專利名稱：一種基于移動(dòng)比較的雙頻激光干涉儀信號(hào)高倍頻細(xì)分系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及激光干涉儀相位細(xì)分方法，特別是一種用于 雙頻激光干涉儀相位的高倍率細(xì)分系統(tǒng)，該系統(tǒng)可廣泛用于超大規(guī)模集成電路加工設(shè)備、 精密機(jī)床等的在線在位測(cè)量、誤差修正和控制等方面。
背景技術(shù)：
雙頻激光干涉儀是工業(yè)中最具權(quán)威的長度測(cè)量儀器，被廣泛用于各種精密機(jī)床、 大規(guī)模集成電路加工設(shè)備等的在線在位測(cè)量、誤差修正和控制。理論上，若不對(duì)雙頻激光干 涉儀輸出信號(hào)進(jìn)行細(xì)分處理，則最終測(cè)量精度只可達(dá)到激光光源波長的二分之一。隨著納 米制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)雙頻激光干涉儀的精度提出了更高的要求，因此必須對(duì)干涉儀輸出 信號(hào)進(jìn)行細(xì)分處理，細(xì)分功能模塊成為雙頻激光干涉儀的核心組成部分。傳統(tǒng)的細(xì)分方法 可以歸納為光學(xué)細(xì)分和電子細(xì)分兩種方式。由于光學(xué)細(xì)分是以犧牲干涉儀的測(cè)量速度為代 價(jià)的，光學(xué)細(xì)分?jǐn)?shù)即干涉儀測(cè)量速度降低的倍數(shù)，此外光學(xué)細(xì)分的結(jié)構(gòu)也過于復(fù)雜，難以實(shí) 現(xiàn)高倍細(xì)分，因此電子細(xì)分是激光干涉儀的主要細(xì)分方法?；阪i相倍頻的細(xì)分方法原理 為測(cè)量路與參考路信號(hào)同時(shí)鎖相倍頻處理，通過數(shù)字解調(diào)后得到與位移相關(guān)的倍頻脈沖， 此脈沖通過計(jì)數(shù)器與緩沖，再通過CPU數(shù)據(jù)處理得到位移信息，其特點(diǎn)是，解調(diào)后的脈沖也 可直接進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)高精度定位控制，但倍頻鎖相的頻率跟蹤的帶寬有限，數(shù)字解調(diào) 的控制受到高頻工作的限制。然而基于填脈沖的數(shù)字鑒相細(xì)分方法也受限于諸多因素，因 此對(duì)測(cè)量精度的提高極其有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種基于移動(dòng)比較的雙頻激光 干涉儀信號(hào)高倍頻細(xì)分系統(tǒng)，該信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)通過雙移動(dòng)窗比較組實(shí)現(xiàn)高倍頻細(xì)分的整數(shù) 和小數(shù)信號(hào)的產(chǎn)生，然后通過運(yùn)算電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能夠提高雙頻激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng) 的測(cè)量精度。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的該基于移動(dòng)比較的雙頻激光干涉儀信號(hào)高倍頻細(xì)分系統(tǒng)，包括參考信號(hào)預(yù)處理電 路、測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路、鑒相器、鋸齒波發(fā)生器、雙移動(dòng)窗比較組及運(yùn)算處理電路；所述 測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路和參考信號(hào)預(yù)處理電路分別完成測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的光電檢測(cè)、放 大、濾波與整形后，分別輸出為兩路方波數(shù)字信號(hào)并送入鑒相器進(jìn)行鑒相；所述鑒相器輸出 為占寬比隨相位變化的數(shù)字脈沖信號(hào)，該占寬比隨相位變化的數(shù)字脈沖信號(hào)控制所述鋸齒 波發(fā)生器產(chǎn)生幅值隨占寬比周期變化的鋸齒波，該鋸齒波進(jìn)入所述雙移動(dòng)窗比較組產(chǎn)生高 倍頻細(xì)后的整數(shù)脈沖和小數(shù)并行數(shù)據(jù)后，送入所述運(yùn)算處理電路進(jìn)行計(jì)算處理，所述運(yùn)算 處理電路得出最終細(xì)分結(jié)果并由總線方式輸出。