CN106191789B - 电子束加热蒸发源控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电子束加热蒸发源控制器，包括信号设定装置、负反馈控制器、第一信号选择器、数据转换器、电压源和乘法器，信号设定装置用于输出电压设定数字信号和功率设定数字信号，第一信号选择器用于可选择地使得电压设定数字信号或负反馈控制器输出的控制量传输至数据转换器，数据转换器用于将接收的电压设定数字信号或负反馈控制器输出的控制量转换为对应的设定电压，电压源用于根据设定电压输出相对应的输出电压，乘法器用于输出与电压源的输出功率对应的功率数字信号，负反馈控制器用于根据作为其参考输入量的功率设定数字信号和作为其被控制量的功率数字信号输出所述控制量。本发明的电子束加热蒸发源实现了恒功率模式。

Description

电子束加热蒸发源控制器
技术领域
本发明涉及电气控制装置，具体涉及一种蒸发源控制器。
背景技术
电子束加热蒸发源是利用电场作用下高速运动的电子轰击蒸发源使其蒸发为离子形成束流沉积在样品表面。由于电子束加热具有可控制的电流值、可调整电子束的轰击面积等优点，因此电子束加热蒸发源控制器已经成为实验物理领域广泛使用的一种电气控制装置。同时蒸发源也可以进行样品的加热，利用高压的电子轰击样品产生热效应来把样品加热到指定的温度。
图1是现有技术中的一种电子束加热蒸发源控制器，如图1所示，电子束加热蒸发源控制器100包括电压输出装置110、电流源130和温度测量装置140。
电压输出装置110包括第一放大电路111、第一电压表112、比例-积分-微分(PID)控制器113、信号选择器115、电压源114和第二电压表122。第一放大电路111用于将其输入端接收的束流Ib(皮安级至毫安级的电流)放大(例如线性放大)为对应的电压值并输出。第一电压表112用于测量第一放大电路111输出的电压值，根据电压值和放大系数从而得到束流Ib的大小。其中第一放大电路111输出的电压作为PID控制器113的被控制量，用于表示束流设定值的模拟电压信号Vbset作为PID控制器113的参考输入量。信号选择器115用于可选择地将PID控制器113输出的控制量Vset1或设定电压Vset2作为电压源114的设定电压用以调节电压源114的输出电压Vout1。第二电压表122用于测量电压源114的输出电压Vout1。由于电压源114的输出电压Vout1能直接调节束流Ib的大小，因此电压输出装置110可使得束流恒定。
电流源130根据设定电流VIset输出与其对应的灯丝电流。电流源130中的电流表131用于测量灯丝电流的大小。
温度测量装置140包括第二放大电路141和第三电压表142。第二放大电路141的输入端接收热偶输入信号Vtc(其为与蒸发源的温度成线性关系的电压信号)，且输出经放大的电压信号。第三电压表142测量第二放大电路141输出的电压信号，从而得知蒸发源的温度。
现有技术的电子束加热蒸发源控制器100中的电压源114在输出固定的电压时，由于负载的变化等其他因素其输出电流不一定恒定，因此无法确保输出功率恒定；其次电压输出装置110、电流源130和温度测量装置140是3个独立的仪器，在不增加仪器的前提下无法扩展控制器100的功能或工作模式，例如使得蒸发源以手动(恒电压模式)或者或恒束流模式工作；如果需要扩展电子束加热蒸发源控制器100的功能，只能在控制器机箱中增加能实现所需功能、独立工作的仪器，这样导致电子束加热蒸发源控制器成本增加和接线复杂度增加，并且由于仪器固有功能的限制，实际上很难增加或者改变其已有功能。再者，信号传输线或噪声信号易影响电压输出装置110中的第一放大电路111输出的电压信号，造成电压源114输出的电压值有较大的误差。
发明内容
