專利名稱：光學膜厚測試儀的制作方法
技術領域：
本實用新型與光學真空鍍膜生產(chǎn)過程中在線檢測膜厚的裝置有關。
技術背景
己有的模擬膜厚測量儀(以南光機器的GM服-9704光學膜厚測量控 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解調電路和測量用調制光源之 間經(jīng)光電轉換得到的參考信號進行鎖相解調得到與薄膜厚度成比例的 交流信號(頻率等于光源的調整頻率)，最后再經(jīng)交直流轉換后用顯示 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的方案設計，通過調劑參考 信號的相位達到測量的最大值，需要手工反復調節(jié)達到最佳狀態(tài)。在PSD 的解調電路中理論應使用乘法器，參考信號應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，電子開關式的PSD解調電路還存在 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 節(jié)方便、測量精度高的光學膜厚測試儀。 本實用新型是這樣實現(xiàn)的
本實用新型光學膜厚測試儀，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)轉換器、 模數(shù)轉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?，?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構成，陷波器由串連的第一放大 器U3和第二放大器U4構成、第一、二放大器分別與電阻和電容構成50Hz 和100Hz陷波器，主信號放大器為反向放大器，通過調節(jié)電阻R13校準 放大位數(shù)，低通濾波器為二階低通濾波器U5，偏置疊加器由基準芯片 U14和第三運算放大器U6構成，基準芯片輸出基準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電壓為中心的 單極信號輸入模數(shù)轉換器，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，調節(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，調試方便，而且可以 取出人工調節(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)生改變而解調錯，使用更加便捷。
本實用新型使用極值法判別，雖然而設備中的信號幅度小，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，整形為標準方波信號由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。圖中標號RG引腳分別短到標號GA引腳、' 標號GB引腳、標號GC引腳即可實現(xiàn)X10倍、X 100倍和X 1000倍的放 大。標號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的陷波兩個相同結構級 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 電路結構組成的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準結構，通過調節(jié)R13可校準放 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準二階低通濾波器結構構成的抗混 疊濾波器的去高頻分量的作用。為進入AD轉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芯片U14 (AD780)芯片6腳輸出高穩(wěn)定 度2.5V的基準電壓加入到運放(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轉換 器(AD7655) 46腳轉換為數(shù)字信號進入邏輯可編程器件(FPGA)處理分析。
由以上分析電路結構可知，經(jīng)過調理后的信號轉化為數(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。
權利要求1、光學膜厚測試儀，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)轉換器、模數(shù)轉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)權利要求1所述的光學膜厚測試儀，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。
3、 根據(jù)權利要求1所述的光學膜厚測試儀，其特征在于差分放大 器由第二運算放大器U1構成，陷波器由串連的第一放大器U3和第二放 大器U4構成、第一、二放大器分別與電阻和電容構成50Hz和100Hz陷 波器，主信號放大器為反向放大器，通過調節(jié)電阻R13校準放大位數(shù)， 低通濾波器為二階低通濾波器U5，偏置疊加器由基準芯片U14和第三運 算放大器U6構成，基準芯片輸出基準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電壓為中心的單極信號輸 入模數(shù)轉換器，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膜厚測試儀，解決已有膜厚測試儀使用調節(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)轉換器、模數(shù)轉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任公司