CN101050940B - 高精度双频激光干涉仪信号细分系统 - Google Patents

Abstract

高精度双频激光干涉仪信号细分系统，包括测量信号预处理电路、参考信号预处理电路、数字鉴相电路、周期为T1的时钟信号发生电路、时钟前沿重合检测电路、周期为T2的时钟信号发生电路、计数器、计数器及运算处理电路。采用两路周期分别为T1和T2的时钟驱动两个计数器在数字鉴相电路3输出以及时钟前沿重合检测电路的协同控制下进行计数，使得实际的计数频率达到

，从而得到了更高的细分精度。

Description

高精度双频激光干涉仪信号细分系统

技术领域

本发明是一种高精度信号细分系统，应用于双频激光干涉仪中，可广泛用于超大规模集成电路加工设备、精密机械加工设备等的在线位移测量、误差修正和控制等方面。

背景技术

双频激光干涉仪是工业中最具权威的长度测量仪器，被广泛应用于各种精密设备的在线位移测量和控制，是超大规模集成电路加工设备与精密机械工业不可或缺的关键测量工具。但若不对双频激光干涉仪输出信号进行细分处理，则最终测量精度只可达到激光光源波长的二分之一，在许多场合达不到分辨率要求，特别是在超大规模集成电路加工设备中。因此必须对信号进行细分处理，细分功能模块成为双频激光干涉仪的核心组成部分。传统的细分方法或受限于电子器件，或受限于测量目标的速度，而基于填脉冲的数字鉴相细分方法也受限于诸多因素，因此对测量精度的提高极其有限。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高精度双频激光干涉仪信号细分系统，采用该双频激光干涉仪信号细分系统，极大地提高了双频激光干涉测量系统的测量精度。

本发明的技术解决方案为：高精度双频激光干涉仪信号细分系统，包括测量信号预处理电路、参考信号预处理电路、数字鉴相电路、周期为T1的时钟信号发生电路、时钟前沿重合检测电路、周期为T2的时钟信号发生电路、第一计数器、第二计数器及运算处理电路，测量信号预处理电路和参考信号预处理电路分别完成测量信号与参考信号的光电检测、放大、滤波与整形，输出为两路数字方波信号，送入数字鉴相电路进行数字鉴相，输出为一定宽度的数字脉冲信号；数字鉴相电路输出信号的上升沿驱动周期为T1的时钟信号发生电路产生频率为f1的时钟信号，第一计数器对周期为T1的时钟信号发生电路的输出进行计数；数字鉴相电路输出信号的下降沿驱动周期为T2的时钟信号发生电路产生频率为f2的时钟信号，第二计数器对周期为T2的时钟信号发生电路的输出进行计数；当时钟前沿重合检测电路检测到周期为T1的时钟信号发生电路输出信号与周期为T2的时钟信号发生电路输出信号的前沿重合时，第一计数器与第二计数器停止计数，并将结果送入运算电路，经运算电路处理后得出细分结果，实现高精度的双频激光干涉仪信号细分系统。

本发明的原理：采用两路周期分别为T1和T2的时钟驱动两个计数器在数字鉴相电路3输出以及时钟前沿重合检测电路的协同控制下进行计数，使得实际的计数频率达到

，从而得到更高的精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明具有精度更高、容易实现和抗噪声能力强的优点。在传统的基于填脉冲的细分系统中，制约细分精度的关键因素是计数器的计数频率，若要得到更高的细分精度，就要用更高频率的脉冲对数字鉴相输出进行填充，这必然对计数器的工作频率提出更高的要求，而目前要实现较高频率的计数器是较困难的。本发明采用两个计数器对两路周期分别为T1和T2的时钟输出进行计数，将计数器的实际计数频率提高到，从而可以取得比传统方法高的精度，同时也降低了系统的实现难度。此外，系统关键部分均由数字电路实现，比传统的基于模拟技术的系统具有更强的抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中的测量信号预处理电路的结构示意图；

图3为图1中的时钟前沿重合检测电路结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例由测量信号预处理电路1、参考信号预处理电路2、数字鉴相电路3、周期为T1的时钟信号发生电路4、时钟前沿重合检测电路5、周期为T2的时钟信号发生电路6、第一计数器7、第二计数器8及运算处理电路9组成，测量信号预处理电路1和参考信号预处理电路2分别完成测量信号与参考信号的光电检测、放大、滤波与整形，输出为两路数字方波信号，送入数字鉴相电路3进行数字鉴相，输出为一定宽度的数字脉冲信号；数字鉴相电路3输出信号的上升沿驱动周期为T1的时钟信号发生电路4产生频率为f1的时钟信号，第一计数器7对周期为T1的时钟信号发生电路4的输出进行计数；数字鉴相电路3输出信号的下降沿驱动周期为T2的时钟信号发生电路6产生频率为f2的时钟信号，第二计数器8对周期为T2的时钟信号发生电路6的输出进行计数；当时钟前沿重合检测电路5检测到周期为T1的时钟信号发生电路4输出信号与周期为T2的时钟信号发生电路6输出信号的前沿重合时，第一计数器7与第二计数器8停止计数，并将计数结果送入运算处理电路9中，经运算处理电路9处理后得出细分结果，实现高精度的双频激光干涉仪信号细分系统。