因此，针对现有技术中存在的上述问题，本发明的一个实施例提供了一种电子束加热蒸发源控制器，所述电子束加热蒸发源控制器包括信号设定装置、负反馈控制器、第一信号选择器、数据转换器、电压源和乘法器，所述信号设定装置用于输出电压设定数字信号和功率设定数字信号，所述第一信号选择器用于可选择地使得所述电压设定数字信号或所述负反馈控制器输出的控制量传输至所述数据转换器，所述数据转换器用于将接收的所述电压设定数字信号或所述负反馈控制器输出的控制量转换为对应的设定电压，所述电压源用于根据所述设定电压输出相对应的输出电压，所述乘法器用于输出与所述电压源的输出功率对应的功率数字信号，所述负反馈控制器用于根据作为其参考输入量的所述功率设定数字信号和作为其被控制量的功率数字信号输出所述控制量。
优选的，所述信号设定装置还用于输出灯丝电流设定数字信号并传输至所述第一信号选择器，所述电子束加热蒸发源控制器还包括电流源，所述数据转换器还用于将所述灯丝电流设定数字信号转换为对应的灯丝电流设定电压，所述电流源用于根据所述灯丝电流设定电压输出相对应的输出灯丝电流。
优选的，所述信号设定装置还用于输出束流设定数字信号，所述电子束加热蒸发源控制器还包括电流转换器、第二信号选择器和第三信号选择器，所述电流转换器用于将其输入端接收的束流转换为对应的束流数字信号，所述第二信号选择器和第三信号选择器用于使得所述功率设定数字信号和所述功率数字信号分别作为所述负反馈控制器的参考输入量和被控制量，或使得所述束流设定数字信号和所述束流数字信号分别作为所述负反馈控制器的参考输入量和被控制量。
优选的，所述信号设定装置还用于输出温度设定数字信号并输出至所述第二信号选择器，所述电子束加热蒸发源控制器还包括温度转换器，所述温度转换器用于将其接收的热偶输入信号转换为对应的温度数字信号并传输至所述第三信号选择器，所述第二信号选择器和第三信号选择器还用于使得所述温度设定数字信号和所述温度数字信号分别作为所述负反馈控制器的参考输入量和被控制量。
优选的，所述电子束加热蒸发源控制器还包括输出扩展数字信号的扩展信号装置，所述信号设定装置还用于输出扩展设定数字信号，所述第二信号选择器和第三信号选择器还用于使得所述扩展设定数字信号和扩展数字信号分别作为所述负反馈控制器的参考输入量和被控制量。
优选的，所述负反馈控制器为PID控制器。
优选的，所述负反馈控制器输出的控制量为所述电流源的设定信号。
优选的，所述数据转换器还用于将与所述电压源的输出电压对应的第一电压取样信号转换为对应的第一电压显示数字信号，且将与所述电压源的输出电流对应的第二电压取样信号转换为对应的第二电压显示数字信号；其中所述乘法器还用于将所述第一电压显示数字信号和第二电压显示数字信号相乘后输出所述功率数字信号。
优选的，所述数据转换器还用于将与所述输出灯丝电流对应的电压信号转换为对应的灯丝电流显示数字信号。
优选的，所述数据转换器包括：输出计算单元，用于将所述第一信号选择器传输的所述电压设定数字信号或所述负反馈控制器输出的控制量转换为对应的电压数字信号，或将所述第一信号选择器传输的所述灯丝电流设定数字信号转换为灯丝电流数字信号；数模转换器，用于将所述电压数字信号转换为所述设定电压，或将所述灯丝电流数字信号转换为所述灯丝电流设定电压；模数转换器，用于将所述第一电压取样信号和第二电压取样信号分别转换为第一电压实际数字信号和第二电压实际数字信号，或将与所述输出灯丝电流对应的电压信号转换为对应的灯丝电流实际数字信号；以及输入计算单元，用于将所述第一电压实际数字信号和第二电压实际数字信号分别转换为所述第一电压显示数字信号和第二电压显示数字信号，或将所述灯丝电流实际数字信号转换为所述灯丝电流显示数字信号。
本发明的电子束加热蒸发源实现了恒功率模式；可方便实现功能扩展，成本低，并且抗信号干扰能力强。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是现有技术中的一种电子束加热蒸发源控制器。
图2是根据本发明第一个实施例的电子束加热蒸发控制器的电路框图。
图3是图2所示的电子束加热蒸发控制器在手动模式下灯丝电流调节的等效电路框图。
图4是图2所示的电子束加热蒸发控制器在手动模式下输出电压调节的等效电路框图。
图5是图2所示的电子束加热蒸发控制器在恒功率模式下的等效电路框图。
