CN103791944B - 一种高精度通用测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高精度通用测量装置包括：传感器单元，其检测非电量环境参数并将检测到的非电量环境参数转换为电量信号；通用转换单元，其接收和处理传感器单元输出的电量信号，并将处理后的信号传递至一信号采集单元，该单元可通过配置实现多种类型传感器信号的接收，体现了其通用性；信号采集单元，其可提供电流源激励，该电流源电路可实现四种高精度恒流源激励的输出；该电流源电路在原有减法电路基础上设计可调的补偿电阻，实现对参考电源的电压补偿，进一步提高恒流源精度，并可通过该补偿电阻校准因电阻年漂所引起的误差，提高恒流源电路性能。

Description

一种高精度通用测量装置

技术领域

本发明涉及测量领域，更具体地说，涉及一种高精度的通用测量装置。

背景技术

光刻机工作过程中，需要实时精确监测各种运行参数及环境参数，由于光刻机对需测量的参数种类和测量精度均有较高的需求，要求测量装置一方面需要可以兼容各种类型的传感器，即具有通用性，另一方面需要达到高精度的测量要求，需具备高精度测量的能力。另外，考虑到各环境参数的测量所对应传感器的分布位置不同，测量装置需要做到每个传感器接口的相互独立，以便传感器的插拔。为了满足光刻机的工作需求，需提供一种测量装置，可满足以上所有条件，具有测量精度高，通用性强，方便操作的特点。

专利CN100432884提供了一种提高恒流源电路性能的方法，该恒流源电路如附图1所示，该电路的参考电源和运算放大器之间增设了减法装置，使供电电源与参考电源相减后的结果作为运算放大器的正端输入，参考电阻连接到运算放大器的负输入端，负载连接在三极管的发射极合电源地之间，使负载上的电压以零点势作为参考点，减少了恒流源电路对供电电源的依赖性，提高了恒流源的精度。但是，由于参考电源是由芯片ADR245提供，该芯片输出参考电源为5V±2mV，而2mV的误差对于高精度的测量系统而言是不可忽视的。

目前高精度的测量装置一般只针对于温度信号的测量，多适用于电流源激励的温度传感器，测量信号比较单一，对传感器类型的选择也比较局限，只能满足电流源激励并且电压输出型传感器的测量，不能满足光刻机对多种参数的测量需求及对不同种类传感器的激励需求。

发明内容

为克服上述缺点，本发明提供了一种高精度通用测量装置，包括：

传感器单元，其检测非电量环境参数并将检测到的非电量环境参数转换为电量信号；

通用转换单元，其接收和处理传感器单元输出的电量信号，并将处理后的信号传递至一信号采集单元；

该通用转换单元包括一传感器激励模块，可通过配置为传感器单元配置不同的激励源，该通用转换单元还包括一信号处理模块，可通过配置实现电流输出型和电压输出型传感器的信号接收；

信号采集单元，其对模拟信号进行模数转化，并进行采集信号；

其特征是，所述通用测量装置还包括一恒流源电路，其产生所述传感器单元激励需求的恒流源，该恒流源电路包括减法电路和四路恒流源可配置电路，该四路恒流源可配置电路包括参考电阻以及与该参考电阻串联的补偿电阻，一供电电源和参考电源通过减法电路相减后的结果作为参考电阻和可调电阻上的电压降，该四路恒流源可配置电路通过参数配置选通输出一路所述传感器单元激励需求的恒流源，该补偿电阻为可调电阻。通过调节该可调电阻来减少参考电源所引起的误差，提高了恒流源的精度。

上述四种恒流源可配置电路采用多通道选通技术，实现四种恒流源可选功能；

上述恒流源电路中，供电电源和参考电源经过减法电路相减后的结果作为运算放大器的正输入端，一电阻连接在运算放大器的输出端和一三极管的基极之间，运算放大器的负反馈端子接到三极管的发射极。供电电源和参考电源通过减法装置相减后的结果作为参考电阻和可调电阻上的电压降，减少了恒流源电路对供电电源和参考电源的依赖性。

