專利名稱：電聲脈沖信號采集和處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電聲脈沖信號采集和處理系統(tǒng)，更確切地說，這種電聲脈沖采集和處理裝置不僅用于掃描電聲顯微鏡，而且可應(yīng)用于光聲成象、激光超聲探測以及其他顯微成象設(shè)備中。屬于材料評價與表征新技術(shù)領(lǐng)域。
掃描電聲顯微鏡(SEAM)是把現(xiàn)代電子光學(xué)技術(shù)、電聲技術(shù)、壓電傳感技術(shù)、弱信號檢測技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及計算機技術(shù)融為一體的多功能綜合性儀器，具有微區(qū)性能研究、內(nèi)部缺陷檢測和微結(jié)構(gòu)分析的多種功能。在材料科學(xué)和功能器件的研究和制造方面已顯示其獨特的作用。而電聲脈沖信號采集和處理裝置，是提取電聲信號的關(guān)鍵裝置，也是整個電聲顯微鏡系統(tǒng)的核心部件之一。
眾所周知，來自電聲信號探測器的原始電聲信號，是在電聲成象過程中把聲能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這種原始的電聲信號包含有試樣微結(jié)構(gòu)、微區(qū)性能和缺陷信息，但是它是一種非常微弱的脈沖信號，采集到這種微弱脈沖電聲信號，不但可以研究材料的亞表面結(jié)構(gòu)，還可以研究試樣在溫度場、電場改變時的動態(tài)行為，這無論從基礎(chǔ)研究和實用角度都是非常有意義的。
然而，這種微弱的脈沖電聲信號的采集，不僅需要裝置有高靈敏度、低噪聲、高增益、頻率跟蹤性高，而且還要能承受大的信號動態(tài)范圍以滿足電聲信號的采集特性。設(shè)計和制造達到這些要求的電聲脈沖信號采集裝置，已成為掃描電聲顯微鏡能否達到實際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。通過國際聯(lián)機檢索，查閱了1981-1999年的有關(guān)專利和文獻，未見有關(guān)本實用新型提出的電聲脈沖信號采集和處理系統(tǒng)的類似報導(dǎo)。
本實用新型的目的在于提供一種電聲脈沖信號采集和處理裝置，它不僅適用于掃描電聲顯微鏡，成為它的核心部件之一，而且可應(yīng)用于光聲成像、激光超聲探測以及其他顯微成象設(shè)備中。
本實用新型提供的電聲脈沖信號采集和處理裝置主要是由電子束掃描驅(qū)動系統(tǒng)、信號切換系統(tǒng)、脈沖信號提取系統(tǒng)、增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)、計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及相應(yīng)計算機控制軟件構(gòu)成(如


圖1所示)，其中(1)電子束掃描驅(qū)動系統(tǒng)，主要用于控制電子束在試樣上的掃描，它由兩路增益被固定的數(shù)／橫轉(zhuǎn)換電路組成，其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示；(2)信息切換系統(tǒng)，用于二次電子信號、電聲信號同相分量、電聲信號正交分量、電聲信號幅度分量和電聲信號的相位分量之間的切換，其原理結(jié)構(gòu)如圖3所示；(3)脈沖電聲信號采集系統(tǒng)，因為脈沖電聲信號是被頻閃頻率所調(diào)制的微弱信號，所以必須經(jīng)過鎖定放大處理，才能獲得真正的電聲信號，本系統(tǒng)完成脈沖信號的前置放大和鎖定放大處理；(4)增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)，這是本實用新型的核心部分，它包含了兩個技術(shù)要點1)高分辨率的程控放大電路；2)幅度敏感反饋控制計算機軟件，這部分結(jié)構(gòu)既可避免在計算機信號采集時大輸入信號時的溢出，又可將小輸入信號時的量化噪聲降至最小，這在本裝置脈沖信號采集過程是至關(guān)重要的，其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示；(5)計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成電聲信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并由計算機采集做進一步的電聲圖像處理，其原理結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
本實用新型提供的電聲脈沖信號采集和處理裝置，實際使用效果很好，配合可變電場和溫場的多功能電聲信號探測器，已取得許多新穎的試驗結(jié)果，受到了國內(nèi)外的高度評價。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型的特點和進步作進一步的闡述。
