CN110836832B - Tdc控制系统、方法和膜厚检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种TDC控制系统、方法和膜厚检测装置，涉及质量检测技术领域。该TDC控制系统包括均与微处理器电连接的状态机、所述第一数据选择输出模块和时间数字转换器，状态机与第二数据选择输出模块电连接，第一数据选择输出模块、第二数据选择输出模块均与时间数字转换器电连接，第一数据选择输出模块和第二数据选择输出模块均包括多个具有不同延时时长的延时通道。通过第一数据选择输出模块和第二数据选择输出模块可调节开始信号和结束信号向时间数字转换器发送的时间，使得较短延时链长度的时间数字转换器能够得到准确和稳定的第一时间间隔值和第二时间间隔值，从而获得更准确和稳定的待测频率波形的频率。

Description

TDC控制系统、方法和膜厚检测装置

技术领域

本发明涉及质量检测技术领域，具体而言，涉及一种TDC控制系统、方法和膜厚检测装置。

背景技术

石英晶体微天平是一种非常灵敏的质量检测仪器，其测量精度可达纳克级，理论上可以测到的质量变化相当于单子层或原子层的几分之一。石英晶体微天平利用了石英晶体的压电效应，将石英晶体电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，进而通过频率检测设备获得高精度的数据。

现有的频率检测设备中用到的时间数字转换器(Time to Digital Convert，TDC)的延时链长度，与石英晶体微天平输出的待测频率波形产生的开始信号和结束信号有关。开始信号和结束信号的时间差很大时，时间数字转换器的延时链会很长，不仅容易受到外界的干扰，降低测量精度，还增加硬件成本，浪费硬件资源。

发明内容

本发明的目的包括，提供了一种TDC控制系统、方法和膜厚检测装置，其能够生成合适的开始信号和结束信号，降低外界对时间数字转换器的干扰，提高测量精度，并节约硬件资源。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明实施例提供一种TDC控制系统，包括微处理器、状态机、第一数据选择输出模块、第二数据选择输出模块和时间数字转换器，所述状态机、所述第一数据选择输出模块和所述时间数字转换器均与微处理器电连接，所述状态机与所述第二数据选择输出模块电连接，所述第一数据选择输出模块、所述第二数据选择输出模块均与所述时间数字转换器电连接，所述第一数据选择输出模块和所述第二数据选择输出模块均包括多个具有不同延时时长的延时通道；所述状态机用于在接收到所述微处理器发送的第一工作信号时，根据接收的待测频率波形和参考波形产生第一测量信号，并将所述第一测量信号发送至所述第一数据选择输出模块；在接收到所述微处理器发送的第二工作信号时，根据所述待测频率波形和所述参考波形产生第二测量信号，并将所述第二测量信号发送至所述第二数据选择输出模块；所述微处理器用于向所述第一数据选择输出模块发送第一控制指令，还用于向所述状态机发送第二控制指令，以便所述状态机根据所述第二控制指令产生选择指令，所述状态机并将所述选择指令发送至所述第二数据选择输出模块；所述第一数据选择输出模块用于根据所述第一控制指令选择所述第一控制指令对应的延时通道对所述第一测量信号进行延时处理，得到开始信号，并将所述开始信号发送至所述时间数字转换器；所述第二数据选择输出模块用于根据所述选择指令选择所述选择指令对应的延时通道对所述第二测量信号进行延时处理，得到结束信号，并将所述结束信号发送至所述时间数字转换器；所述时间数字转换器用于根据所述开始信号和所述结束信号计算得到第一时间间隔值和第二时间间隔值，并将所述第一时间间隔值和所述第二时间间隔值发送至所述微处理器；所述微处理器用于根据所述第一时间间隔值和所述第二时间间隔值计算得到所述待测频率波形的频率。

第二方面，本发明实施例提供一种TDC控制方法，应用于TDC控制系统，所述TDC控制系统包括微处理器、状态机、第一数据选择输出模块、第二数据选择输出模块和时间数字转换器，所述状态机、所述第一数据选择输出模块和所述时间数字转换器均与所述微处理器电连接，所述状态机与所述第二数据选择输出模块电连接，所述第一数据选择输出模块、所述第二数据选择输出模块均与所述时间数字转换器电连接，所述第一数据选择输出模块和所述第二数据选择输出模块均包括多个具有不同延时时长的延时通道，所述方法包括：所述状态机在接收到所述微处理器发送的第一工作信号时，根据接收的待测频率波形和参考波形产生第一测量信号，并将所述第一测量信号发送至所述第一数据选择输出模块；在接收到所述微处理器发送的第二工作信号时，根据所述待测频率波形和所述参考波形产生第二测量信号，并将所述第二测量信号发送至所述第二数据选择输出模块；所述微处理器向所述第一数据选择输出模块发送第一控制指令，向所述状态机发送第二控制指令，以便所述状态机根据所述第二控制指令产生选择指令，所述状态机并将所述选择指令发送至所述第二数据选择输出模块；所述第一数据选择输出模块根据所述第一控制指令选择所述第一控制指令对应的延时通道对所述第一测量信号进行延时处理，得到开始信号，并将所述开始信号发送至所述时间数字转换器；所述第二数据选择输出模块根据所述选择指令选择所述选择指令对应的延时通道对所述第二测量信号进行延时处理，得到结束信号，并将所述结束信号发送至所述时间数字转换器；所述时间数字转换器根据所述开始信号和所述结束信号计算得到第一时间间隔值和第二时间间隔值，并将所述第一时间间隔值和所述第二时间间隔值发送至所述微处理器；所述微处理器根据所述第一时间间隔值和所述第二时间间隔值计算得到所述待测频率波形的频率。

