CN103700563A - 扫描电镜用扫描信号与工频同步的方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的方法、装置和系统，其中的装置包括：过零检测单元，用于从交流电压的过零点开始产生同步信号，并将产生的同步信号输出给控制单元；控制单元，从同步信号的上升沿到达时刻开始对信号进行可编程延时产生延时同步信号并控制数模转换单元输出与延时同步信号同步的数字量的扫描信号。利用过零点进行扫描信号和电网工频的同步不会由于电网电压波动而产生相移，从而保证了扫描信号和电网工频的良好同步，输出扫描信号不受电网电压波动的影响。由于控制单元对同步信号进行了编程延时，经过延时后的扫描信号起点能够避开由于电网电压过零而导致电路噪声较大的时刻，扫描信号与电网工频的同步性更好，对电网电压的抗干扰性和对电路噪声的抗干扰性更好。

Description

扫描电镜用扫描信号与工频同步的方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及一种电子学、电子光学的方法、装置和系统。具体地说，涉及一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的方法、装置和系统。

背景技术

扫描电子显微镜，简称扫描电镜是一种电子光学仪器，利用聚焦电子束在样品表面进行逐行扫描，电子束轰击样品表面产生二次电子或背散射电子的效率与样品的表面形貌或材料相关，将样品表面产生的二次电子或背散射电子收集起来，将样品表面电子束扫描的位置和产生的二次电子或背散射电子的数量用二维图像的形式表示，即得到扫描电镜的二次电子图像或背散射电子图像。扫描电镜图像的分辨率可达到纳米级甚至优于1.0纳米，在新材料、新能源、国防、科学研究等领域起着无法替代的作用。

《扫描电镜用图像采集系统的设计》（微细加工技术，No。3，2005）一文公开了扫描电镜用图像采集系统的技术现状。扫描电镜在采集高质量电子图像时，为了消除电网工频干扰对于图像质量的影响，一般将扫描电镜的行扫描信号和电网输电的工频信号进行同步。如图1所示，常用方法中与电网电压同步是通过幅值比较实现的，电网电压为220V50Hz交流电，比较电路对电网电压采样得到的正弦信号和一个固定阈值电压进行比较，高于阈值电压时输出高电平，低于阈值电压时输出低电平，这样得到的同步信号是一个和电网工频同步的方波。在同步信号的上升沿触发扫描信号开始新一行的扫描，这样就实现了扫描信号和电网工频的同步。但是使用这种方法，当电网电压波动时，正弦波的幅值产生变化，而用于比较的阈值电压是固定的，所以当正弦波幅值变化时，同步信号高电平的起点或终点（如图1中的a点和b点）的位置也会改变，即同步信号的占空比和相位都会相应改变，就会造成扫描信号与电网工频的同步性不好。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于采用固定阈值电压与电网电压进行比较实现的同步信号容易受电网电压波动的影响进而影响扫描电镜的图像质量，从而提出一种不受电网电压波动影响的扫描电镜用扫描信号与工频同步的方法、装置和系统。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置，包括：

过零检测单元，用于从交流电压的过零点开始产生同步信号，并将产生的所述同步信号输出给控制单元；

控制单元，从所述同步信号的上升沿到达时刻开始对信号进行可编程延时产生延时同步信号，产生的所述延时同步信号用于产生与工频同步的扫描信号。

所述的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置，所述过零检测单元进一步包括：第一电阻R1、第一二极管T1、第二二极管T2、比较器和第二电阻R2，其中，

所述第一电阻R1的一端与工频电源的输出端相连；所述第一电阻R1的另一端与所述第一二极管T1的负极、所述第二二极管T2的正极和所述比较器的正相输入端相连；所述第一二极管T1的正极、所述第二二极管T2的负极和所述比较器的反相输入端相连并共同接地；所述比较器的输出端与所述第二电阻R2的一端相连。

所述的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置，所述过零检测单元还包括光耦合器，所述光耦合器的输入端与所述第二电阻R2的另一端相连。

