CN117526877A - 电子显微镜的信号放大系统、产品及其探测信号放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子显微镜的信号放大系统、产品及其探测信号放大方法，涉及电子显微镜技术领域。信号放大系统包括多级放大电路，其包括级联的多个放大电路，用于对输入信号进行逐级可控的信号放大，其中输入信号来自于电子显微镜的探测器；信号处理电路，其与多级放大电路的输出端电连接并且用于对放大后的信号进行跟随或叠加处理；以及输出电路，其与信号处理电路电连接并且用于对从信号处理电路接收到的信号进行多路输出，其中多路输出用于向电子显微镜的不同成像系统分别进行输出。本方案通过多级放大电路、信号处理电路和输出电路的电路设计，提高了信号放大系统的信号放大倍数的范围以及对成像系统的适用性。

Description

电子显微镜的信号放大系统、产品及其探测信号放大方法

技术领域

本发明一般涉及电子显微镜技术领域。更具体地，本发明涉一种电子显微镜的信号放大系统、产品及探测信号放大方法。

背景技术

目前，电子显微镜领域的探测器主要是PIN(PIN光电二极管)、PMT(光电倍增管)和MCP(微通道板)三种，三种探测器的探测原理不同，但输出均为电流信号，且根据实际情况，它们各自有不同的前置放大方案。这些放大方案利用放大器将电流信号转换成电压信号，这些前置放大器统称为前级放大器。

由于电子显微镜总体设计、束流大小以及探测器安装位置不同，其相应的输出信号幅值不相同，其总体在几百伏到几百毫伏甚至几伏的范围。此外，科研型电子显微镜中还会遇到调节束流以适应不同样品的情况。在这种情况下，需要全量程能够适合的信号放大器，以将前级放大器的信号调理成统一信号。现有技术的解决方案是根据不同型号、不同位置的探测器来计算并测量其输出信号强度，从而单独设计放大器，但是该种放大器缺乏通用性。另外，电子显微镜通常搭配能谱仪等进行应用，在实际应用中，能谱图像和电子显微镜的图像通常各需要一个成像采集接口，然而现有技术的放大器一般只提供单一接口，导致只能呈现一路图像，从而使得无法满足多类图像输出的需求。在一些场景中，需要增加转换器才能同时看到能谱仪和电子显微镜的图像，这造成了成本的增加。

有鉴于此，亟需提供一种电子显微镜的信号放大系统方案，以便提高信号放大系统的放大倍数的范围以及对成像系统的适用性。

发明内容

为了至少解决如上所提到的一个或多个技术问题，本发明提出了一种电子显微镜的信号放大系统方案。

在第一方面中，本发明提供一种电子显微镜的信号放大系统，包括：多级放大电路，其包括级联的多个放大电路，用于对输入信号进行逐级可控的信号放大，其中所述输入信号来自于所述电子显微镜的探测器；信号处理电路，其与所述多级放大电路的输出端电连接并且用于对放大后的信号进行跟随或叠加处理；以及输出电路，其与所述信号处理电路电连接并且用于对从所述信号处理电路接收到的信号进行多路输出，其中所述多路输出用于向所述电子显微镜的不同成像系统分别进行输出。

在一些实施例中，所述多级放大电路至少包括串行连接的一级放大电路和二级放大电路，其中：所述一级放大电路包括连接的第一运算放大器和第一开关电路，其中所述第一开关电路的预定开启和闭合使得所述第一运算放大器对所述输入信号进行第一预定倍数的一级放大，以得到一级放大信号；和/或所述二级放大电路包括连接的第二运算放大器和第二开关电路，其中所述第二运算放大器用于根据从所述第二开关电路所获得的第二预定倍数对从所述一级放大电路接收到的一级放大信号进行二级放大，以得到二级放大信号。

在一些实施例中，信号放大系统还包括交流耦合电路，其串行连接于所述一级放大电路和二级放大电路之间，并且包括依次连接的隔直电路和偏置电压电路，以用于分别对所述一级放大信号执行隔离直流分量和提供偏置电压的操作。