上述雙移動(dòng)窗比較組由上比較器、下比較器、第一可逆計(jì)數(shù)器、第一靜態(tài)存儲(chǔ)器， 第二靜態(tài)存儲(chǔ)器，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成；所述上比較器和下比較器的輸出端分別與第一可逆計(jì)數(shù)器的輸入端連接，第一可逆計(jì)數(shù)器的輸出端分別連接第一靜態(tài)存儲(chǔ) 器和第二靜態(tài)存儲(chǔ)器的輸入端，第一靜態(tài)存儲(chǔ)器和第二靜態(tài)存儲(chǔ)器的輸出端分別與第一數(shù) 模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，而第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接至上比較器的 輸入端，第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接至下比較器的輸入端；所述第一可逆計(jì)數(shù)器還與總 線連接。上述鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的含有相位信息的鋸齒波信號(hào)同時(shí)進(jìn)入上比較器和下比 較器并分別在上比較器和下比較器中同第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的上窗口比較電壓和第二數(shù) 模轉(zhuǎn)換器輸出的下窗口比較電壓進(jìn)行比較；如果含有相位信息的鋸齒波信號(hào)幅值增加比上 窗口比較電壓高就產(chǎn)生加計(jì)數(shù)脈沖，送入第一可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)，其結(jié)果控制第一靜 態(tài)存儲(chǔ)器輸出并行數(shù)據(jù)控制第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出新的電壓作為上比較器的新比較電壓，然 后再作下一個(gè)比較循環(huán)；如果含有相位信息的鋸齒波信號(hào)幅值減少比下窗口比較電壓低就 產(chǎn)生減計(jì)數(shù)脈沖，送入第一可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行鑒計(jì)數(shù)，其結(jié)果控制第二靜態(tài)存儲(chǔ)器輸出并行 數(shù)據(jù)控制第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出新的電壓作為下比較器的新比較電壓，然后再作下一個(gè)比較 循環(huán)；所述可逆計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)通過溢出位輸出溢出計(jì)數(shù)整數(shù)脈沖和通過總線輸出小數(shù)脈沖進(jìn) 入后續(xù)運(yùn)算處理電路。上述運(yùn)算處理電路由第二可逆計(jì)數(shù)器、微處理器、輸出總線驅(qū)動(dòng)器組成；所述第二 可逆計(jì)數(shù)器接受來自雙移動(dòng)窗比較組的整數(shù)脈沖，所述微處理器從第二可逆計(jì)數(shù)器中讀出 整數(shù)脈沖，且所述微處理器還從第一可逆計(jì)數(shù)器中讀出小數(shù)脈沖，然后經(jīng)過疊加從輸出總 線驅(qū)動(dòng)器上輸出。本發(fā)明采用雙移動(dòng)窗比較組實(shí)現(xiàn)高倍頻細(xì)分的整數(shù)和小數(shù)信號(hào)的產(chǎn)生，然后通過 運(yùn)算電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以準(zhǔn)確的高分辨的測(cè)出雙頻激光干涉儀信號(hào)的周期和相位信 息，本發(fā)明具有以下有益效果1)本發(fā)明的基于移動(dòng)比較的雙頻激光干涉儀信號(hào)高倍頻細(xì)分系統(tǒng)采用的可逆計(jì) 數(shù)器與模數(shù)轉(zhuǎn)換相結(jié)合的電壓基準(zhǔn)的隨動(dòng)產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)了階梯比較脈沖，可以使得細(xì)分 精度由可逆計(jì)數(shù)器與模數(shù)轉(zhuǎn)換的位數(shù)決定，從而大大提高了細(xì)分精度，使得本發(fā)明滿足精 密加工領(lǐng)域應(yīng)用的要求；2)本發(fā)明采用高速數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，比傳統(tǒng)的細(xì)分系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和可靠 性。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的雙移動(dòng)窗比較組結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的運(yùn)算處理電路結(jié)構(gòu)示意圖。