所述的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置，所述控制单元为单片机STM32，所述单片机STM32的外部中断触发端口输入所述同步信号，所述同步信号的上升沿触发单片机STM32的外部中断对所述同步信号进行可编程延时得到所述延时同步信号。

同时，提供一种扫描电镜用行扫描信号与工频同步的方法，包含以下步骤：

对工频电源从过零点开始产生同步信号并输出；

从所述同步信号的上升沿到达时刻开始对信号进行可编程延时产生延时同步信号，产生的所述延时同步信号用于产生与工频同步的扫描信号。

同时，提供一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的系统，包括：

降压单元，降压单元的输入端与工频电源的输出端相连，将输入的电压降为安全电压后输出给过零检测单元；

过零检测单元，用于从交流电压的过零点开始产生同步信号，并将产生的所述同步信号输出给控制单元；

控制单元，从所述同步信号的上升沿到达时刻开始对信号进行可编程延时产生延时同步信号并控制数模转换单元输出延时同步的扫描信号；

数模转换单元，将控制单元输出的数字量的所述延时同步信号转换成模拟量的扫描信号，并将生成的所述延时模拟量的扫描信号输出至功率放大单元；

功率放大单元，将所述模拟量的扫描信号进行放大生成与所述工频信号同步的扫描信号并输出。

所述的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的系统，所述降压单元为取样变压器。

所述的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的系统，所述数模转换单元是DAC8581。

所述的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的系统，所述功率放大单元为大电流运算放大器。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明的扫描电镜用扫描信号与工频同步的方法、装置和系统中，从交流电压的过零点开始产生同步信号，并将产生的所述同步信号输出给控制单元和从所述同步信号的上升沿到达时刻开始对信号进行可编程延时产生延时同步信号，这样，电网电压过零点的位置不会随电网电压波动而改变，所以利用过零点进行扫描信号和电网工频的同步不会由于电网电压波动而产生相移，从而保证了扫描信号和电网工频的良好同步，这样的输出扫描信号不受电网电压波动的影响。通过过零点检测的方法检测正弦波过零点位置，在电网电压的正半周期输出高电平同步信号，在负半周期输出低电平同步信号，同步信号从传统的采用阈值比较形成转变为采用过零检测形成，这样的转变使得同步信号能够不受电网电压不稳定的影响。

（2）本发明的扫描电镜用扫描信号与工频同步的方法、装置和系统中，过零检测单元的输出采用光耦合技术输出同步信号，隔离了过零检测单元与其他电路，避免了电路噪声对其他电路的影响。另外，由于控制单元对同步信号进行了编程延时，从而经过延时后的扫描信号起点能够避开由于电网电压过零而导致电路噪声较大的时刻，为扫描信号与电网的同步提供了更大的自由度。与常规方法相比，扫描信号与电网工频的同步性更好，对电网电压的抗干扰性和对电路噪声的抗干扰性更好。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是用传统方式产生同步信号，电网电压、同步信号、扫描信号的对比图；

图2是本发明一个实施例的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的方法、装置和系统中电网电压、同步信号、扫描信号的对比图；

图3是本发明一个实施例的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的系统的电路结构框图；

图4是本发明一个实施例的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的系统的电路图；

图5是本发明另一个实施例的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的系统的电路图；

图6是本发明一个实施例的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的方法的流程图；

图中附图标记表示为：1-降压单元；2-过零检测单元；3-控制单元；4-数模转换单元；5-功率放大单元。

具体实施方式

实施例1

参见图3所示，作为本发明的一个实施例的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的系统，包括：

降压单元1，降压单元的输入端与工频电源的输出端相连，将输入的电压降为安全电压后输出给过零检测单元2。

过零检测单元2，用于从交流电压的过零点开始产生同步信号，并将产生的所述同步信号输出给控制单元3。

控制单元3，从所述同步信号的上升沿到达时刻开始对信号进行可编程延时产生延时同步信号，并将产生的所述延时同步信号，并控制数模转换单元4输出与延时同步信号同步的数字量的扫描信号。其中，产生的所述延时同步信号用于产生于所述工频同步的扫描信号。所述过零检测单元2和所述控制单元3构成本发明一个实施例的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步装置。