在一些实施例中，信号放大系统还包括直流恢复电路，其输入端电连接于所述二级放大电路的输出端，以用于对所述二级放大信号进行直流恢复，其中所述信号处理电路用于对从所述二级放大电路直接接收到的所述二级放大信号和从所述直流恢复电路接收到的输出信号进行叠加操作，以便向所述输出电路输出叠加信号。

在一些实施例中，信号放大系统还包括直流恢复控制电路，其电连接于所述直流恢复电路并且包括第三开关电路，所述直流恢复控制电路用于接收直流恢复控制信号并且利用所述直流恢复控制信号来开启或闭合所述第三开关电路，以用于对直流恢复操作的控制。

在一些实施例中，所述直流恢复控制电路还包括低电压差分信号转晶体管-晶体管逻辑电路，其用于将作为所述直流恢复控制信号的低电压差分信号控制信号转换为晶体管-晶体管逻辑电平，以用于所述第三开关电路的开启或闭合。

在一些实施例中，所述低电压差分信号转晶体管-晶体管逻辑电路的输入端与所述电子显微镜的图像采集单元连接，以便从所述图像采集单元接收低电压差分信号控制信号。

在一些实施例中，所述输出电路包括差分输出电路和单端输出电路，其中所述差分输出电路包括差分运算放大器，其用于将放大后的信号转换成差分信号以便输出，所述单端输出电路包括第三运算放大器，其用于将放大后的信号叠加偏置电压以便输出。

在一些实施例中，信号放大系统还包括偏置控制电压电路，其分别电连接于所述差分输出电路和单端输出电路，以用于分别向所述差分输出电路和单端输出电路输出对应的偏置电压。

在一些实施例中，所述偏置控制电压电路包括数模转换电路和第四运算放大电路，其中所述数模转换电路连接到所述第四运算放大电路的同相输入端，而所述第四运算放大电路的输出端连接至其反相输入端以及所述差分运算放大器和第三运算放大器的反相输入端，以用于分别向所述差分输出电路和单端输出电路输出对应的偏置电压。

在第二方面中，本发明还提供一种电子显微镜，包括根据前述第一方面的任意一实施例所述的信号放大系统，还包括微控制单元，其用于对所述信号放大系统的第一开关电路、第二开关电路、和/或偏置控制电压电路分别进行相应的控制。

在第三方面中，本发明该提供一种电子显微镜探测信号放大方法，采用前述第二方面实施例中所述的电子显微镜。方法包括：所述多级放大电路接收来自于所述电子显微镜的探测器的输入信号,并对所述输入信号进行逐级可控的信号放大；所述信号处理电路根据放大后的信号进行跟随或叠加处理；所述输出电路根据所述信号处理电路接收到的信号进行多路输出，并输出至所述电子显微镜的不同成像系统。

通过如上所提供的电子显微镜的信号放大系统的方案，由于采用多级放大、信号处理电路和输出电路的电路设计，使得可以在保证信号放大系统的带宽不至于过大的情况下提高信号放大倍数的范围，从而可以满足较大量程的需求。另外，本方案还可以满足多类成像系统的需求，进而大大提高了本实施例的信号放大系统对成像系统的适用性。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1示出了本发明一些实施例的电子显微镜的信号放大系统的原理框图；

图2示出了本发明另一些实施例的信号放大系统的原理框图；

图3示出了本发明一些实施例的一级放大电路的电路图；

图4示出了本发明一些实施例的二级放大电路的电路图；

图5示出了本发明又一些实施例的信号放大系统的原理框图；

图6示出了本发明一些实施例的交流耦合电路的电路图；

图7示出了本发明又一些实施例的信号放大系统的原理框图；

图8示出了本发明一些实施例的直流恢复电路、直流恢复控制电路以及信号处理电路部分的电路图；

图9示出了本发明一些实施例的输出电路和偏置控制电压电路的电路图；

图10示出了本发明一些实施例的电子显微镜的原理框图；

图11示出了本发明一些实施例的电子显微镜探测信号放大方法的流程图。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做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。

应当理解，本发明的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而并不意在限定本发明。如在本发明说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本发明说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本说明书和权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