进一步地，恒流源电路中的补偿电阻的精度为0.1％，参考电阻的精度为0.01％。

进一步地，传感器单元包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、湿度传感器等多种传感器，传感器单元采集非电量信号并将其转换为电量信号后，将该电量信号传递至通用转换单元。

进一步地，传感器激励模块包括电压源激励模块、电流源激励模块及激励选通模块。电压源激励模块包括升压电路和降压电路，用于将输入的电压源转换至特定的电压源；电流激励模块配置为恒流源电路所提供的电流源；激励选通模块包括两个拨码开关，该两个拨码开关控制多路模拟开关的输出，以实现多种传感器的激励选通。

进一步地，通用转换单元还包括信号转换模块，将传感器输出的电流信号转换为可被信号采集单元接收的电压信号，该信号转换模块包括单刀双掷开关和选择开关。

进一步地，通用转换单元还包括信号分压模块，将传感器输出的电压信号转换为可被信号采集单元接收的电压信号，该信号分压模块包括单刀双掷开关和选择开关。

进一步地，信号采集单元包括采集信号选通开关、模数转换器，该采集信号选通开关由控制器控制并选通一路采集信号通道，该控制器还控制模数转换器的转换参数。

本发明的高精度通用测量装置可适用于多种类型传感器以完成测量过程，具有精度高，通用性强和操作简单等优点，其有益效果如下：

(1)采用多路选通技术来实现各通道激励可选的功能，从而使得测量装置可兼容多种激励类型的传感器；

(2)在恒流源电路中设置可调电阻，实现对参考电源的电压补偿，达到进一步提高恒流源性能的效果，并可通过该可调电阻校准因参考电阻年漂所引起的误差；

(3)设置选择开关选通信号转换电路和信号分压电路，使得测量装置可兼容电流输出型和电压输出型的传感器，而且不会影响对高精度温度传感器的测量精度要求；

(4)各通道采用四线制传感器接口，可兼容三线制、四线制类型的传感器信号测量，并使每个通道上的传感器均可独立的插拔，而互不影响；

附图说明

图1是现有技术中的恒流源电路配置示意图。

图2是本发明高精度通用测量装置第一实施例的示意图

图3a-3b是本发明第一实施例的四线制传感器接口和三线制传感器接口的示意图。

图4是本发明第一实施例的电压源激励模块的示意图。

图5是本发明第一实施例的电流源电路的示意图。

图6是本发明第一实施例的激励选通模块的示意图。

图7是本发明第一实施例的信号转换模块的示意图。

图8是本发明第一实施例的信号分压模块的示意图。

图9是本发明第一实施例的数据采集流程图。

具体实施方式

总体而言，本发明旨于提出一种高精度通用测量装置，包括：传感器单元，其检测非电量环境参数并将检测到的非电量环境参数转换为电量信号；通用转换单元，其接收和处理传感器单元输出的电量信号，并将处理后的信号传递至一信号采集单元；该通用转换单元包括一传感器激励模块，可通过配置为传感器单元配置不同的激励源，该通用转换单元还包括一信号处理模块，可通过配置实现电流输出型和电压输出型传感器的信号接收；信号采集单元，其对模拟信号进行模数转化，并进行采集信号；测量装置还包括一恒流源电路，其产生所述传感器单元激励需求的电流源，该恒流源电路包括四路恒流源可配置电路和与参考电阻串联的四个补偿电阻，该恒流源可配置电路通过参数配置选通输出一路所述传感器单元激励需求的恒流源，该补偿电阻为可调电阻。

图2所示为本发明高精度通用测量装置的示意图，根据本发明的第一实施例，该通用测量装置包括：传感器单元100、通用转换单元200、信号采集单元300和通讯单元400，其中传感器单元100配置为检测温度、压力、流量、湿度等非电量环境参数并将其转换为电量信号；通用转换单元200包括传感器激励模块1、传感器接口2、信号转换模块9和信号分压模块10，该传感器激励模块1包括电压源激励模块3、电流源激励模块4及激励选通模块5，并被配置为向传感器单元100的多种类型的传感器配置激励源；信号采集单元300包括采集信号选通开关11和模数转换器12，本实施例的通用测量装置还包括电压源6、恒流源电路7及控制器13，电压源6和恒流源电路7分别向电压源激励模块3和电流源激励模块4提供被配置为激励源的电压源和电流源。