第三方面，本发明实施例提供一种膜厚检测装置，包括石英晶体微天平、高频震荡器前述实施方式任意一项所述的TDC控制系统，所述石英晶体微天平和所述高频震荡器均与所述TDC控制系统电连接；所述石英晶体微天平用于产生待测频率波形；所述高频震荡器用于产生参考波形。

本发明实施例的有益效果包括，通过第一数据选择输出模块根据微处理器发送的第一控制指令选择第一控制指令对应的延时通道对第一测量信号进行延时处理，得到开始信号，并将开始信号发送至时间数字转换器；通过第二数据选择输出模块根据状态机发送的选择指令选择选择指令对应的延时通道对第二测量信号进行延时处理，得到结束信号，并将结束信号发送至时间数字转换器；时间数字转换器根据开始信号和结束信号计算得到第一时间间隔值和第二时间间隔值，并将第一时间间隔值和第二时间间隔值发送至微处理器，以便微处理器根据第一时间间隔值和第二时间间隔值计算得到待测频率波形的频率。可见，通过微处理器对第一数据选择输出模块和第二数据选择输出模块的延时通道的选择，使得第一数据选择输出模块可调节开始信号向时间数字转换器发送的时间，通过第二数据选择输出模块可调节结束信号向时间数字转换器发送的时间，进而可避免开始信号和结束信号的时间差较大的情况发生，使得较短延时链长度的时间数字转换器能够得到准确和稳定的第一时间间隔值和第二时间间隔值，从而获得更准确和稳定的待测频率波形的频率，还节省了TDC控制系统的硬件资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种膜厚检测装置的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种TDC控制系统的结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种TDC控制系统的电路图；

图4为本发明实施例提供的时间数字转换器的电路图；

图5为本发明实施例提供的TDC控制系统获得的待测频率波形和参考波形的示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种TDC控制系统的结构框图；

图7为本发明实施例提供的另一种TDC控制系统的电路图；

图8为本发明实施例提供的TDC控制方法的流程示意图。

图标：10-膜厚检测装置；100-TDC控制系统；110-状态机；120-第一数据选择输出模块；121-第一数据选择器；122-缓冲器；130-第二数据选择输出模块；131-第二数据选择器；132-反相器；140-时间数字转换器；150-延时模块；160-计数模块；161-第一计数器；162-第二计数器；170-通信模块；180-微处理器；300-石英晶体微天平；400-高频震荡器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1，为本实施例提供的膜厚检测装置10的一种可实施的结构框图，该膜厚检测装置10包括石英晶体微天平300、高频震荡器400和TDC控制系统100，石英晶体微天平300和高频震荡器400均与TDC控制系统100电连接。石英晶体微天平300用于产生待测频率波形，并将待测频率波形发送至TDC控制系统100；高频震荡器400用于产生参考波形，并将参考波形发送至TDC控制系统100；TDC控制系统100用于对待测频率波形和参考波形进行计算得到待测频率波形的脉冲个数、参考波形的脉冲个数、待测频率波形和参考波形之间的第一时间间隔值和第二时间间隔值，并根据待测频率波形的脉冲个数、参考波形的脉冲个数、待测频率波形和参考波形之间的第一时间间隔值和第二时间间隔值计算得到待测频率波形的频率。

请参照图2，为图1所示的TDC控制系统100的一种可实施的结构框图，该TDC控制系统100包括微处理器180、状态机110、第一数据选择输出模块120、第二数据选择输出模块130和时间数字转换器140，状态机110、第一数据选择输出模块120和时间数字转换器140均与微处理器180电连接，状态机110与第二数据选择输出模块130电连接，第一数据选择输出模块120、第二数据选择输出模块130均与时间数字转换器140电连接，第一数据选择输出模块120和第二数据选择输出模块130均包括多个具有不同延时时长的延时通道。

在本实施例中，状态机110用于在接收到微处理器180发送的第一工作信号时，根据接收的待测频率波形和参考波形产生第一测量信号，并将第一测量信号发送至第一数据选择输出模块120；在接收到微处理器180发送的第二工作信号时，根据待测频率波形和参考波形产生第二测量信号，并将第二测量信号发送至第二数据选择输出模块130。微处理器180用于向第一数据选择输出模块120发送第一控制指令，还用于向状态机110发送第二控制指令，以便状态机110根据第二控制指令产生选择指令，状态机110并将选择指令发送至第二数据选择输出模块130。第一数据选择输出模块120用于根据第一控制指令选择第一控制指令对应的延时通道对第一测量信号进行延时处理，得到开始信号，并将开始信号发送至时间数字转换器140。第二数据选择输出模块130用于根据选择指令选择选择指令对应的延时通道对第二测量信号进行延时处理，得到结束信号，并将结束信号发送至时间数字转换器140。时间数字转换器140用于根据开始信号和结束信号计算得到第一时间间隔值和第二时间间隔值，并将第一时间间隔值和第二时间间隔值发送至微处理器180。微处理器180用于根据第一时间间隔值和第二时间间隔值计算得到待测频率波形的频率。

可以理解，状态机110与石英晶体微天平300和高频震荡器400均电连接，状态机110用于在接收到微处理器180发送的第一工作信号时，若接收到待测频率波形和参考波形，则在待测频率波形的幅值发生跳变后，参考波形的幅值发生跳变的时刻输出第一测量信号；还用于在接收到微处理器180发送的第二工作信号时，在待测频率波形的幅值发生跳变后，参考波形的幅值发生跳变的时刻输出第二测量信号。