下面结合附图来详细描述本发明的具体实施方式。

图1示出了本发明一些实施例的电子显微镜的信号放大系统100的原理框图。如图1中所示，本发明的信号放大系统100可以包括多级放大电路101、信号处理电路102和输出电路103。在一个实施方式中，上述的多级放大电路101可以包括级联的多个放大电路，用于对输入信号IN进行逐级可控的信号放大。多级放大电路101的级数可以根据应用场景的不同而不同，例如可以为两级或三级等。每级放大电路的放大倍数可以相同，也可以不同，并且多级放大电路101的放大倍数可以为0.6～60000倍，从而使得本发明的信号放大系统可以将微伏或毫伏级别的小信号放大成伏级的信号，进而可以满足后续电路的需求。基于该多级放大，使得本发明的信号放大系统整体可以实现动态范围从100微伏到1伏电压的动态范围放大，从而可以满足全量程的需求。上述输入信号可以来自于电子显微镜的探测器，例如可以包括视频信号。

在一个实施例中，上述信号处理电路102可以与多级放大电路101的输出端电连接并且用于对放大后的信号进行跟随或叠加处理。此处的跟随包括输入信号和输出信号的电压相等。信号处理电路102可以采用多种电路实现，稍后详述。

在一个实施例中，上述输出电路103可以与信号处理电路102电连接并且用于对从信号处理电路102接收到的信号进行多路输出，其中多路输出可以用于向电子显微镜的不同成像系统分别进行输出。不同成像系统可以包括能谱仪和电子显微镜的成像系统。在一个实施例中，输出电路103可以同时具备差分输出和单端输出，从而可以同时向视频采集板卡和能谱仪两套系统输出信号，进而方便进行能谱分析的时候同时进行成像和分析。

根据上述描述可知，本发明实施例的信号放大系统由于采用多级放大控制，可以在保证信号放大系统的带宽不至于过大的情况下提高信号放大倍数的范围，从而可以满足较大量程的需求。另外，由于输出电路103可以向不同的成像系统进行输出，从而可以满足多类成像系统的需求，进而大大提高了本实施例的信号放大系统对成像系统的适用性。

在一个实施例中，多级放大电路101可以至少包括串行连接的一级放大电路和二级放大电路。为了进一步说明本发明，下面本发明将结合多个实施例对包括串行连接的两级放大电路的信号放大系统进行详细描述。

图2示出了本发明另一些实施例的信号放大系统200的原理框图。

如图2中所示，信号放大系统200可以包括串行连接的一级放大电路1011和二级放大电路1012，并且还可以包括信号处理电路102和输出电路103。信号处理电路102和输出电路103已在前文中结合图1所示的实施例进行了描述，此处不再详述。

在一个实施例中，一级放大电路1011可以包括连接的第一运算放大器10112和第一开关电路10111，其中所述第一开关电路10111的预定开启和闭合使得所述第一运算放大器10112对所述输入信号进行第一预定倍数的一级放大，以得到一级放大信号。在一个实施方式中，前述第一预定倍数可以分为例如1倍、10倍、40倍、100倍四个等级，从而实现不同倍数的放大，进而满足不同需求。前述第一运算放大器U31的带宽增益积可以大于500MHz，以保证10倍放大时，一级放大电路1011的带宽不低于50MHz。

图3示出了本发明一些实施例的一级放大电路1011的电路图。

如图3中所示，第一开关电路K31(即上文中的“第一开关电路10111”)包括具有四对触点的模拟开关或继电器，一级放大电路1011还可以包括增益电阻R1-R5。由图中可以看出，第一开关电路K31的每条线路上的增益电阻可以包括位于触点一侧的公共电阻R1及位于每个触点另一侧的另一增益电阻(例如电阻R2、R3、R4和R5)。电阻R2、R3、R4和R5的阻值可以不同，这样在对应的一对触点闭合时，每条线路上的增益电阻的总阻值为公共电阻R1与对应的另一电阻的阻值之和，如图中最上面一条线路的总阻值为R1+R2的阻值之和，第二条线路的总阻值为R1+R3的阻值之和，…，最下面一条线路的总阻值为R1+R5的阻值之和，从而使得每条线路可以实现与该总阻值对应的放大倍数。例如，当电阻R1的阻值为1K，R3的阻值为3K时，该条线路的放大倍数可以为3倍；当电阻R1的阻值为2K，R3的阻值为2k，该条线路的放大倍数可以是4倍等。在本实施例中，第一开关电路K31的带宽不低于50MHz。上述模拟开关每次可以只导通一个，也可以组合使用。

