàn)對相位不敏感的全數(shù)字的正交矢量鎖定的解調(diào)。
權(quán)利要求1、光學(xué)膜厚測試儀，其特征在于主輸入信號依次經(jīng)串聯(lián)的差分放大器、陷波器、主信號放大器、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，參考輸入信號經(jīng)參考信號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連接，單片機與顯示器連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)膜厚測試儀，其特征在于參考信號 處理電路由接口 Pl接入?yún)⒖夹盘?，?jīng)低通濾波器濾波、第一運算放大 器WB放大和比較器U2整形為方波信號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)膜厚測試儀，其特征在于差分放大 器由第二運算放大器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 算放大器U6構(gòu)成，基準(zhǔn)芯片輸出基準(zhǔn)電壓加入第三運算放大器，使由 低通濾波器U5輸入的雙極性信號變換為基準(zhǔn)電壓為中心的單極信號輸 入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，邏輯可編程器件為可編程門衛(wèi)陣列，單片機與鍵盤和串 口連接。
專利摘要本實用新型為光學(xué)膜厚測試儀，解決已有膜厚測試儀使用調(diào)節(jié)不便，穩(wěn)定性差，精度差的問題。主輸入信號依次經(jīng)串聯(lián)的差分放大器、陷波器、主信號放大器、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，參考輸入信號經(jīng)參考信號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連接，單片機與顯示器連接。
文檔編號G01B11/06GK201318934SQ20082014122
公開日2009年9月30日 申請日期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 申請人:四川南光電氣有限責(zé)任公司