专利名称：光学膜厚测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型与光学真空镀膜生产过程中在线检测膜厚的装置有关。
技术背景
己有的模拟膜厚测量仪(以南光机器的GM服-9704光学膜厚测量控 制仪为代表)由主信号低噪声放大器、参考信号放大器、移相电路、带 通滤波器、PSD解调电路，低通滤波器、DC增益器、显示器组成(原理 框图如图8所示)。
这种装置是测量调制光源通过被测基片的光强弱变化(以选出的某 一波长的光信号)。通过常用的光电转换器(光电倍增管)输出的被测 信号的电信号，再经过放大处理加到PSD解调电路和测量用调制光源之 间经光电转换得到的参考信号进行锁相解调得到与薄膜厚度成比例的 交流信号(频率等于光源的调整频率)，最后再经交直流转换后用显示 器(多为指针式表)显示出来。
在己有的模拟膜厚测量仪中采用如图8的方案设计，通过调剂参考 信号的相位达到测量的最大值，需要手工反复调节达到最佳状态。在PSD 的解调电路中理论应使用乘法器，参考信号应是纯净的正弦波信号，但 实际工程中不易得到正弦波的信号，电子开关式的PSD解调电路还存在 交跃失真，而且模拟电路的温漂较大，稳定性较差。 实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种参考信号为数字信号，运行稳定、调 节方便、测量精度高的光学膜厚测试仪。 本实用新型是这样实现的
本实用新型光学膜厚测试仪，主输入信号依次经串联的差分放大 器、陷波器、主信号放大器、低通滤波器和偏置叠加器输入模数转换器、 模数转换器的输出接逻辑可编程器件，参考输入信号经参考信号处理电 路输入逻辑可编程器件，逻辑可编程器件的输出与单片机连接，单片机 与显示器连接。参考信号处理电路由接口 Pl接入参考信号，经低通滤波器滤波、
第一运算放大器WB放大和比较器U2整形为方波信号后输入逻辑可编程 器件。
差分放大器由第二运算放大器Ul构成，陷波器由串连的第一放大 器U3和第二放大器U4构成、第一、二放大器分别与电阻和电容构成50Hz 和100Hz陷波器，主信号放大器为反向放大器，通过调节电阻R13校准 放大位数，低通滤波器为二阶低通滤波器U5，偏置叠加器由基准芯片 U14和第三运算放大器U6构成，基准芯片输出基准电压加入第三运算放 大器，使由低通滤波器U5输入的双极性信号变换为基准电压为中心的 单极信号输入模数转换器，逻辑可编程器件为可编程门卫阵列，单片机 与键盘和串，连接。
本实用新型的参考信号改为方波信号控制逻辑可编程芯片的电子 开关，调节参考信号的相位较为容易。逻辑可编程芯片采用数字乘法器、 高纯度的参考信号和数字低通滤波器，运行稳定，调试方便，而且可以 取出人工调节相位差，实现快速全自动测试，不会因为信号的频率和相 位发生改变而解调错，使用更加便捷。
本实用新型使用极值法判别，虽然而设备中的信号幅度小，极易受 到外部干扰，甚至完全融入在噪声中，使用本实用新型可提取出有用信 号，并稳定显示出信号大小，提供O. 1%的精度。
光学膜厚测试仪采用单片机、现场可编程门阵列(FPGA)等新型电子 器件，所有数字解调全部在FPGA内部完成，单片机完成显示与按键控 制，并与工控机通信。外部模拟型号使用差分放大器输入，并且使用低 噪声运放增加信噪比。运算电路由数字电路代替，可降低模拟电路的温 度漂移量，提高线性度，解决了模拟电路存在的过零误差，进一步提高 设备稳定性。


图l为本实用新型框图。
图2为偏置叠加器电路原理图。
图3为差分放大器电路原理图。
图4为陷波器电路原理图。
图5为主信号放大器电路原理图。
图6为低通滤波器电路原理图。图7为参考信号处理电路原理图。 图8为己有的模拟膜厚测量仪框图。
具体实施方式
参考信号处理电路见附图7，输入的信号从图左端的Pl屏蔽接口输 入，经电容C1，再经电阻R1和电容C4组成的低通滤波器滤除高频噪声 后，通过运放U1B的放大后。再通过电容C3，到电阻R3和电容C5滤波 后达到比较器U2，整形为标准方波信号由JP1接头输出到逻辑可编程件 FPGA的180脚处理分析。