需要说明的是，基于本发明的整体技术方案，作为其他拓展实施方式，上述实施例中的第一开关电路K31中不限于如图3所示的四对触点，还可以是五对、六对……N对，具体可根据实际使用场景的需求增设相应的模拟开关或继电器(或具有类似功能的元器件)，同时，在相应开关电路增设与之匹配的电阻Rn。此外，模拟开关或继电器同时可以自由选配接通，比如，可以同时接通电阻R2、R3，使得电阻R2、R3并联，依次类推，还可以是电阻R3、R5并联，或者电阻R2、R3、Rn并联，在此，不一一列举，其中电阻R2、R3、……、Rn的阻值可以相同，也可以不同。

上文结合实施例描述一级放大电路1011的结构以及原理，下面结合图2和图4继续对本发明的二级放大电路1012进行说明。

如图2中所示，所述二级放大电路1012可以包括连接的第二运算放大器10121和第二开关电路10122，其中第二运算放大器10121用于根据从第二开关电路10122所获得的第二预定倍数对从一级放大电路1011接收到的一级放大信号进行二级放大，以得到二级放大信号。在一个实施方式中，前述第二预定倍数也可以分为例如1倍、10倍、40倍、100倍四个等级，从而实现不同倍数的放大，进而满足不同需求。前述第二运算放大器10121的带宽增益积也可以大于500MHz，以保证10倍放大时，二级放大电路1012的带宽不低于50MHz。

图4示出了本发明一些实施例的二级放大电路1012的电路图。

如图4中所示，二级放大电路1012可以包括数模转换器、运算放大器U41和乘法器型的运算放大器U42。

在一个实施例中，上述数模转换器输出电压信号。数模转换器的输出连接运算放大器U41的同相输入端，运算放大器U41的输出端连接其自身的反相输入端，以进行反馈。运算放大器U41的输出端还连接乘法器型的运算放大器U42的输入端。输入信号还直接输入至乘法器型的运算放大器U42的输入端。乘法器型的运算放大器U42可以选用动态范围(-14～46)dB的放大器(对应信号调节范围为约0.2～200倍)，例如AD8336/AD603等。上述运算放大器U41可以进行电压跟随，从而使其输入和输出的电压一致。在本实施例中，乘法器型的运算放大器U42将运算放大器U41的输出信号和输入信号这两个信号相乘，以实现相应倍数的放大输出。

可以理解的是，上文中描述的一级放大器和二级放大器的电路结构以及第一预定倍数、第二预定倍数等都是示例性的而非限制性的，本领域技术人员可以根据不同的需求来选用其他的放大倍数、其他的电路等来实现。

图5示出了本发明又一些实施例的信号放大系统500的原理框图。如图5中所示，本实施例与图2中所示实施例的区别仅在于，信号放大系统500还可以包括交流耦合电路104，其可以串行连接于一级放大电路1011和二级放大电路1012之间。交流耦合电路104可以包括依次连接的隔直电路1041和偏置电压电路1042，以用于分别对一级放大信号执行隔离直流分量和提供偏置电压的操作。

图6示出了本发明一些实施例的交流耦合电路104的电路图。

如图6中所示，交流耦合电路104的隔直电路可以包括电容C1和与其并联的电阻R63。在一些实施场景中，电阻R63可以在通常情况下为开路(如电阻R63不进行焊接)，并根据电路的不同需求将其接入电路中(如当需要调试进行辅助时，可以把电阻R63进行焊接)。在一个实施例中，电容C1的作用为隔直，在交流电路中，电容对交流呈现的容抗较小，有利于交流电通过。偏置电压电路可以包括串联的电阻R61和电阻R62。在示例性的实际场景中，电阻R61和R62可以是电阻或者电阻网络，其作用是给输出增加偏置信号，并对其进行偏置电压信号的微调。另外，电阻R61和/或电阻R62可以为可调电阻，从而可以调节交流耦合后的偏置电压。在一种实现中，偏置电压电路可设置为可调，以便于适应后级运算放大器的偏置电压。