该通用转换单元200用于接收传感器单元100输出的电量信号，通过信号处理模块8将传感器单元100输出的模拟信号转换为可被信号采集单元300接收的信号，信号处理模块8可包括信号转换模块9和信号分压模块10，将传感器单元100输出的电量信号转换为信号采集单元300可接收的电量信号。该通用转换单元200还具有为传感器单元100内的传感器配置激励源的功能，通过传感器激励模块1向传感器单元100的多种类型的传感器配置激励源。

如图2所示，本实施例的高精度通用测量装置中，电压源6、恒流源电路7及控制器13可设置在信号采集单元300中，显然地，也可以不设置在信号采集单元300内，而是单独的模块。

下面将结合附图详述本实施例高精度通用测量装置的各模块单元及其工作过程。

一、传感器单元

传感器单元100配置为检测温度、压力、流量、湿度等非电量环境参数并将其转换为电量信号，并将电量信号传递至通用转换单元。该传感器单元100可包括但不限于高精度的温度传感器、压力传感器、流量传感器、湿度传感器等，根据光刻机对工作环境的要求和性能指标要求，可以选用不同类型、不同型号等传感器，所选择传感器的输出信号一般包括但不限于：0～5V、0～10V、4～20mA。

二、传感器接口

本实施例的传感器接口2包括多个通道的四线制接口16，例如LEMO公司生产的EZG.1B.304.CLN4的四芯接口，如图3a所示，每个通道的四线制接口16包括动力线正端16a和动力线负端16b，以及信号线正端16c和信号线负端16d，该接口结构适配于四线制接口的各种传感器。本实施例的四线制传感器接口还可兼容三线制传感器，如图3b所示，在传感器线缆接口端将对应的动力线负端16b和信号线负端16d短接即可实现对三线制传感器的兼容。

三、电压源激励模块

电压源激励模块3包括升压电路和降压电路，如图4所示，用于将电压源6或者外部供电设备提供的12V电压源，经过滤波后转换至5V、24V或者其他特定伏特数的电压源，以满足不同传感器的激励需求。

本实施例中，升压电路用于实现12V电压到24V电压的转换，采用LT公司生产的DC/DC芯片LT1070，该电路中的电感元件必须选用直流阻抗较小，电流大于500mA的电感，可满足同时给三个24V激励的传感器供电的需求。

本实施例中，降压电路用于实现12V电压到5V电压的转换，选用芯片型号为LM78L05，它的输入电压为12V，输出为5V，输出最大电流为500mA，可满足对多路5V激励传感器的供电需求。

四、电流源激励模块

电流源激励模块4为恒流源电路7提供的电流源，该恒流源电路7可产生1mA、100uA、10uA、1uA其中之一的电流源，满足如铂电阻传感器PT100、PT1000，以及热敏电阻传感器5610、5641的供电需求。

如图2及图5所示，恒流源电路7包括四路恒流源可配置电路，该恒流源电路7采用运放40产生5V的参考电压(也即参考电源)，供电电源Vcc和参考电压经过作为减法电路的运放41产生(12-5)V的输出电压，并作为运算放大器42的正输入端，电阻43连接在运算放大器42的输出端和三极管45的基极之间，运算放大器42的负反馈端子接到三极管45的发射极。