换言之，状态机110在接收到微处理器180发送的第一工作信号、待测频率波形和参考波形后，状态机110会在待测频率波形出现上升沿或下降沿后(即待测频率波形的幅值发生跳变后)，在参考波形出现上升沿或下降沿的时刻(及参考波形的幅值发生跳变的时刻)输出第一测量信号；其中，状态机110输出第一测量信号可以在待测频率波形出现上升沿或下降沿后，参考波形第一次出现上升沿或下降沿的时刻；也可以在待测频率波形出现上升沿或下降沿后，参考波形出现预设次数的上升沿或下降沿的时刻，预设次数为工作人员根据实际需求进行预先设置的参数。状态机110在接收到第二工作信号时，在待测频率波形出现上升沿或下降沿后，在参考波形出现上升沿或下降沿的时刻输出第二测量信号；其中，状态机110输出第二测量信号可以在待测频率波形出现上升沿或下降沿后，参考波形出现预设次数的上升沿或下降沿的时刻，预设次数为工作人员根据实际需求进行预先设置的参数，预设次数可以为1次，也可以为多次。由于待测频率波形的频率是低于参考波形的频率，所以待测频率波形上升沿和下降沿一般不会和参考波形的上升沿和下降沿同步，通过状态机110输出测量信号的方式可以让待测频率波形和参考波形实现同步。

如图3所示，为图2所示的TDC控制系统100的一种可实施的电路图，第一数据选择输出模块120包括第一数据选择器121和多个缓冲器122，多个缓冲器122和状态机110依次电连接，第一数据选择器121与状态机110、多个缓冲器122均电连接，从而构成多个具有不同延时时长的延时通道，第一数据选择器121还与微处理器180和时间数字转换器140均电连接。

在本实施例中，缓冲器122的个数可以根据实际情况进行设置，现以3个缓冲器122为例进行详细说明：多个缓冲器122包括第一缓冲器、第二缓冲器和第三缓冲器，第一数据选择器121为4选1数据选择器，状态机110、第一缓冲器、第二缓冲器和第三缓冲器依次电连接，第一数据选择器121与状态机110、第一缓冲器、第二缓冲器和第三缓冲器均电连接，从而构成4个具有不同延时时长的延时通道。其中，4个具有不同延时时长的延时通道分别为状态机110与第一数据选择器121的第一输入端构成的具有第一延时时长的第一延时通道；状态机110、第一缓冲器和第一数据选择器121的第二输入端构成的具有第二延时时长的第二延时通道；状态机110、第一缓冲器、第二缓冲器和第一数据选择器121的第三输入端构成的具有第三延时时长的第三延时通道；状态机110、第一缓冲器、第二缓冲器、第三缓冲器和第一数据选择器121的第四输入端构成的具有第四延时时长的第四延时通道。

可以理解，状态机110与第一缓冲器的输入端、第一数据选择器121的第一输入端均电连接，第一缓冲器的输出端与第二缓冲器的输入端和第一数据选择器121的第二输入端均电连接，第二缓冲器的输出端与第三缓冲器的输入端和第一数据选择器121的第三输入端均电连接，第三缓冲器的输出端与第一数据选择器121的第四输入端电连接，第一数据选择器121的输出端与时间数字转换器140电连接，第一数据选择器121的控制端与微处理器180电连接。

其中，第一缓冲器、第二缓冲器和第三缓冲器均起到延时作用，每个缓冲器122的延时时长可以相同，也可以不同。第一延时通道的第一延时时长为0，第二延时通道的第二延时时长为第一缓冲器的延时时长，第三延时通道的第三延时时长为第一缓冲器和第二缓冲器的延时时长之和，第四延时通道的第四延时时长为第一缓冲器、第二缓冲器和第三缓冲器的延时时长之和。若第一测量信号从第一延时通道传输至时间数字转换器140，那么时间数字转换器140获得的开始信号是第一测量信号经过0延时时长得到的；若第一测量信号从第二延时通道传输至时间数字转换器140，那么时间数字转换器140获得的开始信号是第一测量信号经过第一缓冲器的延时时长得到的；若第一测量信号从第三延时通道传输至时间数字转换器140，那么时间数字转换器140获得的开始信号是第一测量信号经过第一缓冲器和第二缓冲器的延时时长之和得到的；若第一测量信号从第四延时通道传输至时间数字转换器140，那么时间数字转换器140获得的开始信号是第一测量信号经过第一缓冲器、第二缓冲器和第三缓冲器的延时时长之和得到的。

在本实施例中，第二数据选择输出模块130包括第二数据选择器131和反相器132，第二数据选择器131与状态机110电连接，反相器132电连接于状态机110与第二数据选择器131之间，从而构成多个具有不同延时时长的延时通道。

可以理解，第二数据选择器131的第一输入端与状态机110电连接，反相器132的输入端与状态机110电连接，反相器132的输出端与第二数据选择器131的第二输入端电连接，第二数据选择器131的控制端与状态机110电连接，第二数据选择器131的输出端与时间数字转换器140电连接。

其中，状态机110、第二数据选择器131的第一输入端构成具有第五延时时长的第五延时通道；状态机110、反相器132和第二数据选择器131的第二输入端构成具有第六延时时长的第六延时通道。所以第二数据选择输出模块130具有2个不同延时时长的延时通道，第二数据选择器131可以为2选1数据选择器。

在本实施例中，反相器132起到延时作用。第五延时通道的第五延时时长为0，第六延时通道的第六延时时长为反相器132的延时时长。所以当第二测量信号从第五延时通道传输至时间数字转换器140时，时间数字转换器140获得的结束信号是第二测量信号经过0延时时长得到的；当第二测量信号从第六延时通道传输至时间数字转换器140时，时间数字转换器140获得的结束信号是第二测量信号经过反相器132的延时时长得到的。

请参照图4，为本发明实施例提供的时间数字转换器140的一种可实施的结构示意图，时间数字转换器140包括多个延时单元τ和多个D触发器FF，第一数据选择器121、第二数据选择器131、多个延时单元τ依次电连接，多个延时单元τ分别与多个D触发器FF一一对应电连接，多个D触发器FF、微处理器180依次电连接。其中，多个延时单元τ与多个D触发器FF的数量相同，多个D触发器FF由D触发器FF1至D触发器FFn构成。