数模转换单元4，将控制单元3输出的所述延时同步信号数字量转换成模拟量的扫描信号，并将生成的所述模拟量的扫描信号输出至功率放大单元5。

功率放大单元5，用于将所述模拟量的扫描信号进行放大生成与所述工频信号同步的扫描信号。

本实施例的扫描电镜用扫描信号与工频同步装置和系统中，电网电压的波动不会造成电压过零点位置的改变，通过过零点检测的方法检测正弦波过零点位置，在电网电压的正半周期输出高电平同步信号，在负半周期输出低电平同步信号。通过本过零检测单元的设计，同步信号从传统的采用阈值比较形成转变为采用过零检测形成，这样的转变使得同步信号能够不受电网电压不稳定的影响。同时，过零检测单元的输出采用光耦合技术输出同步信号，隔离了过零检测单元与其他电路，避免了电路噪声对其他电路的影响。本发明的扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置中，控制单元，对输入的同步信号加入可编程延时，经过延时后的扫描信号起点能够避开由于电网电压过零而导致电路噪声较大的时刻，为扫描信号与电网的同步提供了更大的自由度。与常规方法相比，扫描信号与电网工频的同步性更好，对电网电压的抗干扰性和对电路噪声的抗干扰性更好。

实施例2

作为本发明第二个实施例的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置和系统，在实施例1的基础上，参见图4所示，优选地，所述过零检测单元2进一步包括：第一电阻R1、第一二极管T1、第二二极管T2、比较器、第二电阻R2和光耦合器，其中，

所述第一电阻R1的一端与工频电源输出端相连；所述第一电阻R1的另一端与所述第一二极管T1的负极、所述第二二极管T2的正极和所述比较器的正相输入端相连；所述第一二极管T1的正极、所述第二二极管T2的负极和所述比较器的反相输入端相连并共同接地；所述比较器的输出端与所述第二电阻R2的一端相连，所述第二电阻R2的另一端与所述光耦合器的输出端相连。信号最后通过光耦合器输出，通过过零点检测的方法检测正弦波过零点位置，在电网电压的正半周期输出高电平同步信号，在负半周期输出低电平同步信号。

作为其他实施例，所述过零检测单元可以为任何能完成对输入正弦信号的零位检测并且输出同步方波信号的电路。比如，如图5所示的过零检测单元，包括采用运算放大器代替图4所示的过零检测单元中的比较器，其它部分不变，也可以具有过零检测单元的功能。

当然，作为其他实施例的过零检测单元2，也可以仅包括第一电阻R1、第一二极管T1、第二二极管T2、比较器、第二电阻R2，而不包括光耦合器。这样过零检测单元直接输出的信号未经过所述光耦合器的隔离降噪，噪声相对较大。

本实施例的扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置和系统中，过零检测电路中，电网电压的波动不会造成电压过零点位置的改变，通过过零点检测的方法检测正弦波过零点位置，在电网电压的正半周期输出高电平同步信号，在负半周期输出低电平同步信号。通过本过零检测单元的设计，同步信号从传统的采用阈值比较形成转变为采用过零检测形成，这样的转变使得同步信号能够不受电网电压不稳定的影响。同时，过零检测单元的输出采用光耦合技术输出同步信号，隔离了过零检测单元与其他电路，避免了电路噪声对其他电路的影响。

实施例3

作为本发明第二个实施例的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步装置和系统，在实施例1或实施例2的基础上，参见图4所示，所述降压单元1为取样变压器。所述取样变压器将220V AC市电转变为24V AC的安全电压，并且输出到过零检测单元。

所述取样变压器作为降压单元1，能够有效地将市电转换为安全电压，从而供给后续电路作为输入信号。

其他实施例中，所述降压单元也可为任何降压电路，比如采用分压电阻方式实现的降压电路，具体如图5所示，只要其功能是将输入的市电转换为安全电压，比如24V即可。

实施例4

作为本发明其他实施例的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置和系统中，在上述任一个实施例的基础上，所述控制单元3为单片机STM32，所述单片机STM32的外部中断触发端口输入所述同步信号，所述同步信号的上升沿触发单片机STM32的外部中断对所述同步信号进行可编程延时得到所述延时同步信号。