图6是图2所示的电子束加热蒸发控制器在恒束流模式下的等效电路框图。
图7是图2所示的电子束加热蒸发控制器在恒温度模式下的等效电路框图。
图8是根据本发明第二个实施例的电子束加热蒸发控制器的电路框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
图2是根据本发明第一个实施例的电子束加热蒸发控制器的电路框图。电子束加热蒸发控制器200包括信号设定装置210、第一信号选择器221、第二信号选择器222、第三信号选择器223、数据转换器230、电压源240、电流源250、电流转换器260、温度转换器270、乘法器280和PID控制器290。
信号设定装置210可以利用现有的电位器、旋转编码器等实现输出电压设定数字信号VsetD、灯丝电流设定数字信号FIsetD、束流设定数字信号IbsetD、功率设定数字信号PsetD和温度设定数字信号TsetD。
PID控制器290通过第二信号选择器222选择束流设定数字信号IbsetD、功率设定数字信号PsetD和温度设定数字信号TsetD之一作为其参考输入量。
PID控制器290通过第三信号选择器223选择功率数字信号PD、束流数字信号IbD和温度数字信号TD(将在下文予以说明)之一作为其被控制量。
第一信号选择器221用于可选择地使得电压设定数字信号VsetD、灯丝电流设定数字信号FIsetD和PID控制器290输出的控制量VD’之一输出至数据转换器230。
以下将结合第一信号选择器221、第二信号选择器222和第三信号选择器223的信号选择方式来说明电子束加热蒸发控制器200在不同工作模式的功能和工作原理。假定：数模转换器233和模数转换器234都为12位，且参考电源(图2未示出)的参考电压都为5伏。电流源250基于0～5伏的灯丝电流设定电压FVset输出0～3安的输出灯丝电流FIout，电压源240基于0～5伏的设定电压Vset输出0～2000伏的输出电压Vout。
(1)手动模式下灯丝电流调节。控制第一信号选择器221使得灯丝电流设定数字信号FIsetD传输至数据转换器230中的输出计算单元231。从而得到图3所示的在灯丝电流模式下的等效电路框图。
现以期望输出1.5安的灯丝电流为例进行说明。通过信号设定装置210输出数字为1.5的灯丝电流设定数字信号FIsetD。输出计算单元231将数字为1.5的灯丝电流设定数字信号FIsetD转换为与其对应的灯丝电流数字信号FID，即输出数字信号4096*1.5/3＝2048。数模转换器233将数字信号2048转换为2.5伏的灯丝电流设定电压FVset并输出至电流源250。电流源250与图1中的电流源130基本相同，区别在于不包括电流表131。电流源250根据接收的2.5伏的灯丝电流设定电压FVset得到1.5安的输出灯丝电流FIout。数模转换器234将与1.5安的输出灯丝电流FIout对应的电压信号FVmon(其等于1.5安×取样电阻1.67欧＝2.5伏)转换为对应的灯丝电流实际数字信号FImonD(其等于4095×2.5/5＝2048)。输入计算单元232将数字码为2048的灯丝电流实际数字信号FImonD转换为数字为1.5灯丝电流显示数字信号FIdD。在本发明的一个优选实施例中，电子束加热蒸发控制器200还可以包括显示装置，该显示装置用于将数据转换器230中的输入计算单元232输出的灯丝电流显示数字信号FIdD显示为1.5安。
因此，本发明的电子束加热蒸发控制器200在手动模式下可作为电流源使用。数据转换器230实现了将灯丝电流设定数字信号FIsetD转换为电流源250所需的灯丝电流设定电压FVset，并将输出灯丝电流FIout转换为灯丝电流显示数字信号FIdD，另外基于数字信号进行传输，降低了信号传输电缆的质量要求，降低了噪声信号对灯丝电流设定电压FVset的影响。
(2)手动模式下电压调节。控制第一信号选择器221使得电压设定数字信号VsetD传输至数据转换器230中的输出计算单元231。从而得到图4所示的在电压模式下的等效电路框图。