时间数字转换器140通过多个延时单元τ和多个D触发器FF形成延时链，当与第一数据选择器121和第二数据选择器131电连接的延时单元τ接收到开始信号后，会让开始信号经过多个延时单元τ和多个D触发器FF组成的延时链不断传输，直至与第一数据选择器121和第二数据选择器131电连接的延时单元τ接收到结束信号时，开始信号传输到某个延时单元τ处停止传输，此时D触发器FF采样，通过分析每个D触发器FF的输出Q1至Qn的0或1的二进制数字就可以计算出开始信号和结束信号的时间间隔，进而计算得到第一时间间隔值和第二时间间隔值。例如，每个D触发器FF的输出Q1至Qn为1111110000，共有6个1，4个0，所以第一时间间隔值为6t或第二时间间隔值为6t。其中，t为延时单元τ的延时时长。

如图5所示，为本发明实施例提供的待测频率波形和参考波形的示意图，图5中tau1为第一时间间隔值，tau2为第二时间间隔值，Nq为待测频率波形的脉冲个数，Nr为参考波形的脉冲个数，Tm为一次频率检测的测量时长。可知，第一时间间隔值可以为待测频率波形的上升沿或下降沿与参考波形相邻上升沿或下降沿的时间差，第二时间间隔值可以为待测频率波形的上升沿或下降沿与参考波形相邻的上升沿或下降沿的时间差。图5所示的第一时间间隔值为待测频率波形的上升沿与参考波形相邻上升沿的时间差，第二时间间隔值也为待测频率波形的上升沿与参考波形相邻上升沿的时间差。

在本实施例中，微处理器180向第一数据选择器121发送的第一控制指令，以及向状态机110发送的第二控制指令是根据时间数字转换器140产生的第一时间间隔值和第二时间间隔值确定的。即微处理器180是根据时间数字转换器140产生的第一时间间隔值和第二时间间隔值确定第一数据选择输出模块120和第二数据选择输出模块130的哪个延时通道对第一测量信号和第二测量信号进行延时处理，得到开始信号和结束信号。

可以理解，在微处理器180第一次向第一数据选择器121发送第一控制指令，以及向状态机110第一次发送第二控制指令时，由于时间数字转换器140还未产生第一时间间隔值和第二时间间隔值，所以微处理器180根据预先设置的初始通道参数向第一数据选择器121发送初始的第一控制指令，以及向状态机110第一次发送初始的第二控制指令。使得第一数据选择输出模块120根据初始的第一控制指令选择初始的第一控制指令对应的延时通道对第一测量信号进行延时处理，得到初始的开始信号，并将初始的开始信号发送至时间数字转换器140。状态机110根据初始的第二控制指令产生初始的选择指令，并将初始的选择指令发送至第二数据选择输出模块130，使得第二数据选择输出模块130根据初始的选择指令选择对应的延时通道对第二测量信号进行延时处理，得到初始的结束信号，并将初始的结束信号发送至时间数字转换器140。时间数字转换器140根据初始的开始信号和初始的结束信号计算得到初始的第一时间间隔值和初始的第二时间间隔值。微处理器180将初始的第一时间间隔值和初始的第二时间间隔值与预设间隔值进行比较，若初始的第一时间间隔值和初始的第二时间间隔值在预设间隔值附近，则会根据初始的第一时间间隔值和初始的第二时间间隔值计算得到待测频率波形的频率；若初始的第一时间间隔值和初始的第二时间间隔值与预设间隔值差别较大，微处理器180则将初始的第一时间间隔值和初始的第二时间间隔值与预先存储的映射关系表进行匹配，确定初始的第一时间间隔值和初始的第二时间间隔值对应的第一数据选择输出模块120的延时通道和第二数据选择输出模块130的延时通道，然后产生新的开始信号和新的结束信号，使得时间数字转换器140产生新的第一时间间隔值和第二时间间隔值。微处理器180会重复上述操作对新的第一时间间隔值和新的第二时间间隔值进行处理，直至时间数字转换器140输出的第一时间间隔值和第二时间间隔值在预设间隔值附近，才会依据在预设间隔值附近的第一时间间隔值和第二时间间隔值计算得到待测频率波形的频率。

其中，映射关系表包含每个第一时间间隔值和第二时间间隔值与第一数据选择输出模块120每个延时通道和第二数据选择输出模块130每个延时通道的对应关系。依据第一时间间隔值和第二时间间隔值判断第一数据选择输出模块120和第二数据选择输出模块130的哪个延时通道对第一测量信号和第二测量信号进行延时处理的具体原理为：若时间数字转换器140的延时链长度为n，则整个时间数字转换器140的最大延时为nt，t为每个延时单元τ的延时时长，n的选取需要使得TDC控制系统100统计较长时间内的第一时间间隔值和第二时间间隔值在0.5nt(即预设间隔值)附近。n确定后，微处理器180则会判断收到的第一时间间隔值和第二时间间隔值是否在0.5nt附近，如果差别较大，就会通过第一控制指令和第二控制指令控制第一数据选择输出模块120和第二数据选择输出模块130改变延时通道，从而调节开始信号和结束信号，使得时间数字转换器140输出的第一时间间隔值和第二时间间隔值在0.5nt附近。微处理器180依据当前的第一时间间隔值和第二时间间隔值调节下一个时刻的第一时间间隔值和第二时间间隔值在0.5nt附近，可以保证时间数字转换器140在中间位置对开始信号和结束信号进行计算得到准确和稳定的第一时间间隔值和第二时间间隔值。例如，若数字转换器在开始位置对开始信号和结束信号进行计算，会容易得到全为0的二进制数字，则导致无法准确获得第一时间间隔值和第二时间间隔值；若数字转换器在结束位置对开始信号和结束信号进行计算，会容易得到全为1的二进制数字，也会导致无法准确获得第一时间间隔值和第二时间间隔值。