由于设置了该交流耦合电路104，使得整体信号放大系统的链路上位于该交流耦合电路后的各个运放的偏置电压都通过该交流耦合电路进行微调，从而可以保证隔直后的信号处于零电位上。

可以理解的是，图6中所示的交流耦合电路104的实现方式仅仅是示例性的而非限制性的，本领域技术人员还可以对其进行变形或采用其他的电路结构来实现。

在经过隔直操作后输出的信号可能会不稳定，此时需要补充直流的偏置电压，来维持其稳定性。图7示出了本发明又一些实施例的信号放大系统700的原理框图。

如图7中所示，本实施例与前述图2所示实施例的区别仅在于，信号放大系统700还可以包括直流恢复电路105，其输入端电连接于上述二级放大电路1012的输出端，以用于对该二级放大信号进行直流恢复，其中上述信号处理电路102可以用于对从二级放大电路1012直接接收到的二级放大信号和从直流恢复电路105接收到的输出信号进行叠加操作，以便向输出电路103输出叠加信号。

直流恢复电路105可以采用多种电路结构实现，稍后将详述。可以理解的是，也可以在前述图5所示的信号放大系统500中增加该直流恢复电路，其工作原理等与图4中所描述相同，此处不再详述。

在一个实施方式中，可以通过直流恢复控制电路来控制直流恢复。具体地，直流恢复控制电路可以电连接于直流恢复电路并且包括第二开关电路，该直流恢复控制电路可以用于接收直流恢复控制信号并且利用该直流恢复控制信号来开启或闭合第二开关电路，以用于对直流恢复操作的控制。

在一种实现中，上述直流恢复控制电路还可以包括低电压差分信号(Low-VoltageDifferential Signaling，LVDS)转晶体管-晶体管逻辑电路，其可以用于将作为直流恢复控制信号的低电压差分信号控制信号转换为晶体管-晶体管逻辑电平，以用于第二开关电路的开启或闭合。在一个实施场景中，低电压差分信号转晶体管-晶体管逻辑电路的输入端可以与电子显微镜的图像采集单元连接，以便从图像采集单元接收低电压差分信号控制信号。

为了对直流恢复电路部分的原理进行充分说明，下面本方案将结合图8来对直流恢复电路、直流恢复控制电路以及信号处理电路102部分的电路结构以及工作原理进行详细描述。

图8示出了本发明一些实施例的直流恢复电路、直流恢复控制电路以及信号处理电路102部分(下面简称为“信号合路”)的电路图。

如图8中所示，直流恢复电路可以包括第一个运算放大器U81(图中最左侧的运算放大器)、第二个运算放大器U82(图中右侧的运算放大器)、电容C1以及电阻R81、R84。直流恢复控制电路包括低电压差分信号转晶体管-晶体管逻辑芯片和模拟开关K81。信号合路(即信号处理电路102部分)包括第三个运算放大器U83(图中右下方的运算放大器)及电阻R82和R83。

直流恢复电路的输入端通过电阻R81连接第一个运算放大器U81的同相输入端，该第一个运算放大器U81包括反馈电路(输出端连接其反相输入端)，并且其输出端通过串联的模拟开关K81和电阻R84连接第二个运算放大器U82的同相输入端，该第二个运算放大器U82也具有反馈电路(输出端连接其反向输入端)，并且其输出端通过电阻R82连接第三个运算放大器U83的反相输入端，第三个运算放大器U83的反馈电路中串入电阻R83。另外，直流恢复电路的输入端还直接连接第三个运算放大器U83的反相输入端。另外，电容C1通过接地的方式并联在模拟开关K81和电阻R84之间。信号合路的第三个运算放大器U83将第二个运算放大器U82输出的信号和输入信号进行叠加，从而实现对从二级放大电路直接接收到的二级放大信号和从直流恢复电路接收到的输出信号的叠加操作。

在一些场景中，二级放大后的信号为交流，会影响电子显微镜的使用，通过电容C1的隔直通交能力可以补偿直流偏置的电压输入。在进行整流恢复时，信号输入至第一个运算放大器U81，第一个运算放大器U81为跟随电路，其输出信号基本等同于输入信号，因此可以提高带负载能力。第二个运算放大器U82可以用于对输入的电压进行跟随，并将其输送至第三个运算放大器U83。