其中1、參考信號(hào)預(yù)處理電路，2、測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路，3、鑒相器，4、鋸齒波發(fā)生 器，5、雙移動(dòng)窗比較組，6、運(yùn)算處理電路，7、光電轉(zhuǎn)換，8、放大電路，9、濾波電路，10、整形， 11、上比較器，12、下比較器，13、第一可逆計(jì)數(shù)器，14、第一靜態(tài)存儲(chǔ)器，15、第二靜態(tài)存儲(chǔ) 器，16、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，17、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器，18、第二可逆計(jì)數(shù)器，19、微處理器，20、總線 驅(qū)動(dòng)器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述參見圖1，本發(fā)明的基于移動(dòng)比較的雙頻激光干涉儀信號(hào)高倍頻細(xì)分系統(tǒng)，包括參 考信號(hào)預(yù)處理電路1、測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路2、鑒相器3、鋸齒波發(fā)生器4、雙移動(dòng)窗比較組5 及運(yùn)算處理電路6。其中參考信號(hào)預(yù)處理電路1和測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路2的信號(hào)輸出端分 別與鑒相器3的信號(hào)輸入端連接，鑒相器3、鋸齒波發(fā)生器4、雙移動(dòng)窗比較組5和運(yùn)算處理 電路6依次連接。以上各部分間的具體信號(hào)處理和流動(dòng)方向如下測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路2和參考信號(hào)預(yù)處理電路1分別完成測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的 光電檢測(cè)、放大、濾波與整形后，分別輸出為兩路方波數(shù)字信號(hào)并送入鑒相器3進(jìn)行鑒相， 鑒相器3輸出為占寬比隨相位變化的數(shù)字脈沖信號(hào)，該占寬比隨相位變化的數(shù)字脈沖信號(hào) 控制所述鋸齒波發(fā)生器4產(chǎn)生幅值隨占寬比周期變化的鋸齒波，該鋸齒波進(jìn)入所述雙移動(dòng) 窗比較組5產(chǎn)生高倍頻細(xì)分的整數(shù)脈沖和小數(shù)并行數(shù)據(jù)后，送入所述運(yùn)算處理電路6進(jìn)行 計(jì)算處理，運(yùn)算處理電路6得出最終細(xì)分結(jié)果并由總線方式輸出。圖2為本發(fā)明的測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路2的結(jié)構(gòu)示意圖，測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路2由 光電轉(zhuǎn)換電路7、運(yùn)算放大電路8、濾波電路9和整形電路10依次連接組成。其中光電轉(zhuǎn)換 電路7接收雙頻激光干涉儀輸出的參考光路或測(cè)量光路的光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，運(yùn) 算放大電路8的作用是對(duì)光電轉(zhuǎn)換電路7輸出電信號(hào)進(jìn)行放大，使其滿足后續(xù)電路處理要 求，濾波電路9的作用是濾除信號(hào)中的高頻噪聲，整形電路10的作用是將濾波電路9輸出 的正弦信號(hào)整形為適合數(shù)字器件處理的數(shù)字脈沖信號(hào)。上述的參考信號(hào)預(yù)處理電路1與圖 2的測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路2結(jié)構(gòu)相同，且工作過程相似。參見圖3，本發(fā)明的雙移動(dòng)窗比較組5由上比較器11、下比較器12、第一可逆計(jì)數(shù) 器13、第一靜態(tài)存儲(chǔ)器14，第二靜態(tài)存儲(chǔ)器15，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器16和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器17組 成。其中上比較器11和下比較器12的輸出端分別與第一可逆計(jì)數(shù)器13的輸入端連接，第 一可逆計(jì)數(shù)器13的輸出端分別連接第一靜態(tài)存儲(chǔ)器14和第二靜態(tài)存儲(chǔ)器15的輸入端，第 一靜態(tài)存儲(chǔ)器14和第二靜態(tài)存儲(chǔ)器15的輸出端分別與第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器16和第二數(shù)模轉(zhuǎn) 換器17的輸入端連接。而第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器16的輸出端連接至上比較器11的輸入端，第二 數(shù)模轉(zhuǎn)換器17的輸出端連接至下比較器12的輸入端。第一可逆計(jì)數(shù)器13還與總線連接。