现以期望输出1000伏的输出电压Vout为例进行说明。通过信号设定装置210输出数字为1000的电压设定数字信号VsetD。输出计算单元231将数字为1000的电压设定数字信号VsetD转换为与其对应的电压数字信号VD，即输出数字信号2048。数模转换器233将数字信号2048转换为2.5伏的设定电压Vset并输出至电压源240。电压源240与图1中的电压源114相同。电压源240根据2.5伏的设定电压Vset得到1000伏的输出电压Vout。模数转换器234将与1000伏的输出电压Vout对应的第一电压取样信号V1mon(其等于1000伏×2.5/1000＝2.5伏)转换为对应的第一电压实际数字信号V1monD(其等于4095×2.5/5＝2048)。输入计算单元232将数字码为2048的的第一电压实际数字信号V1monD转换为数字为1000的第一电压显示数字信号V1dD。显示装置将数字为1000的第一电压显示数字信号V1dD显示为1000伏。
因此，本发明的电子束加热蒸发控制器200在手动模式下可作为电压源使用。同样，数据转换器230实现将电压设定数字信号VsetD转换为电压源240所需的设定电压Vset，并将输出电压Vout转换为第一电压显示数字信号V1dD；另外基于数字信号进行传输，降低了信号传输电缆的质量要求，降低了噪声信号对设定电压Vset的影响。
(3)恒功率模式。控制第二信号选择器222使得功率设定数字信号PsetD传输至PID控制器290并作为其参考输入量，且控制第一信号选择器221使得PID控制器290输出的控制量VD’输出至数据转换器230的输出计算单元231，同时控制第三信号选择器223使得乘法器280输出的功率数字信号PD传输至PID控制器290并作为其被控制量。从而得到图5所示的在恒功率模式下的等效电路框图。
假定电压源240的输出电压Vout为1000伏时，输出电流为62.5毫安，输出功率为62.5瓦。现以输出62.5瓦的功率为例进行说明。通过信号设定装置210输出数字为62.5的功率数字信号PD。PID控制器290根据被控制量PD和参考输入量PsetD输出用于控制电压源240的输出功率的控制量VD’。本领域的技术人员可以根据实际需要设定PID控制器290的比例系数、积分系数和微分系数，在此不予限制。为了清楚解释本实施例的原理，假定在某一个时刻PID控制器290输出的控制量VD’为数字1000的数字信号。因此输出计算单元231输出的电压数字信号VD是数字码2048。数模转换器233将数字码2048转换为2.5伏的设定电压Vset并输出至电压源240。电压源240输出1000伏的输出电压Vout和62.5毫安的输出电流。模数转换器234将与1000伏的输出电压Vout对应的2.5伏的第一电压取样信号V1mon转换为数字码为2048的第一电压实际数字信号V1monD，并且将与62.5毫安的输出电流对应的2.5伏的第二电压取样信号V2mon转换为数字码为2048的第二电压实际数字信号V2monD。输入计算单元232将第一电压实际数字信号V1monD转换为数字为1000的第一电压显示数字信号V1dD，并且将第二电压实际数字信号V2monD转换为数字为62.5×10-3的第二电压显示数字信号V2dD。乘法器280将数字为1000的第一电压显示数字信号V1dD和数字为62.5×10-3的第二电压显示数字信号V2dD相乘后输出数字为62.5瓦的功率数字信号PD。显示装置将功率数字信号PD显示为62.5瓦。
因此，本发明的电子束加热蒸发控制器200在恒功率模式下可输出恒定功率。另外本发明的电压源240能够分别用于恒功率模式和电压模式。
(4)恒束流模式。控制第二信号选择器222使得束流设定数字信号IbsetD传输至PID控制器290并作为其参考输入量，且控制第一信号选择器221使得PID控制器290输出的控制量VD’输出至输出计算单元231，同时控制第三信号选择器223使得电流转换器260输出的束流数字信号IbD传输至PID控制器290并作为其被控制量。从而得到图6所示的在恒束流模式下的等效电路框图。