可见，通过微处理器180对第一数据选择输出模块120和第二数据选择输出模块130的延时通道的选择，使得第一数据选择输出模块120可调节开始信号向时间数字转换器发送的时间，通过第二数据选择输出模块130可调节结束信号向时间数字转换器发送的时间，进而可避免开始信号和结束信号的时间差较大的情况发生，使得较短延时链长度的时间数字转换器140能够得到准确和稳定的第一时间间隔值和第二时间间隔值，从而获得更准确和稳定的待测频率波形的频率；还使得时间数字转换器140的延时链不会过长，不仅让时间数字转换器140提高了抗干扰能力和测量精度，还节省了TDC控制系统100的硬件资源。

请参照图6，为本发明实施例提供的另一种TDC控制系统100的可实施的结构框图，在图2所示的TDC控制系统100基础上，TDC控制系统100还包括延时模块150，状态机110通过延时模块150与第一数据选择输出模块120、第二数据选择输出模块电连接。

在本实施例中，延时模块150用于对第一测量信号或第二测量信号进行延时处理，并将延时后的第一测量信号发送至第一数据选择输出模块120，将延时后的第二测量信号发送至第二数据选择输出模块130。

可以理解，延时模块150对第一测量信号进行延时处理会产生两个不同延时时长的第一测量信号，即第一测量信号经过延时模块150后会得到第一延时测量信号和第二延时测量信号，第一延时测量信号的延时时长短于第二延时测量信号。同理，延时模块150对第二测量信号进行延时处理会产生两个不同延时时长的第二测量信号，即第二测量信号经过延时模块150后会得到第三延时测量信号和第四延时测量信号，第三延时测量信号的延时时长短于第四延时测量信号。

其中，第一延时测量信号和第三延时测量信号会被发送至第一数据选择输出模块120，第二延时测量信号和第四延时测量信号会被发送至第二数据选择输出模块130。虽然第一延时测量信号被发送至第一数据选择输出模块120的同时，第二延时测量信号被发送至第二数据选择输出模块130，第一数据选择输出模块120会根据微处理器180发送的第一控制指令选择第一控制指令对应的延时通道对第一延时测量信号进行延时处理，得到开始信号。但此时的状态机110并不会发送选择指令至第二数据选择输出模块130，故第二数据选择输出模块130并不会选择延时通道对第二延时测量信号进行延时处理，即第二延时测量信号会被发送至第二数据选择输出模块130，但并不会被第二数据选择输出模块130进行延时处理。同理，第三延时测量信号被发送至第一数据选择输出模块120的同时，第四延时测量信号被发送至第二数据选择输出模块130，第二数据选择输出模块130会根据状态机110发送的选择指令选择选择指令对应的延时通道对第四延时测量信号进行延时处理，得到结束信号。但此时的微处理器180并不会发送第一控制指令至第一数据选择输出模块120，故第一数据选择输出模块120并不会选择延时通道对第三延时测量信号进行延时处理，即第三延时测量信号会被发送至第一数据选择输出模块120，但并不会被第一数据选择输出模块120进行延时处理。

进一步地，如图7所示，为图6所示的TDC控制系统100的一种可实施的原理图，延时模块150包括多个D触发器，多个D触发器之间依次电连接，多个D触发器中的第一D触发器与第一数据选择输出模块120电连接，多个D触发器中的第二D触发器与第二数据选择输出模块130电连接，多个D触发器中的第三D触发器与状态机电连接；其中，第一D触发器、第二D触发器及第三D触发器为多个D触发器中的其中三个D触发器。

在本实施例中，多个D触发器的个数可以依据实际情况进行设置，在此处以3个D触发器为例进行详细说明。多个D触发器包括D触发器a、D触发器b和D触发器c，状态机110、D触发器a、D触发器b和D触发器c依次电连接，D触发器b与第一数据选择器121电连接，D触发器c与第二数据选择器131电连接。其中，D触发器a可以理解为第三D触发器，D触发器b可以理解为第一D触发器，D触发器c可以理解为第二D触发器。

在状态机110生成第一测量信号后，第一测量信号会经过D触发器a和D触发器b生成第一延时测量信号，第一测量信号经过D触发器a、D触发器b和D触发器C生成第二延时测量信号。同理，第二测量信号会经过D触发器a和D触发器b生成第三延时测量信号，第二测量信号经过D触发器a、D触发器b和D触发器C生成第四延时测量信号。可以理解，第一测量信号经过D触发器a和D触发器b的延时时长之和后生成第一延时测量信号，第一测量信号经过D触发器a、D触发器b和D触发器C的延时时长之和后生成第二延时测量信号；第二测量信号经过D触发器a和D触发器b的延时时长之和后生成第三延时测量信号，第二测量信号经过D触发器a、D触发器b和D触发器C的延时时长之和后生成第四延时测量信号。

在另一种实施例中，由D触发器a与第一数据选择器121电连接，而不是D触发器b与第一数据选择器121电连接，即D触发器a为第一D触发器。可见，第一D触发器在状态机110、多个D触发器依次电连接的线路上的位置并不是固定的，可以根据实际需求确定第一D触发器的位置，且第一D触发器和第三D触发器也可以是同一个D触发器。

在本实施例中，通过设置延时模块150，可以使得待测频率波形、参考波形、开始信号和结束信号同步，进而消除待测频率波形、参考波形、开始信号和结束信号不同步产生的竞争冒险现象，减小外界干扰。