低电压差分信号转晶体管-晶体管逻辑芯片控制模拟开关K81。在低电压差分信号转晶体管-晶体管逻辑芯片不产生直流恢复控制信号时，控制模拟开关K81打开，此时，输入信号直接输入至第三个运算放大器U83，通过其放大后直接输出。当控制模拟开关K81导通时，输入信号输入至电容C1，对其进行充电，以便模拟开关K81被断开时通过该电容C1形成保持电路。在模拟开关K81闭合时，直流恢复电路闭合，将输入信号和直流恢复信号进行叠加，上述整个电路不具备放大功能；如果切断直流恢复电路，上述电路则变成二级放大电路的跟随电路。可以理解的是，上述电路中的电阻R81/R82不焊接时，直流恢复电路就不起作用，信号链路就转变为直流耦合电路。

在本实施例中，直流恢复控制电路采用直流恢复控制信号，其可以将远端的LVDS控制信号转换为TTL电平，对模拟开关K81进行控制，当电镜(电子显微镜)不进行扫图的时候可以控制模拟开关K81导通，电路中的电容C1会进行储能；在扫图的时候，模拟开关K81断开，由于电容C1储能，所以可以输出稳定的直流信号。直流恢复电路采用外部的控信号，例如LVDS的差分信号，其可以由电子显微镜的图像采集单元提供，从而可以配合图像采集进行应用。

上文中结合实施例对直流恢复电路、直流恢复控制电路以及信号处理电路102部分的一种电路结构进行了详细描述。可以理解的是，本领域技术人员还可以根据需要对其进行变形或采用其他电路结构来实现。

本方案中的交流耦合电路和直流恢复电路在视频信号可以适应电子束100ns以下驻留时间且连续不间断运行的工业级电镜的稳定性要求。交流耦合电路和直流恢复电路属于电路中成套的选择性模块，可通过零欧姆电阻(0R电阻)跳线进行选通。

在一个或多个实施例中，上述输出电路103可以包括差分输出电路和单端输出电路，其中差分输出电路可以包括差分运算放大器，其用于将放大后的信号转换成差分信号以便输出，单端输出电路包括第三运算放大器，其用于将放大后的信号叠加偏置电压以便输出。输出电路103可以通过多种电路结构实现，本文稍后将与偏置控制电压电路一并进行详述。

上述偏置电压可以通过偏置控制电压电路来生成。因此，在一个实施例中，信号放大系统还可以包括偏置控制电压电路，其分别电连接于上述差分输出电路和单端输出电路，以用于分别向差分输出电路和单端输出电路输出对应的偏置电压。

图9示出了本发明一些实施例的输出电路和偏置控制电压电路901的电路图。

如图9中所示，单端输出电路902可以包括第三运算放大器U92以及电阻R91和R92，输入信号输入至该第三运算放大器U92的同相输入端，并且该第三运算放大器U92通过电阻R91和R92获取偏置电压，该第三运算放大器U92与地相连接，从而使得该单端输出电路902叠加偏置电压后可以进行单独的信号输出，进而进行单次反馈。单端信号可以提供给只能接受单端信号的成像系统使用，此处的单端信号的成像系统包括但不限于例如单端信号采集的成像系统、通用能谱仪系统等。

差分输出电路903可以包括差分运算放大器以及电阻R93、R94、R95和R96。差分运算放大器U93的同相输入端通过电阻R93连接输入信号，其反相输入端通过电阻R95和R96接入偏置电压，以便根据接收到的偏置电压和输入信号进行差分运算来得到差分信号。

在传统的视频放大技术中，其直流恢复信号采用不同电压的标准晶体管-晶体管逻辑电平进行电压转换，但是晶体管-晶体管逻辑电平在远距离传输中会引入干扰，因此容易导致信号处理出现偏差。本方案通过差分运算放大器可以将单端信号转换为差分信号，从而实现偏置调节差分输出，并且其放大倍数可以为3倍，同时叠加偏置调节电压，进而可以方便调节最终图像亮度。另外，差分信号更适合远距离传输，从而可以尽可能减少图像噪声，进而更适合提供给具备采集差分信号能力的成像系统使用。