以上鋸齒波發(fā)生器4產(chǎn)生的含有相位信息的鋸齒波信號(hào)同時(shí)進(jìn)入上比較器11和 下比較器12并分別在上比較器11和下比較器12中同第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器16輸出的上窗口比 較電壓和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器17輸出的下窗口比較電壓進(jìn)行比較；如果含有相位信息的鋸齒 波信號(hào)幅值增加比上窗口比較電壓高就產(chǎn)生加計(jì)數(shù)脈沖，送入第一可逆計(jì)數(shù)器13進(jìn)行加 計(jì)數(shù)，其結(jié)果控制第一靜態(tài)存儲(chǔ)器14輸出并行數(shù)據(jù)控制第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器16輸出新的電壓 作為上比較器11的新比較電壓，然后再作下一個(gè)比較循環(huán)；如果含有相位信息的鋸齒波信 號(hào)幅值減少比下窗口比較電壓低就產(chǎn)生減計(jì)數(shù)脈沖，送入第一可逆計(jì)數(shù)器13進(jìn)行鑒計(jì)數(shù)， 其結(jié)果控制第二靜態(tài)存儲(chǔ)器15輸出并行數(shù)據(jù)控制第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器17輸出新的電壓作為下 比較器12的新比較電壓，然后再作下一個(gè)比較循環(huán)；所述可逆計(jì)數(shù)器13實(shí)時(shí)通過溢出位輸 出溢出計(jì)數(shù)整數(shù)脈沖和通過總線輸出小數(shù)脈沖進(jìn)入后續(xù)運(yùn)算處理電路6。參見圖4，本發(fā)明所述的運(yùn)算處理電路6由第二可逆計(jì)數(shù)器18、微處理器19、輸出總線驅(qū)動(dòng)器20組成。其中第二可逆計(jì)數(shù)器18的輸出端連接微處理器19，微處理器19與 輸出總線驅(qū)動(dòng)器20連接。第二可逆計(jì)數(shù)器18接受來自雙移動(dòng)窗比較組5的整數(shù)脈沖，微 處理器19從第二可逆計(jì)數(shù)器18中讀出整數(shù)脈沖，且所述微處理器19還從第一可逆計(jì)數(shù)器 13中讀出小數(shù)脈沖，然后經(jīng)過疊加從輸出總線驅(qū)動(dòng)器20上輸出。運(yùn)算處理電路6中計(jì)算細(xì)分的分辨精度的計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
一種基于移動(dòng)比較的雙頻激光干涉儀信號(hào)高倍頻細(xì)分系統(tǒng)，其特征在于包括參考信號(hào)預(yù)處理電路(1)、測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路(2)、鑒相器(3)、鋸齒波發(fā)生器(4)、雙移動(dòng)窗比較組(5)及運(yùn)算處理電路(6)；所述測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路(2)和參考信號(hào)預(yù)處理電路(1)分別完成測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的光電檢測(cè)、放大、濾波與整形后，分別輸出為兩路方波數(shù)字信號(hào)并送入鑒相器(3)進(jìn)行鑒相；所述鑒相器(3)輸出為占寬比隨相位變化的數(shù)字脈沖信號(hào)，該占寬比隨相位變化的數(shù)字脈沖信號(hào)控制所述鋸齒波發(fā)生器(4)產(chǎn)生幅值隨占寬比周期變化的鋸齒波，該鋸齒波進(jìn)入所述雙移動(dòng)窗比較組(5)產(chǎn)生高倍頻細(xì)分的整數(shù)脈沖和小數(shù)并行數(shù)據(jù)后，送入所述運(yùn)算處理電路(6)進(jìn)行計(jì)算處理，所述運(yùn)算處理電路(6)得出最終細(xì)分結(jié)果并由總線方式輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻激光干涉儀信號(hào)高倍頻細(xì)分系統(tǒng)，其特征在于所述雙 移動(dòng)窗比較組(5)由上比較器(11)、下比較器(12)、第一可逆計(jì)數(shù)器(13)、第一靜態(tài)存儲(chǔ)器 (14)，第二靜態(tài)存儲(chǔ)器(15)，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(16)，第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(17)組成；所述上比較 器(11)和下比較器(12)的輸出端分別與第一可逆計(jì)數(shù)器(13)的輸入端連接，第一可逆計(jì) 數(shù)器(13)的輸出端分別連接第一靜態(tài)存儲(chǔ)器(14)和第二靜態(tài)存儲(chǔ)器(15)的輸入端，第一 靜態(tài)存儲(chǔ)器(14)和第二靜態(tài)存儲(chǔ)器(15)的輸出端分別與第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(16)和第二數(shù) 