四路恒流源可配置电路，即为四路恒流源选择输出的配置电路，包括连接至供电电源31的四路电源输入通道30a、30b、30c和30d，通过参考电阻36/37/38/39，以及与参考电阻36/37/38/39串联的补偿电阻32/33/34/35连接至一控制模拟开关30的输入端(S1A，S1B；S2A，S2B；S3A，S3B；S4A，S4B)，控制模拟开关30的输出连接到通用转换单元200的电流源激励模块4，控制器13可操作地，由控制器13设定不同的选通参数，控制恒流源可配置电路的控制模拟开关30的两个输入端CSSA0和CSSA1。控制器13将CSSA0和CSSA1相应地分别设置为对应四种状态：‘11’、‘10’、‘01’、‘00’，通过运算，来实现产生1mA、100uA、10uA、1uA其中之一的电流源的输出选择。

下面将详细阐述本实施例中恒流源电路的改进。

参考图2，在不设置补偿电阻32/33/34/35的情况下，恒流源电路7中的参考电阻36/37/38/39的阻值分别设定为5MΩ/500kΩ/50kΩ/5kΩ，精度均为0.01％。

参考电阻36/37/38/39两端的压降为供电电源31的电压减去三极管45端电压，所以参考电阻36/37/38/39两端的压降为运放40的输出参考电压。因此，可通过选取输出电压精度高的运放40来提高参考电阻36/37/38/39两端电压的精度，进而提高恒流源电路7的精度。本实施例选用的运放40为ADR245，运放41为INA105，运放42为OPA602。运放40(ADR245)的输出的参考电压误差为2mV，纹波为2uV。

下面以高精度的热敏电阻传感器5641(精度为0.005℃)为例来分析该参考电源误差导致的恒流源误差，恒流源激励选用10uA，参考电阻34为500kΩ，电流源误差为：

Error＝(2mV÷500kΩ)÷10uA＝0.04％

热敏电阻传感器5641在20℃时的电阻值为5KΩ，则：

Rerror＝5KΩ×(10uA×0.04％-10uA)÷10uA＝2Ω

热敏电阻传感器5641在20℃环境下变化0.005℃时，电阻变化值大约为1Ω，这样电流源带来的误差为0.01℃，对于高精度标准要求的光刻机而言，这样的误差是不可忽视的。

所以，为了提高恒流源电路的精度，本实施例的恒流源电路7的参考电阻36/37/38/39的阻值分别设置为4.99MΩ/499kΩ/49.9kΩ/4.99kΩ，并增加可调电阻32/33/34/35，其阻值分别为20kΩ/2kΩ/200Ω/20Ω，精度为0.1％。通过可调电阻32/33/34/35的微调，补偿因参考电源精度不够而引起的误差。另外，当参考电阻36/37/38/39因年漂有所偏差时，也可通过微调可调电阻32/33/34/35来补偿。

考虑到可调电阻32/33/34/35的精度和参考电阻36/37/38/39精度对测量所带来的误差，这里同样以高精密的热敏电阻传感器5641(精度为0.005℃)为例进行分析，恒流源激励选用10uA，参考电阻34为500kΩ，所产生的恒流源精度为：

Error＝(200Ω×0.1％+500kΩ×0.01％)÷500kΩ＝0.01004％

恒流源精度所带来的测量误差：

Rerror＝5KΩ×(10uA×0.0104％)÷10uA＝0.52Ω

显然，可调电阻32/33/34/35的微调补偿了因参考电源精度不够而引起的恒流源误差，并且可调电阻和参考电阻的精度所产生的恒流源精度可满足测试精度需求。

五、激励选通模块

激励选通模块5用于传感器单元100的各传感器的激励配置，每一通道的激励配置由对应的两个拨码开关15-和15-2来控制。通过拨码开关控制多路模拟开关18和19，实现电流源或电压源激励的选通，再将输出的激励传输到传感器接口200。

如图6所示，为一路通道激励的配置电路结构示意图，其中拨码开关15-1的一端接到多路模拟开关18和19的A0引脚，并通过上拉电阻接到+5V电源17，另一端接到电源地。拨码开关15-2的一端接到多路模拟开关18和19的A1引脚，并通过上拉电阻接到+5V电源17，另一端接到电源地。