假定电压源240的输出电压Vout为1000伏时，使得束流Ib为1毫安。现以获得1毫安的束流Ib为例进行说明。通过信号设定装置210输出数字为1的束流设定数字信号IbsetD。同样，为了清楚解释本实施例的原理，假定在某一个时刻PID控制器290输出的控制量VD’为数字1000的数字信号。同样输出计算单元231输出的电压数字信号VD是数字码2048。数模转换器233将数字码2048转换为2.5伏的设定电压Vset并输出至电压源240。电压源240根据2.5伏的设定电压Vset得到1000伏的输出电压Vout。1000伏的输出电压Vout产生1毫安的束流Ib。电流转换器260将1毫安的束流Ib转换为数字码为1的束流数字信号IbD，并作为PID控制器290的被控制量。
因此，本发明的电子束加热蒸发控制器200在恒束流模式下可产生恒定的束流。另外本发明的电流转换器260将束流转换为对应的数字信号，通过数字信号传输降低了信号传输电缆的质量要求，降低了外界干扰噪声对束流信号Ib的影响。
(5)恒温度模式。控制第二信号选择器222使得温度设定数字信号TsetD传输至PID控制器290并作为其参考输入量，控制第一信号选择器221使得PID控制器290输出的控制量VD’输出至输出计算单元231，同时控制第三信号选择器223使得温度转换器270输出的温度数字信号TD传输至PID控制器290并作为其被控制量。从而得到图7所示的在恒温度模式下的等效电路框图。温度转换器270用于将其输入端接收的热偶输入信号Vtc转换为对应的温度数字信号TD。
假定电压源240的输出电压Vout为1000伏时，在某一个热平衡条件下蒸发源的温度为800摄氏度。现以使得蒸发源的温度保持在800摄氏度为例进行说明。通过信号设定装置210输出数字为800的温度设定数字信号TsetD。同样，为了清楚解释本实施例的原理，假定在某一个时刻PID控制器290输出的控制量VD’为数字1000的数字信号。与恒束流模式相同，输出计算单元231输出数字码2048，数模转换器233输出2.5伏的设定电压Vset。电压源240得到1000伏的输出电压Vout。
因此，本发明的电子束加热蒸发控制器200可以控制蒸发源在恒定温度下蒸发。
本发明的电子束加热蒸发控制器200基于同一个PID控制290和同一个电压源240实现了手动、恒功率、恒束流和恒温度模式。减少了控制器的成本。
图8是根据本发明第二个实施例的电子束加热蒸发控制器的电路框图。其与图2基本相同，区别在于电子束加热蒸发控制器200’还包括通过第三信号选择器223连接至PID控制器290的扩展信号装置201，其用于输出受电压源240的输出电压Vout影响的扩展数字信号。信号设定装置210通过第二信号选择器222输出扩展设定数字信号Votherset至PID控制器290。
在一个优选的实施例中，利用蒸发源加热样品，扩展信号装置201输出的扩展数字信号可以是测量样品温度的红外测温仪的输出温度数字信号，实现加热的温度控制。
基于上述实施例的扩展信号装置201，可以非常方便、低成本地扩展控制器的功能。
在本发明的其他实施例中，负反馈控制器的输出控制量，并不限于电压源的控制电压，也可以是用于控制灯丝电流的电流。
在本发明的其他实施例中，还可以采用其他的负反馈控制器，例如比例-积分(PI)控制器实现PID控制器290。
在本发明的其他实施例中，还可以采用两个输入计算单元在恒功率模式中以不同的比例系数分别将第一电压实际数字信号V1monD和第二电压实际数字信号V2monD转换为第一电压显示数字信号V1dD和第二电压显示数字信号V2dD。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (9)

1.一种电子束加热蒸发源控制器，其特征在于，所述电子束加热蒸发源控制器包括信号设定装置、负反馈控制器、第一信号选择器、数据转换器、电压源和乘法器，