进一步地，如图6所示，TDC控制系统100还包括计数模块160，计数模块160与状态机110、微处理器180、延时模块150均电连接；计数模块160用于根据延时模块150输出的延时后的第一测量信号以及延时后的第二测量信号计算待测频率波形的脉冲个数和参考波形的脉冲个数，将待测频率波形的脉冲个数和参考波形的脉冲个数传输至所述微处理器180；微处理器180用于根据待测频率波形的脉冲个数、参考波形的脉冲个数、第一时间间隔值和第二时间间隔值计算得到待测频率波形的频率。

可以理解，如图7所示，计数模块160包括第一计数器161和第二计数器162，第一计数器161与状态机110、微处理器180及延时模块150均电连接，第二计数器162与状态机110、微处理器180及延时模块150均电连接；第一计数器161用于根据延时后的第一测量信号开始对待测频率波形的脉冲进行计数，根据延时后的第二测量信号停止对待测频率波形的脉冲进行计数，进而得到待测频率波形的脉冲个数；第二计数器162用于根据延时后的第一测量信号开始对参考波形的脉冲进行计数，根据延时后的第二测量信号停止对参考波形的脉冲进行计数，进而得到参考波形的脉冲个数。

其中，第一计数器161与石英晶体微天平300、第一D触发器、微处理器180均电连接，第二计数器162与高频震荡器400、第二D触发器、微处理器180均电连接。第一计数器161通过石英晶体微天平300接收待测频率波形，还通过第一D触发器接收第一延时测量信号或第三延时测量信号；第二计数器162通过高频震荡器400接收待测波形，还通过第二D触发器接收第二延时测量信号或第四延时测量信号。第一计数器161在接收到第一延时测量信号后，开始对待测频率波形的脉冲进行计数，在接收到第三延时测量信号后，停止对待测频率波形的脉冲进行计数，进而得到待测频率波形的脉冲个数；第二计数器162在接收到第二延时测量信号后，开始对参考波形的脉冲进行计数，在接收到第四延时测量信号后，停止对参考波形的脉冲进行计数，进而得到参考波形的脉冲个数。

在本实施例中，微处理器180在接收到待测频率波形的脉冲个数、参考波形的脉冲个数、第一时间间隔值和第二时间间隔值后，会依据以下公式计算得到待测频率波形的频率。

fq＝Nq*fr/(Nr+fr(tau1-tau2))；

其中，Nq表示待测频率波形的脉冲个数，fr表示参考波形的频率；Nr表示参考波形的脉冲个数；tau1表示第一时间间隔值；tau2表示第二时间间隔值。

在本实施例中，通过延时模块150、多个缓冲器122和反相器132的延时功能，可以使得待测频率波形的脉冲个数、参考波形的脉冲个数、第一时间间隔值和第二时间间隔值同步产生。这样就可以消除待测频率波形的脉冲个数、参考波形的脉冲个数、第一时间间隔值和第二时间间隔值因为没有同步产生而形成的竞争冒险现象，就可以减小因干扰而产生的尖峰脉冲输入到时间数字转换器140中，从而使时间数字转换器140输出准确、稳定的第一时间间隔值和第二时间间隔值。

进一步地，在本实施例中，TDC控制系统100还包括通信模块170，通信模块170与微处理器180、状态机110、计数模块160、第一数据选择输出模块120和时间数字转换器140均电连接。

在本实施例中，通信模块170可以为I²C(Inter-Integrated Circuit，集成电路总线)通信模块或SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)通信模块。状态机110、第一数据选择输出模块120、第二数据选择输出模块130、时间数字转换器140、延时模块150、计数模块160和通信模块170可以集成在FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)芯片上。所以，状态机110、第一数据选择输出模块120、第二数据选择输出模块130、时间数字转换器140、延时模块150、计数模块160和通信模块170均为数字电路组成。

请参照图8，为本实施例提供的TDC控制方法的一种流程示意图。需要说明的是，本申请实施例的TDC控制方法并不以图8以及以下的具体顺序为限制，应当理解，在其他实施例中，本申请实施例的TDC控制方法其中部分步骤的顺序可以根据实际需要相互交换，或者其中的部分步骤也可以省略或删除。还需要说明的是，本实施例提供的TDC控制方法，其基本原理及产生的技术效果与上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中的相应内容。该TDC控制方法可以应用在上述的TDC控制系统100中，下面将对图8所示的具体流程进行详细阐述。

步骤S101，状态机在接收到微处理器发送的第一工作信号时，根据接收的待测频率波形和参考波形产生第一测量信号，并将第一测量信号发送至第一数据选择输出模块；在接收到微处理器发送的第二工作信号时，根据待测频率波形和所述参考波形产生第二测量信号，并将第二测量信号发送至第二数据选择输出模块。

可以理解，步骤S101可以由上述的状态机110执行。

步骤S102，微处理器向第一数据选择输出模块发送第一控制指令，向状态机发送第二控制指令，以便状态机根据第二控制指令产生选择指令，状态机并将选择指令发送至第二数据选择输出模块。

在本实施例中，微处理器180预先设置有预设间隔值，预设间隔值为工作人员在设置时间数字转换器140时，工作人员根据时间数字转换器140的最大延时时长确定的延时值；微处理器180还预先存储有映射关系表，映射关系表用于表征每个第一时间间隔值与第一数据选择输出模块120每个延时通道的对应关系，以及每个第二时间间隔值与第二数据选择输出模块130每个延时通道的对应关系。

当微处理器180第一次向第一数据选择输出模块120发送第一控制指令，以及第一次向状态机110发送第二控制指令时，微处理器180根据预设的初始通道参数确定第一控制指令和第二控制指令。当微处理器180非第一次向第一数据选择输出模块120发送第一控制指令，以及非第一次向状态机110发送第二控制指令时，微处理器180将时间数字转换器140产生的第一时间间隔值和第二时间间隔值与映射关系表进行匹配，确定第一控制指令和第二控制指令；以便时间数字转换器140产生的新的第一时间间隔值和第二时间间隔值与预设间隔值匹配。