通过控制拨码开关15-1和15-2的开与关，控制多路模拟开关18和19的A0和A1引脚，拨码开关15-1和15-2可设置四种不同的组合状态，从而多路模拟开关的引脚A0、A1可相应的被设置在四种状态：‘11’、‘10’、‘01’、‘00’，通过多路模拟开关18和19的逻辑运算处理，可实现所需输入激励的选通，并通过多路模拟开关的D端子输出。

多路模拟开关18的输出D连接到传感器接口16的动力线正端16a(pin1)，多路模拟开关19的输出D连接到传感器接口16的动力线负端16c(pin4)，从而实现四种激励源的配置。

显然地，采用本实施例的选通方式，可以根据不同类型、不同型号传感器的激励源需求自由地更换传感器的激励类型。

六、信号转换模块

信号转换模块9配置为将电流输出型传感器的输出转换为可被信号采集单元接受的电压信号，如将4～20mA的传感器电流输出信号转换为0～5V的电压信号。

如图7所示，信号转换模块9包括采样电阻20、电容21、单刀双掷开关22、选择开关23和运算放大器24，其中采样电阻20需要根据电流型传感器的带负载能力来确定其阻值，一般电流型输出传感器的额定最大负载RL≤(V_供电-10V)/0.02A。本实施例选用100Ω的采样电阻。本实施例采用单电源供电运放AD820作为电压跟随器。电容21的作用是为了提高抗干扰能力，消除高频信号干扰。

信号转换模块9通过一个单刀双掷开关22来实现信号转换与否。当开关22接通1-2时，信号为直连状态；当开关接通1-3时，进行电流信号到电压信号的转换。本实施例的信号转换模块9还设置了选择开关23，其目的是为了消除运放AD820的失调电压。AD820的最大失调电压为800uV，该失调电压对于精确度要求高的温度参数而言，其带来的误差不可忽略。对于10uA激励的温度传感器测量所产生的误差：

R_ERROR＝U_失调/I＝800uV/10uA＝80Ω；

而对于温度传感器5641而言，在20℃的环境下，温度变化0.1℃时，电阻的变化值为20Ω，失调电压800uV所导致的测量误差为0.4℃，这个误差不可忽略的。本实施例的信号转换模块9通过设置选择开关23，在需要信号转换处理时，则关闭开关23，在进行温度测试或者不需要进行信号转换的测试时断开选择开关23，以消除运放对测量值的影响。

七、信号分压模块

信号分压模块10配置为将电压输出型传感器的输出信号转换为可被信号采集单元接受的电压信号，如将0～5V的传感器电压输出信号转换为0～5V的电压输出信号信号。

如图8所示，信号分压模块10包括分压电阻25和26、单刀双掷开关27、选择开关28和运算放大器29。其中运算放大器29采用AD820，以增加分压电路的输入电阻，减小传感器信号源的输出电阻，利用两个高精度的电阻10KΩ(±0.1％，15ppm/C)进行了分压处理，将0～10的电压信号转换为0～5V的电压信号。

与信号转换模块9类似地，信号分压模块10采用一个单刀双掷的开关27来配置信号转换与否，需要分压时接通1-3，不需要分压时接通1-2；并采用选择开关28来消除运算放大器29的失调电压导致的信号误差，需要分压功能则关闭选择开关28，不需要分压功能则断开选择开关28。

八、信号采集单元

信号采集单元300配置为接收通用转换单元200传递的信号信息，并经模数转换后传递至控制器13中，控制器13内具有存储器，可存储该信号信息。控制器13具有通讯单元，通过VME总线的形式与外部设备通信，将存储的数据通过VME总线上传给外部设备，并将外部设备发送的数据，存储到控制器内部RAM中，控制器根据所接收的数据对本实施例的测量装置进行参数配置。

信号采集单元300包括采集信号选通开关11，本实施例的高精度通用测量装置采用ADG409芯片，通过4个4选1的ADG409芯片来完成通道的选通。控制器13控制CCSEN、CCSA0和CCSA1三个引脚的输入，其中，CCSEN使能4个模拟开关，CCSA0和CCSA1来选通某一个通道，实现同一时间只有一路通道选通。