如图9中所示，偏置控制电压电路901可以包括数模转换电路和第四运算放大电路U91。其中数模转换电路可以连接到第四运算放大电路U91的同相输入端，而第四运算放大电路U91的输出端可以连接至其反相输入端以及差分运算放大器U93和第三运算放大器U92的反相输入端，以用于分别向差分输出电路903和单端输出电路902输出对应的偏置电压。本方案通过第四运算放大电路U91可以将单端信号叠加偏置调节电压，从而实现偏置调节单端输出，进而方便调节最终图像亮度。另外，该电路由于内部集成数模转换电路，其外部可以通过数字接口进行控制，从而可以避免模拟控制中出现的信号干扰问题。

上述数模转换电路可以采用数模转换芯片，其调节范围可以为二级放大电路全动态范围所需要的电压，数模转换芯片可以由外部信号进行操作控制，例如通过MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)进行操作控制。

上文中结合实施例对输出电路和偏置控制电压电路的一种电路结构进行了详细描述。可以理解的是，本领域技术人员还可以根据需要对其进行变形或采用其他电路结构来实现。

图10示出了本发明一些实施例的电子显微镜1000的原理框图。

如图10中所示，电子显微镜1000可以包括根据前文中任意一实施例所述的信号放大系统1001，还包括微控制单元(MCU)1002，其用于对信号放大系统的第一开关电路10111、第二开关电路10122、和/或偏置控制电压电路分别进行相应的控制。为描述简单，图10中仅以对第一开关电路10111和第二开关电路10122控制为例进行说明。

在一个实施例中，微控制单元1002可以通信连接CAN总线，CAN总线可以作为信号放大系统和电子显微镜整体电控系统通讯的物理接口，其可以和MCU进行数字通讯。CAN总线可以通过电缆将数字信号传输至信号放大系统的信号链路，对一级放大电路1011、二级放大电路1012、偏置电压控制三个部分进行操作，进而控制整个信号放大系统1001的信号链路的放大倍数和偏置电压。

微控制单元1002属于外部控制单元，其可以控制第一开关电路10111，以达到放大倍数调节目的，还可以控制第二开关电路10122输出相应放大倍数的电压，从而实现放大倍数的控制。

除上述控制外，微控制单元1002还可以控制偏置控制电压电路里面的数模转换电路输出相应的偏置电压，从而作为放大器的信号高低调节，该高低调节反应在终端显示系统上就是图像亮度调节。

根据前文中结合多个实施例对信号放大系统的描述可知，本方案的电子显微镜1000可以在保证信号放大系统的带宽不至于过大的情况下提高信号放大倍数的范围，从而可以满足较大量程的需求。另外，由于信号放大系统的输出电路可以向不同的成像系统进行输出，从而使得电子显微镜1000可以满足多类成像系统的需求，进而大大提高了本实施例的电子显微镜对成像系统的适用性。

图11示出了本发明一些实施例的电子显微镜探测信号放大方法1100的流程图。该方法1100可以采用前述实施例所述的电子显微镜1000。

如图11中所示，方法1000可以包括在步骤S1101处，多级放大电路接收来自于电子显微镜的探测器的输入信号,并对所述输入信号进行逐级可控的信号放大。接着，在步骤S1102处，信号处理电路可以根据放大后的信号进行跟随或叠加处理。进一步，在步骤S1103处，输出电路可以根据所述信号处理电路接收到的信号进行多路输出，并输出至电子显微镜的不同成像系统。

根据前文中结合多个实施例对信号放大系统以及电子显微镜的描述可知，本方案的方法1100可以在保证信号放大系统的带宽不至于过大的情况下提高信号放大倍数的范围，从而可以满足较大量程的需求。另外，通过该方法1100可以向不同的成像系统进行输出，从而使得电子显微镜可以满足多类成像系统的需求，进而大大提高了电子显微镜对成像系统的适用性。

虽然本文已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式来提供。本领域技术人员可以在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本发明的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的等同或替代方案。

Claims (12)