圖1是電聲脈沖信號采集和處理裝置的總結(jié)構(gòu)圖。
圖2是
圖1中的電子束掃描系統(tǒng)11的具體原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是
圖1中的信號切換系統(tǒng)5的具體原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是
圖1中增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)8的具體原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是
圖1中計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1．頻閃系統(tǒng)；2．方波發(fā)生器；3．被測試樣；4．脈沖信號提取系統(tǒng)；5．信號切換系統(tǒng)；6．計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；7．放大率調(diào)整器；8．增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)；9．鏡筒；10．雙屏顯示器；11．電子束掃描系統(tǒng)；12．放大器；13．顯示器驅(qū)動電路；14．計算機總線。
112．地址；113．輸入數(shù)據(jù)；114．輸入輸出口地址詳編器；115．?dāng)?shù)據(jù)緩沖器；116．X路鎖存器；117．Y路鎖存器；118．參考電流；119．12位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；1110．X通道；1111．Y通道。
52．接口芯片；53．光電隔離；54．電源；56．繼電器；57．電子束掃描發(fā)生器；58．?dāng)?shù)字掃描發(fā)生器；510．行掃描控制電壓；511．幀掃描控制電壓；512．掃描電鏡顯示器；14．計算機顯示系統(tǒng)；61．電聲信號同相分量；62．電聲信號正交分量；63．電聲信號幅度分量；64．電聲信號相位分量；65．二次電子信號；66．模擬開關(guān)；67．采樣保持電路；68．?dāng)?shù)模變換電路；81．輸入電聲信號；82．程控切換電路；83．增益電阻；84．放大器；85．放大電阻；86．輸出電聲信號；87．計算機程控信號。
圖3中，K為繼電器常開觸點，K1～K6驅(qū)動電路觸點，其結(jié)構(gòu)與K相同的繼電器常開觸點。
如
圖1所示，方波發(fā)生器2提供脈沖信號給脈沖信號提取系統(tǒng)4作為參考信號，同時提供頻閃系統(tǒng)1作為鏡筒9內(nèi)電子束的偏置激勵信號。試樣3作為被測對象，并配有溫場和電場可變的裝置(該裝置已另案申請，申請?zhí)?0216648．8)。電子束掃描系統(tǒng)11提供顯示器驅(qū)動電路13用作雙屏顯示器10的顯示，電子束掃描系統(tǒng)11產(chǎn)生的兩維信號經(jīng)放大率調(diào)整器7后作為鏡筒9電子束掃描驅(qū)動。來自放大器12的各類信號由信號切換系統(tǒng)5在計算機總線14控制下送到增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)8作增益調(diào)整后送至計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路6，數(shù)模轉(zhuǎn)換后由計算機通過計算機總線14采集。
如圖2所示，電子束掃描系統(tǒng)11是由兩路增益被固定的數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路組成，具體地說，它是通過數(shù)據(jù)緩沖器115，輸入輸出口地址采編器114，將輸入數(shù)據(jù)和地址，經(jīng)X、Y兩路鎖存器，分別經(jīng)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路118、119，而轉(zhuǎn)變成X、Y兩通道，一方面提供顯示器驅(qū)動電路13作為雙屏顯示器顯示；另一方面經(jīng)放大率調(diào)整器7后作為鏡筒9電子束掃描驅(qū)動。
信號切換系統(tǒng)5將來自放大器12的各類信號，經(jīng)接口芯片52，光電隔離53，通過電子束掃描發(fā)生器57，數(shù)字掃描發(fā)生器58，及行掃描和幀掃描電壓控制，進行切換后而與掃描電鏡顯示器連接而進入計算機顯示系統(tǒng)。
圖4所示的增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)，它是由高分辨率的程控放大電路和幅度敏感反饋控制的計算機軟件構(gòu)成。具體地說它通過程控切換電路82、增益電阻83、放大器84和放大電阻85構(gòu)成，可將輸入電聲信號81增益為輸出電聲信號86，由計算機總線14采集。