信号采集单元300还包括模数转换器12，本实施例的高精度通用测量装置采用24位的ADS1255转换器，该转换器可以通过编程来设计转换速率和信号放大倍数。由于转换精度与转换速率有关，转换速率增加，采样速率会相应降低，所以在使用中可以根据对转换精度和转换速率的需求，控制器13根据需求对二者的参数进行合理设定。

图9所示为本实施例高精度通用测量装置的信号采集工作流程图，系统初始化后，控制器13将对模数转换器12进行参数配置并启动该模数转换器12，然后控制器13控制进行多个通道的选通参数设置，如对恒流源电路7和采集信号选通开关11的选通参数设置，在选通某一个测量通道后，该通道上对应的传感器将完成检测过程并将检测信号输出至通用转换单元200通用转换单元200将完成信号的转换，并传递至控制器进行存储。

存储过程完成后，控制器13控制模数转换器12复位，控制器13将再次循环进行多个通道的选通参数设置，以完成多个检测通道的选通和多种参数的测量采集过程。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种高精度通用测量装置，包括：

传感器单元，其检测非电量环境参数并将检测到的非电量环境参数转换为电量信号；

通用转换单元，其接收和处理传感器单元输出的电量信号，并将处理后的信号传递至一信号采集单元；

该通用转换单元包括一传感器激励模块，可通过配置为传感器单元配置不同的激励源，该通用转换单元还包括一信号处理模块，可通过配置实现电流输出型和电压输出型传感器的信号接收；

信号采集单元，其对模拟信号进行模数转化，并进行采集信号；

其特征是，所述通用测量装置还包括一恒流源电路，其产生所述传感器单元激励需求的恒流源，该恒流源电路包括减法电路和四路恒流源可配置电路，该四路恒流源可配置电路包括模拟开关、参考电阻以及与该参考电阻串联的补偿电阻，还包括连接至一供电电源的四路电源输入通道，所述四路电源输入通道分别通过所述参考电阻和所述补偿电阻连接至所述模拟开关的输入端，所述模拟开关的输出通过一三极管连接到所述传感器激励模块的电流源激励模块；

所述恒流源电路中，所述供电电源和一参考电源经过所述减法电路相减后的结果作为一运算放大器的正输入端，一电阻连接在所述运算放大器的输出端和所述三极管的基极之间，所述运算放大器的负反馈端子接到所述三极管的发射极；

所述三极管的发射极与所述模拟开关连接，所述参考电阻和补偿电阻上的电压降为所述供电电源的电压减去所述三极管的发射极端电压；

该四路恒流源可配置电路通过参数配置选通输出一路所述传感器单元激励需求的恒流源，该补偿电阻为可调电阻。

2.如权利要求1所述的高精度通用测量装置，其特征是，所述参考电源为一运算放大器产生的5V电源。

3.如权利要求2所述的高精度通用测量装置，其特征是，与所述四路电源输入通道连接的所述可调电阻的精度均为0.1％。

4.如权利要求1所述的高精度通用测量装置，其特征是，与所述四路电源输入通道连接的所述参考电阻均选用0.01％精度的高精密电阻。

5.如权利要求1所述的高精度通用测量装置，其特征是，传感器单元包括多通道的四线制接口，该四线制接口包括动力线正端和动力线负端，以及信号线正端和信号线负端，并且各个通道的接口相互独立。

6.如权利要求1所述的高精度通用测量装置，其特征是，所述传感器激励模块包括电压源转换模块和激励选通模块。

7.如权利要求6所述的高精度通用测量装置，其特征是，所述激励选通模块包括由拨码开关控制的多路模拟开关，该多路模拟开关通过逻辑运算实现激励的选通。

8.如权利要求1所述的高精度通用测量装置，其特征是，所述信号处理模块包括信号转换模块，其配置为将传感器单元输出的电流信号转换为可被所述信号采集单元接收的电压信号。

9.如权利要求1所述的高精度通用测量装置，其特征是，所述信号处理模块包括信号分压模块，其配置为将传感器单元输出的电压信号转换为可被所述信号采集单元接收的电压信号。