所述信号设定装置用于输出电压设定数字信号和功率设定数字信号，
所述第一信号选择器用于可选择地使得所述电压设定数字信号或所述负反馈控制器输出的控制量传输至所述数据转换器，
所述数据转换器包括输出计算单元和数模转换器，所述输出计算单元用于将所述第一信号选择器传输的所述电压设定数字信号或所述负反馈控制器输出的控制量转换为对应的电压数字信号，所述数模转换器用于将所述电压数字信号转换为对应的设定电压，
所述电压源用于根据所述设定电压输出相对应的输出电压，
所述乘法器用于输出与所述电压源的输出功率对应的功率数字信号，
所述负反馈控制器用于根据作为其参考输入量的所述功率设定数字信号和作为其被控制量的功率数字信号输出所述控制量。
2.根据权利要求1所述的电子束加热蒸发源控制器，其特征在于，所述信号设定装置还用于输出灯丝电流设定数字信号并传输至所述第一信号选择器，所述电子束加热蒸发源控制器还包括电流源，所述输出计算单元用于将所述第一信号选择器传输的所述灯丝电流设定数字信号转换为灯丝电流数字信号，所述数模转换器用于将所述灯丝电流数字信号转换为对应的灯丝电流设定电压，所述电流源用于根据所述灯丝电流设定电压输出相对应的输出灯丝电流。
3.根据权利要求2所述的电子束加热蒸发源控制器，其特征在于，所述信号设定装置还用于输出束流设定数字信号，所述电子束加热蒸发源控制器还包括电流转换器、第二信号选择器和第三信号选择器，所述电流转换器用于将其输入端接收的束流转换为对应的束流数字信号，所述第二信号选择器和第三信号选择器用于使得所述功率设定数字信号和所述功率数字信号分别作为所述负反馈控制器的参考输入量和被控制量，或使得所述束流设定数字信号和所述束流数字信号分别作为所述负反馈控制器的参考输入量和被控制量。
4.根据权利要求3所述的电子束加热蒸发源控制器，其特征在于，所述信号设定装置还用于输出温度设定数字信号并输出至所述第二信号选择器，所述电子束加热蒸发源控制器还包括温度转换器，所述温度转换器用于将其接收的热偶输入信号转换为对应的温度数字信号并传输至所述第三信号选择器，所述第二信号选择器和第三信号选择器还用于使得所述温度设定数字信号和所述温度数字信号分别作为所述负反馈控制器的参考输入量和被控制量。
5.根据权利要求4所述的电子束加热蒸发源控制器，其特征在于，所述电子束加热蒸发源控制器还包括输出扩展数字信号的扩展信号装置，所述信号设定装置还用于输出扩展设定数字信号，所述第二信号选择器和第三信号选择器还用于使得所述扩展设定数字信号和扩展数字信号分别作为所述负反馈控制器的参考输入量和被控制量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电子束加热蒸发源控制器，其特征在于，所述负反馈控制器输出的控制量为所述电流源的设定信号。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的电子束加热蒸发源控制器，其特征在于，所述负反馈控制器为PID控制器。
8.根据权利要求2至5中任一项所述的电子束加热蒸发源控制器，其特征在于，
所述数据转换器还包括模数转换器和输入计算单元，所述模数转换器用于将与所述电压源的输出电压对应的第一电压取样信号转换为第一电压实际数字信号，且将与所述电压源的输出电流对应的第二电压取样信号转换为第二电压实际数字信号，所述输入计算单元用于将所述第一电压实际数字信号和第二电压实际数字信号分别转换为第一电压显示数字信号和第二电压显示数字信号；
其中所述乘法器还用于将所述第一电压显示数字信号和第二电压显示数字信号相乘后输出所述功率数字信号。
9.根据权利要求8所述的电子束加热蒸发源控制器，其特征在于，所述模数转换器用于将与所述输出灯丝电流对应的电压信号转换为对应的灯丝电流实际数字信号，所述输入计算单元用于将所述灯丝电流实际数字信号转换为对应的灯丝电流显示数字信号。
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