模轉(zhuǎn)換器(17)的輸入端連接，而第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(16)的輸出端連接至上比較器(11)的輸 入端，第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(17)的輸出端連接至下比較器(12)的輸入端；所述第一可逆計(jì)數(shù)器 (13)還與總線連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙頻激光干涉儀信號(hào)高倍頻細(xì)分系統(tǒng)，其特征在于所述鋸 齒波發(fā)生器(4)產(chǎn)生的含有相位信息的鋸齒波信號(hào)同時(shí)進(jìn)入上比較器(11)和下比較器(12)并分別在上比較器(11)和下比較器(12)中同第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(16)輸出的上窗口比 較電壓和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(17)輸出的下窗口比較電壓進(jìn)行比較；如果含有相位信息的鋸 齒波信號(hào)幅值增加比上窗口比較電壓高就產(chǎn)生加計(jì)數(shù)脈沖，送入第一可逆計(jì)數(shù)器(13)進(jìn) 行加計(jì)數(shù)，其結(jié)果控制第一靜態(tài)存儲(chǔ)器(14)輸出并行數(shù)據(jù)控制第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(16)輸出 新的電壓作為上比較器(11)的新比較電壓，然后再作下一個(gè)比較循環(huán)；如果含有相位信息 的鋸齒波信號(hào)幅值減少比下窗口比較電壓低就產(chǎn)生減計(jì)數(shù)脈沖，送入第一可逆計(jì)數(shù)器(13) 進(jìn)行鑒計(jì)數(shù)，其結(jié)果控制第二靜態(tài)存儲(chǔ)器(15)輸出并行數(shù)據(jù)控制第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(17)輸 出新的電壓作為下比較器(12)的新比較電壓，然后再作下一個(gè)比較循環(huán)；所述可逆計(jì)數(shù)器(13)實(shí)時(shí)通過溢出位輸出溢出計(jì)數(shù)整數(shù)脈沖和通過總線輸出小數(shù)脈沖進(jìn)入后續(xù)運(yùn)算處理 電路(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙頻激光干涉儀信號(hào)高倍頻細(xì)分系統(tǒng)，其特征在于所 述運(yùn)算處理電路(6)由第二可逆計(jì)數(shù)器(18)、微處理器(19)、輸出總線驅(qū)動(dòng)器(20)組成； 所述第二可逆計(jì)數(shù)器(18)接受來自雙移動(dòng)窗比較組(5)的整數(shù)脈沖，所述微處理器(19) 從第二可逆計(jì)數(shù)器(18)中讀出整數(shù)脈沖，且所述微處理器(19)還從第一可逆計(jì)數(shù)器(13) 中讀出小數(shù)脈沖，然后經(jīng)過疊加從輸出總線驅(qū)動(dòng)器(20)上輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于移動(dòng)比較的雙頻激光干涉儀信號(hào)高倍頻細(xì)分系統(tǒng)，包括參考信號(hào)預(yù)處理電路1、測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路2、鑒相器3、鋸齒波發(fā)生器4、雙移動(dòng)窗比較組5及運(yùn)算處理電路6。其中參考信號(hào)預(yù)處理電路1和測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路2的信號(hào)輸出端分別與鑒相器3的信號(hào)輸入端連接，鑒相器3、鋸齒波發(fā)生器4、雙移動(dòng)窗比較組5和運(yùn)算處理電路6依次連接。本發(fā)明采用雙移動(dòng)窗比較組實(shí)現(xiàn)高倍頻細(xì)分的整數(shù)和小數(shù)信號(hào)的產(chǎn)生，然后通過運(yùn)算電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以準(zhǔn)確的高分辨的測(cè)出雙頻激光干涉儀信號(hào)的周期和相位信息，極大的提高雙頻激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01B9/02GK101949684SQ20101027335
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月6日
發(fā)明者周阿維, 張濤, 王昭, 邵偉, 郭俊杰 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)