計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)模轉(zhuǎn)換電路是由模擬開關(guān)66，采樣保持電路67以及數(shù)模變換電路68構(gòu)成，可將增益后的電聲信號同相分量、正交分量以及幅度分量數(shù)模轉(zhuǎn)換后由計算機總線14采集。
權(quán)利要求1．電聲脈沖信號采集和處理裝置，其特征在于(1)主要由電子束掃描驅(qū)動系統(tǒng)(11)、信號切換系統(tǒng)(5)、脈沖信號提取系統(tǒng)(4)、增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)(8)、計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(6)及相應(yīng)計算機控制軟件構(gòu)成；(2)方波發(fā)生器(2)提供脈沖信號給脈沖信號提取系統(tǒng)(4)作為參考信號，同時提供頻閃系統(tǒng)(1)作為鏡筒(9)內(nèi)電子束的偏置激勵信號；電子束掃描系統(tǒng)(11)提供顯示器驅(qū)動電路(13)用作雙屏顯示器(10)的顯示；電子束掃描系統(tǒng)(11)產(chǎn)生的兩維信號經(jīng)放大率調(diào)整器(7)后作為鏡筒(9)電子束掃描驅(qū)動；來自放大器(12)的各類信號由信號切換系統(tǒng)(5)在計算機總線(14)控制下送到增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)(8)作增益調(diào)整后送至計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(6)，數(shù)模轉(zhuǎn)換后由計算機通過計算機總線(14)采集。
2．按權(quán)利要求1所述的電聲脈沖信號采集和處理裝置，其特征在于所述的電子束掃描驅(qū)動系統(tǒng)(11)它是由兩路增益被固定的數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路組成。
3．按權(quán)利要求1所述的電聲脈沖信號采集和處理裝置，其特征在于所述的信號切換系統(tǒng)(5)經(jīng)接口芯片(52)、光電隔離(53)，通過電子束掃描發(fā)生器(57)、幀掃描發(fā)生器(58)，控制行掃描電壓和幀掃描電壓進行切換。
4．按權(quán)利要求1所述的電聲脈沖信號采集和處理裝置，其特征在于所述的增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)(8)由高分辨率的程控放大電路和幅度敏感反饋控制計算機軟件構(gòu)成。
5．按權(quán)利要求1所述的電聲脈沖信號采集和處理裝置，其特征在于所述的增益自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)由程控切換電路(82)、增益電阻(83)、放大器(84)、放大電阻(85)構(gòu)成，可將輸入電聲信號(81)增益為輸出電聲信號(86)，由計算機總線(14)采集。
6．按權(quán)利要求1所述的電聲脈沖信號采集和處理裝置，其特征在于所述的計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)模轉(zhuǎn)換電路它由模擬開關(guān)(66)采樣保持電路(67)以及數(shù)模變換電路(68)構(gòu)成，可將增益后的電聲信號同相分量、正交分量以及幅度分量數(shù)模轉(zhuǎn)換后由計算機總線(14)采集。
7．按權(quán)利要求1所述的電聲脈沖信號采集和處理裝置，其特征在于不僅用于掃描電聲顯微鏡，而且可應(yīng)用于光聲成象、激光超聲探測以及其他顯微成象設(shè)備中。
專利摘要電聲脈沖信號采集和處理裝置,屬于材料評價與表征技術(shù)領(lǐng)域。它主要由電子束掃描驅(qū)動系統(tǒng)11、信號切換系統(tǒng)5、脈沖信號提取系統(tǒng)4、增益自適應(yīng)系統(tǒng)8、計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6以及相應(yīng)計算機控制軟件構(gòu)成。本實用新型不僅適用于電聲掃描顯微鏡,成為它的核心部件之一,而且可應(yīng)用于光聲成象、激光超聲探測。實際使用效果良好,配合可變電場和溫場的多功能電聲信號探測器,取得了許多新穎試驗結(jié)果,對陶瓷材料,金屬和半導(dǎo)體材料的制備和應(yīng)用提供了非常有價值的信息。
文檔編號H01J37/28GK2426212SQ0021776
公開日2001年4月4日 申請日期2000年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月24日
發(fā)明者殷慶端, 楊陽 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所