可以理解，步骤S102可以由上述的微处理器180执行。

步骤S103，第一数据选择输出模块根据第一控制指令选择第一控制指令对应的延时通道对第一测量信号进行延时处理，得到开始信号，并将开始信号发送至时间数字转换器。

可以理解，步骤S103可以由上述的第一数据选择输出模块120执行。

步骤S104，第二数据选择输出模块根据选择指令选择选择指令对应的延时通道对第二测量信号进行延时处理，得到结束信号，并将结束信号发送至时间数字转换器。

可以理解，步骤S104可以由上述的第二数据选择输出模块130执行。

步骤S105，时间数字转换器根据开始信号和结束信号计算得到第一时间间隔值和第二时间间隔值，并将第一时间间隔值和第二时间间隔值发送至微处理器。

可以理解，步骤S105可以由上述的时间数字转换器140执行。

步骤S106，微处理器根据第一时间间隔值和第二时间间隔值计算得到待测频率波形的频率。

可以理解，步骤S106可以由上述的微处理器180执行。

综上所述，本发明实施例提供了一种TDC控制系统、方法和膜厚检测装置，该TDC控制系统包括状态机、第一数据选择输出模块、第二数据选择输出模块和时间数字转换器，状态机、第一数据选择输出模块和时间数字转换器均与微处理器电连接，状态机与第二数据选择输出模块电连接，第一数据选择输出模块、第二数据选择输出模块均与时间数字转换器电连接，第一数据选择输出模块和第二数据选择输出模块均包括多个具有不同延时时长的延时通道。通过第一数据选择输出模块根据微处理器发送的第一控制指令选择第一控制指令对应的延时通道对第一测量信号进行延时处理，得到开始信号，并将开始信号发送至时间数字转换器；通过第二数据选择输出模块根据状态机发送的选择指令选择选择指令对应的延时通道对第二测量信号进行延时处理，得到结束信号，并将结束信号发送至时间数字转换器；时间数字转换器根据开始信号和结束信号计算得到第一时间间隔值和第二时间间隔值，并将第一时间间隔值和第二时间间隔值发送至微处理器，以便微处理器根据第一时间间隔值和第二时间间隔值计算得到待测频率波形的频率。

可见，通过第一数据选择输出模块可调节开始信号向时间数字转换器发送的时间，通过第二数据选择输出模块可调节结束信号向时间数字转换器发送的时间，进而可避免开始信号和结束信号的时间差较大的情况发生，使得较短延时链长度的时间数字转换器能够得到准确和稳定的第一时间间隔值和第二时间间隔值，从而获得更准确和稳定的待测频率波形的频率，还节省了TDC控制系统的硬件资源。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种TDC控制系统，其特征在于，包括微处理器、状态机、第一数据选择输出模块、第二数据选择输出模块和时间数字转换器，所述状态机、所述第一数据选择输出模块和所述时间数字转换器均与所述微处理器电连接，所述状态机与所述第二数据选择输出模块电连接，所述第一数据选择输出模块、所述第二数据选择输出模块均与所述时间数字转换器电连接，所述第一数据选择输出模块和所述第二数据选择输出模块均包括多个具有不同延时时长的延时通道；

所述状态机用于在接收到所述微处理器发送的第一工作信号时，根据接收的待测频率波形和参考波形产生第一测量信号，并将所述第一测量信号发送至所述第一数据选择输出模块；在接收到所述微处理器发送的第二工作信号时，根据所述待测频率波形和所述参考波形产生第二测量信号，并将所述第二测量信号发送至所述第二数据选择输出模块；其中，所述状态机用于在接收到所述微处理器发送的第一工作信号时，若接收到所述待测频率波形和所述参考波形，则在所述待测频率波形的幅值发生跳变后，所述参考波形的幅值发生跳变的时刻输出所述第一测量信号；还用于在接收到所述微处理器发送的第二工作信号时，在所述待测频率波形的幅值发生跳变后，所述参考波形的幅值发生跳变的时刻输出所述第二测量信号；

所述微处理器用于向所述第一数据选择输出模块发送第一控制指令，还用于向所述状态机发送第二控制指令，以便所述状态机根据所述第二控制指令产生选择指令，所述状态机并将所述选择指令发送至所述第二数据选择输出模块；

所述第一数据选择输出模块用于根据所述第一控制指令选择所述第一控制指令对应的延时通道对所述第一测量信号进行延时处理，得到开始信号，并将所述开始信号发送至所述时间数字转换器；

所述第二数据选择输出模块用于根据所述选择指令选择所述选择指令对应的延时通道对所述第二测量信号进行延时处理，得到结束信号，并将所述结束信号发送至所述时间数字转换器；所述时间数字转换器用于根据所述开始信号和所述结束信号计算得到第一时间间隔值和第二时间间隔值，并将所述第一时间间隔值和所述第二时间间隔值发送至所述微处理器；

所述微处理器用于根据所述第一时间间隔值和所述第二时间间隔值计算得到所述待测频率波形的频率。

2.根据权利要求1所述的TDC控制系统，其特征在于，所述第一数据选择输出模块包括第一数据选择器和多个缓冲器，所述多个缓冲器和所述状态机依次电连接，所述第一数据选择器与所述状态机、多个缓冲器均电连接，从而构成多个具有不同延时时长的延时通道，所述第一数据选择器还与所述微处理器和所述时间数字转换器均电连接。

3.根据权利要求1所述的TDC控制系统，其特征在于，所述第二数据选择输出模块包括第二数据选择器和反相器，所述第二数据选择器与所述状态机电连接，所述反相器电连接于所述状态机与所述第二数据选择器之间，从而构成多个具有不同延时时长的延时通道，所述第二数据选择器还与所述时间数字转换器电连接。