本发明的测量精度计算公式：

$\mathrm{resolution}=\frac{f_{\mathrm{laser}}\·(f_2-f_1)}{f_2{f}_1}\·\frac{\mathrm{\λ}}{N}$

其中：f_laser为信号频率，f₁为时钟信号发生电路4输出的时钟频率，f₂为时钟信号发生电路6输出的时钟频率，且f₂＞f₁，λ为光源波长，N为光学倍频数。本实施例中f_laser为2.5MHZ，f₂为180MHZ，f₁为170MHZ，N＝2，则精度为λ/1224(0.5nm)。

如图2所示，测量信号预处理电路1由光电转换电路11、运算放大电路12、滤波电路13、整形电路14组成，光电转换电路11接收仪器输出的光信号并将其转换成电信号，运算放大电路12的作用是对光电转换电路11输出电信号进行放大，使其满足后续电路处理要求，滤波电路13的作用是滤除信号中的高频噪声，整形电路14的作用是将滤波电路13输出的正弦信号整形为适合数字器件处理的数字脉冲信号。参考信号预处理电路2与上述的结构及工作过程相似。

数字鉴相电路3采用的是安美森半导体公司的高速3态ECL鉴频鉴相器芯片MC100EP140DR2。

如图3所示，时钟前沿重合检测电路5由第一微分电路51、第一异或逻辑电路52、第二微分电路53、第二异或逻辑电路54以及与逻辑电路55组成，第一微分电路51对周期为T1的时钟信号发生电路4输出的时钟信号进行微分，第一异或逻辑电路52将第一微分电路51输出脉冲进行提纯；第二微分电路53对周期为T2的时钟信号发生电路6输出的时钟信号进行微分，第二异或逻辑电路54将第二微分电路53输出脉冲进行提纯；与逻辑电路55将第一异或逻辑电路52输出和第二异或逻辑电路54输出进行与操作，输出即为时钟脉冲前沿重合检测信号。

运算处理电路9由Altera公司的芯片EP2C5组成，它根据第一计数器7和第二计数器8的输出计算出测量结果的非整数计数部分的细分值。

Claims (2)

1.高精度双频激光干涉仪信号细分系统，其特征在于：包括测量信号预处理电路(1)、参考信号预处理电路(2)、数字鉴相电路(3)、周期为T1的时钟信号发生电路(4)、时钟前沿重合检测电路(5)、周期为T2的时钟信号发生电路(6)、第一计数器(7)、第二计数器(8)及运算处理电路(9)，测量信号预处理电路(1)和参考信号预处理电路(2)分别完成测量信号与参考信号的光电检测、放大、滤波与整形，输出为两路数字方波信号，送入数字鉴相电路(3)进行数字鉴相，输出为一定宽度的数字脉冲信号；数字鉴相电路(3)输出信号的上升沿驱动周期为T1的时钟信号发生电路(4)产生频率为f1的时钟信号，第一计数器(7)对周期为T1的时钟信号发生电路(4)的输出进行计数；数字鉴相电路(3)输出信号的下降沿驱动周期为T2的时钟信号发生电路(6)产生频率为f2的时钟信号，第二计数器(8)对周期为T2的时钟信号发生电路(6)的输出进行计数；当时钟前沿重合检测电路(5)检测到周期为T1的时钟信号发生电路(4)输出信号与周期为T2的时钟信号发生电路(6)输出信号的前沿重合时，第一计数器(7)与第二计数器(8)停止计数，并将结果送入运算处理电路(9)，经运算处理电路(9)处理后得出细分结果，运算处理电路(9)由Altera公司的芯片EP2C5组成，它根据第一计数器(7)和第二计数器(8)的输出计算出测量结果的非整数计数部分的细分值，实现高精度的双频激光干涉仪信号细分系统；其中测量精度计算公式为：

$\mathrm{resolution}=\frac{f_{\mathrm{laser}}\·(f_2-f_1)}{f_2{f}_1}\·\frac{\mathrm{\λ}}{N}$

其中：f_laser为信号频率，f₁为周期为T1的时钟信号发生电路(4)输出的时钟频率，f₂为周期为T2的时钟信号发生电路(6)输出的时钟频率，且f₂＞f₁，λ为光源波长，N为光学倍频数。

2.根据权利要求1所述的高精度双频激光干涉仪信号细分系统，其特征在于：所述的时钟前沿重合检测电路(5)由第一微分电路(51)、第一异或逻辑电路(52)、第二微分电路(53)、第二异或逻辑电路(54)及与逻辑电路(55)组成，第一微分电路(51)对周期为T1的时钟信号发生电路(4)输出的时钟信号进行微分，第一异或逻辑电路(52)将第一微分电路(51)输出脉冲进行提纯；第二微分电路(53)对周期为T2的时钟信号发生电路(6)输出的时钟信号进行微分，第二异或逻辑电路(54)将第二微分电路(53)输出脉冲进行提纯，与逻辑电路(55)将第一异或逻辑电路(52)输出和第二异或逻辑电路(54)输出进行与操作，输出即为时钟脉冲前沿重合检测信号。

Images