所述的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的系统中，如图5所示，所述控制单元3也可为FPGA等其他具有控制功能的单元，不仅局限于单片机FPGA。

实施例5

作为本发明其他实施例的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置和系统中，在上述任一个实施例的基础上，所述数模转换单元4是DAC8581。

实施例6

作为本发明其他实施例的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置和系统中，在上述任一个实施例的基础上，所述功率放大单元5也可为大电流运算放大器，同样能实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。

作为本发明其他实施例的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置和系统中，如图5所示，所述功率放大单元5也可为大功率三极管加普通运算放大器的实现方式。

实施例7

同时，参见图6所示，提供一种扫描电镜用行扫描信号与工频同步的方法，包含以下步骤：

将工频电压降为安全电压后输出。

对所述安全电压从过零点开始产生同步信号并输出。

从所述同步信号的上升沿到达时刻开始对信号进行可编程延时产生延时同步信号，并将产生的所述延时同步信号输出。其中，产生的所述延时同步信号用于产生与工频同步的扫描信号。

在所述延时同步信号的控制下，生成与所述延时同步信号同步的数字量的扫描信号，并将所述扫描信号的进行数模转换，得到模拟量的扫描信号并输出。

将模拟量的所述扫描信号进行放大生成与所述工频信号同步的扫描信号。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置，其特征在于，包括：

过零检测单元，用于从交流电压的过零点开始产生同步信号，并将产生的所述同步信号输出给控制单元；

控制单元，从所述同步信号的上升沿到达时刻开始对信号进行可编程延时产生延时同步信号，产生的所述延时同步信号用于产生与工频同步的扫描信号。

2.根据权利要求1所述的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置，其特征在于，所述过零检测单元进一步包括：第一电阻R1、第一二极管T1、第二二极管T2、比较器和第二电阻R2，其中，

所述第一电阻R1的一端与工频电源的输出端相连；所述第一电阻R1的另一端与所述第一二极管T1的负极、所述第二二极管T2的正极和所述比较器的正相输入端相连；所述第一二极管T1的正极、所述第二二极管T2的负极和所述比较器的反相输入端相连并共同接地；所述比较器的输出端与所述第二电阻R2的一端相连。

3.根据权利要求2所述的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置，其特征在于，所述过零检测单元还包括光耦合器，所述光耦合器的输入端与所述第二电阻R2的另一端相连。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的装置，其特征在于，所述控制单元为单片机STM32，所述单片机STM32的外部中断触发端口输入所述同步信号，所述同步信号的上升沿触发单片机STM32的外部中断对所述同步信号进行可编程延时得到所述延时同步信号。

5.一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的方法，其特征在于，包含以下步骤：

对工频电源从过零点开始产生同步信号并输出；

从所述同步信号的上升沿到达时刻开始对信号进行可编程延时产生延时同步信号，产生的所述延时同步信号用于产生与工频同步的扫描信号。

6.一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的系统，其特征在于，包括：

降压单元，降压单元的输入端与工频电源的输出端相连，将输入的电压降为安全电压后输出给过零检测单元；

过零检测单元，用于从交流电压的过零点开始产生同步信号，并将产生的所述同步信号输出给控制单元；

控制单元，从所述同步信号的上升沿到达时刻开始对信号进行可编程延时产生延时同步信号并控制数模转换单元输出与延时同步信号同步的数字量的扫描信号；

数模转换单元，将控制单元输出的数字量的所述延时同步信号转换成模拟量的扫描信号，并将生成的所述模拟量的扫描信号输出至功率放大单元；

功率放大单元，将所述模拟量的扫描信号进行放大生成与所述工频信号同步的扫描信号并输出。

7.根据权利要求6所述的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的系统，其特征在于，所述降压单元为取样变压器。

8.根据权利要求6或7所述的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的系统，其特征在于，所述数模转换单元是DAC8581。

9.根据权利要求6-8任一所述的一种扫描电镜用扫描信号与工频同步的系统，其特征在于，所述功率放大单元为大电流运算放大器。

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