主信号的处理共分为五级电路(见附图2—6)。
主信号第一级差分电路(见附图3)，输入的信号由左侧进入经电容 C43,电容C44，电阻R7，电阻R8交流耦合输入到差分输入运放Ul (AD524AD)实现信号的放大。图中标号RG引脚分别短到标号GA引脚、' 标号GB引脚、标号GC引脚即可实现X10倍、X 100倍和X 1000倍的放 大。标号RG引脚悬空即实现X1倍放大，再通过电容C30, R64交流耦 合到主信号第二级陷波器电路的输入端。
主信号第二级陷波电路分为50Hz和100Hz的陷波两个相同结构级 联组成，主要作用是对50Hz的工频干扰和50Hz 二次谐波(100Hz)的 抑制。由放大器U3及其外围元件(电阻R17，电阻R18，电阻R14，电 容C45，电容C46，电容C49)组成50Hz的陷波器，放大器U4也是相同 电路结构组成的100Hz的陷波器。再通过电容C22，电阻R66交流耦合 到主信号第三级放大电路输入端。
第三级放大器电路是反向放大器标准结构，通过调节R13可校准放 大倍数。并通过电容C37，电阻R67交流耦合到第四级低通滤波器电路 的输入端。
第四级低通滤波器电路是由标准二阶低通滤波器结构构成的抗混 叠滤波器的去高频分量的作用。为进入AD转换器的信号去除采样速率2 倍级以上的信号。再有电容C38，电阻R68交流耦合到第五级偏置叠加电路。
第五级偏置叠加器通过基准芯片U14 (AD780)芯片6脚输出高稳定 度2.5V的基准电压加入到运放(U6)的3脚，使输入的双极性信号抬 高2.5V电压变换为以2.5V为中心的单极性信号。最终输出到AD转换 器(AD7655) 46脚转换为数字信号进入逻辑可编程器件(FPGA)处理分析。
由以上分析电路结构可知，经过调理后的信号转化为数字信号后，
通过逻辑可编程器件(FPGA)内部的实时数字信号处理系统解调信号即 可实现对相位不敏感的全数字的正交矢量锁定的解调。
权利要求1、光学膜厚测试仪，其特征在于主输入信号依次经串联的差分放大器、陷波器、主信号放大器、低通滤波器和偏置叠加器输入模数转换器、模数转换器的输出接逻辑可编程器件，参考输入信号经参考信号处理电路输入逻辑可编程器件，逻辑可编程器件的输出与单片机连接，单片机与显示器连接。
2、 根据权利要求1所述的光学膜厚测试仪，其特征在于参考信号 处理电路由接口 Pl接入参考信号，经低通滤波器滤波、第一运算放大 器WB放大和比较器U2整形为方波信号后输入逻辑可编程器件。
3、 根据权利要求1所述的光学膜厚测试仪，其特征在于差分放大 器由第二运算放大器U1构成，陷波器由串连的第一放大器U3和第二放 大器U4构成、第一、二放大器分别与电阻和电容构成50Hz和100Hz陷 波器，主信号放大器为反向放大器，通过调节电阻R13校准放大位数， 低通滤波器为二阶低通滤波器U5，偏置叠加器由基准芯片U14和第三运 算放大器U6构成，基准芯片输出基准电压加入第三运算放大器，使由 低通滤波器U5输入的双极性信号变换为基准电压为中心的单极信号输 入模数转换器，逻辑可编程器件为可编程门卫阵列，单片机与键盘和串 口连接。
专利摘要本实用新型为光学膜厚测试仪，解决已有膜厚测试仪使用调节不便，稳定性差，精度差的问题。主输入信号依次经串联的差分放大器、陷波器、主信号放大器、低通滤波器和偏置叠加器输入模数转换器、模数转换器的输出接逻辑可编程器件，参考输入信号经参考信号处理电路输入逻辑可编程器件，逻辑可编程器件的输出与单片机连接，单片机与显示器连接。
文档编号G01B11/06GK201318934SQ20082014122
公开日2009年9月30日 申请日期2008年11月7日 优先权日2008年11月7日
发明者博 张, 薛尚清, 亮 谢, 杨 魏 申请人:四川南光电气有限责任公司