1.电子显微镜的信号放大系统，其特征在于，包括：

多级放大电路，其包括级联的多个放大电路，用于对输入信号进行逐级可控的信号放大，其中所述输入信号来自于所述电子显微镜的探测器；

信号处理电路，其与所述多级放大电路的输出端电连接并且用于对放大后的信号进行跟随或叠加处理；以及

输出电路，其与所述信号处理电路电连接并且用于对从所述信号处理电路接收到的信号进行多路输出，其中所述多路输出用于向所述电子显微镜的不同成像系统分别进行输出。

2.根据权利要求1所述的信号放大系统，其特征在于，其中所述多级放大电路至少包括串行连接的一级放大电路和二级放大电路，其中：

所述一级放大电路包括连接的第一运算放大器和第一开关电路，其中所述第一开关电路的预定开启和闭合使得所述第一运算放大器对所述输入信号进行第一预定倍数的一级放大，以得到一级放大信号；和/或

所述二级放大电路包括连接的第二运算放大器和第二开关电路，其中所述第二运算放大器用于根据从所述第二开关电路所获得的第二预定倍数对从所述一级放大电路接收到的一级放大信号进行二级放大，以得到二级放大信号。

3.根据权利要求2所述的信号放大系统，其特征在于，还包括交流耦合电路，其串行连接于所述一级放大电路和二级放大电路之间，并且包括依次连接的隔直电路和偏置电压电路，以用于分别对所述一级放大信号执行隔离直流分量和提供偏置电压的操作。

4.根据权利要求2或3所述的信号放大系统，其特征在于，还包括直流恢复电路，其输入端电连接于所述二级放大电路的输出端，以用于对所述二级放大信号进行直流恢复，其中所述信号处理电路用于对从所述二级放大电路直接接收到的所述二级放大信号和从所述直流恢复电路接收到的输出信号进行叠加操作，以便向所述输出电路输出叠加信号。

5.根据权利要求4所述的信号放大系统，其特征在于，还包括直流恢复控制电路，其电连接于所述直流恢复电路并且包括第三开关电路，所述直流恢复控制电路用于接收直流恢复控制信号并且利用所述直流恢复控制信号来开启或闭合所述第三开关电路，以用于对直流恢复操作的控制。

6.根据权利要求5所述的信号放大系统，其特征在于，所述直流恢复控制电路还包括低电压差分信号转晶体管-晶体管逻辑电路，其用于将作为所述直流恢复控制信号的低电压差分信号控制信号转换为晶体管-晶体管逻辑电平，以用于所述第三开关电路的开启或闭合。

7.根据权利要求6所述的信号放大系统，其特征在于，所述低电压差分信号转晶体管-晶体管逻辑电路的输入端与所述电子显微镜的图像采集单元连接，以便从所述图像采集单元接收低电压差分信号控制信号。

8.根据权利要求1所述的信号放大系统，其特征在于，所述输出电路包括差分输出电路和单端输出电路，其中所述差分输出电路包括差分运算放大器，其用于将放大后的信号转换成差分信号以便输出，所述单端输出电路包括第三运算放大器，其用于将放大后的信号叠加偏置电压以便输出。

9.根据权利要求8所述的信号放大系统，其特征在于，还包括偏置控制电压电路，其分别电连接于所述差分输出电路和单端输出电路，以用于分别向所述差分输出电路和单端输出电路输出对应的偏置电压。

10.根据权利要求9所述的信号放大系统，其特征在于，所述偏置控制电压电路包括数模转换电路和第四运算放大电路，其中所述数模转换电路连接到所述第四运算放大电路的同相输入端，而所述第四运算放大电路的输出端连接至其反相输入端以及所述差分运算放大器和第三运算放大器的反相输入端，以用于分别向所述差分输出电路和单端输出电路输出对应的偏置电压。

11.电子显微镜，其特征在于，包括根据权利要求1-10的任意一项所述的信号放大系统，还包括微控制单元，其用于对所述信号放大系统的第一开关电路、第二开关电路、和/或偏置控制电压电路分别进行相应的控制。

12.电子显微镜探测信号放大方法，采用权利要求11所述的电子显微镜，其特征在于，方法包括：

所述多级放大电路接收来自于所述电子显微镜的探测器的输入信号,并对所述输入信号进行逐级可控的信号放大；

所述信号处理电路根据放大后的信号进行跟随或叠加处理；

所述输出电路根据所述信号处理电路接收到的信号进行多路输出，并输出至所述电子显微镜的不同成像系统。