4.根据权利要求1所述的TDC控制系统，其特征在于，所述TDC控制系统还包括延时模块，所述状态机通过所述延时模块与所述第一数据选择输出模块、所述第二数据选择输出模块电连接；

所述延时模块用于对所述第一测量信号或所述第二测量信号进行延时处理，并将延时后的所述第一测量信号发送至所述第一数据选择输出模块，将延时后的所述第二测量信号发送至所述第二数据选择输出模块。

5.根据权利要求4所述的TDC控制系统，其特征在于，所述TDC控制系统还包括计数模块，所述计数模块与所述状态机、所述微处理器、所述延时模块均电连接；

所述计数模块用于根据所述延时模块输出的延时后的所述第一测量信号以及延时后的所述第二测量信号计算所述待测频率波形的脉冲个数和所述参考波形的脉冲个数，将所述待测频率波形的脉冲个数和所述参考波形的脉冲个数传输至所述微处理器；

所述微处理器用于根据所述待测频率波形的脉冲个数、所述参考波形的脉冲个数、所述第一时间间隔值和所述第二时间间隔值计算得到所述待测频率波形的频率。

6.根据权利要求5所述的TDC控制系统，其特征在于，所述计数模块包括第一计数器和第二计数器，所述第一计数器与所述状态机、所述微处理器及所述延时模块均电连接，所述第二计数器与所述状态机、所述微处理器及所述延时模块均电连接；

所述第一计数器用于根据延时后的所述第一测量信号开始对所述待测频率波形的脉冲进行计数，根据延时后的所述第二测量信号停止对所述待测频率波形的脉冲进行计数，进而得到所述待测频率波形的脉冲个数；

所述第二计数器用于根据延时后的所述第一测量信号开始对所述参考波形的脉冲进行计数，根据延时后的所述第二测量信号停止对所述参考波形的脉冲进行计数，进而得到所述参考波形的脉冲个数。

7.一种TDC控制方法，其特征在于，应用于TDC控制系统，所述TDC控制系统包括微处理器、状态机、第一数据选择输出模块、第二数据选择输出模块和时间数字转换器，所述状态机、所述第一数据选择输出模块和所述时间数字转换器均与所述微处理器电连接，所述状态机与所述第二数据选择输出模块电连接，所述第一数据选择输出模块、所述第二数据选择输出模块均与所述时间数字转换器电连接，所述第一数据选择输出模块和所述第二数据选择输出模块均包括多个具有不同延时时长的延时通道，所述方法包括：

所述状态机在接收到所述微处理器发送的第一工作信号时，根据接收的待测频率波形和参考波形产生第一测量信号，并将所述第一测量信号发送至所述第一数据选择输出模块；在接收到所述微处理器发送的第二工作信号时，根据所述待测频率波形和所述参考波形产生第二测量信号，并将所述第二测量信号发送至所述第二数据选择输出模块；其中，所述状态机在接收到所述微处理器发送的第一工作信号时，若接收到所述待测频率波形和所述参考波形，则在所述待测频率波形的幅值发生跳变后，所述参考波形的幅值发生跳变的时刻输出所述第一测量信号；在接收到所述微处理器发送的第二工作信号时，在所述待测频率波形的幅值发生跳变后，所述参考波形的幅值发生跳变的时刻输出所述第二测量信号；

所述微处理器向所述第一数据选择输出模块发送第一控制指令，向所述状态机发送第二控制指令，以便所述状态机根据所述第二控制指令产生选择指令，所述状态机并将所述选择指令发送至所述第二数据选择输出模块；

所述第一数据选择输出模块根据所述第一控制指令选择所述第一控制指令对应的延时通道对所述第一测量信号进行延时处理，得到开始信号，并将所述开始信号发送至所述时间数字转换器；

所述第二数据选择输出模块根据所述选择指令选择所述选择指令对应的延时通道对所述第二测量信号进行延时处理，得到结束信号，并将所述结束信号发送至所述时间数字转换器；

所述时间数字转换器根据所述开始信号和所述结束信号计算得到第一时间间隔值和第二时间间隔值，并将所述第一时间间隔值和所述第二时间间隔值发送至所述微处理器；

所述微处理器根据所述第一时间间隔值和所述第二时间间隔值计算得到所述待测频率波形的频率。

8.根据权利要求7所述TDC控制方法，其特征在于，所述微处理器预先设置有预设间隔值，所述微处理器预先存储有映射关系表，所述映射关系表用于表征每个第一时间间隔值与第一数据选择输出模块每个延时通道的对应关系，以及每个第二时间间隔值与第二数据选择输出模块每个延时通道的对应关系，所述微处理器向所述第一数据选择输出模块发送第一控制指令，向所述状态机发送第二控制指令的步骤包括：

当所述微处理器第一次向所述第一数据选择输出模块发送第一控制指令，以及第一次向所述状态机发送第二控制指令时，所述微处理器根据预设的初始通道参数确定所述第一控制指令和所述第二控制指令；

当所述微处理器非第一次向所述第一数据选择输出模块发送第一控制指令，以及非第一次向所述状态机发送第二控制指令时，所述微处理器将所述时间数字转换器产生的第一时间间隔值和第二时间间隔值与所述映射关系表进行匹配，确定所述第一控制指令和所述第二控制指令；以便所述时间数字转换器产生的新的第一时间间隔值和第二时间间隔值与所述预设间隔值匹配。

9.一种膜厚检测装置，其特征在于，包括石英晶体微天平、高频震荡器和权利要求1-6任意一项所述的TDC控制系统，所述石英晶体微天平和所述高频震荡器均与所述TDC控制系统电连接；

所述石英晶体微天平用于产生待测频率波形；

所述高频震荡器用于产生参考波形。

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