RU2613339C1

RU2613339C1 - Acoustic microscope

Info

Publication number: RU2613339C1
Application number: RU2015150013A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Борисович Дементьев; Юрий Константинович Шелковников; Кирилл Сергеевич Ермолин; Николай Иванович Осипов; Станислав Рафаилович Кизнерцев
Original assignee: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт Механики УрО РАН
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-03-16

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: acoustic microscope comprises a oscillator with a generator of the probing pulses, a transducer with an acoustic lens, a switch of the probing and reflected signals, a three-axis drive for scanning the sample, a fluid flow generator, a scanning control unit, a unit of forming, registering and processing the measurement information. The forming unit of the measuring information includes a serially connected adjustable amplifier, a quadrature mixer with a quadrature oscillator, a dual-channel low frequency filter, a dual-channel analog-to-digital converter, a signal processor coupled to the data exchange bus with the PC. The switch of the probing and the reflected signals is based on the high-speed operational amplifiers according to the circulator circuit. The control PC is connected to the control generator inputs of the probing pulses, the adjustable amplifier, the quadrature oscillator, the fluid flow generator and the scanning control unit.

EFFECT: expanding the functionality, improving the measurement accuracy, as well as expanding the dynamic and frequency range of the studied acoustic signals.

3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для исследования неоднородности материалов и может быть использовано для ультразвуковой интроскопии веществ.The invention relates to devices for studying the heterogeneity of materials and can be used for ultrasonic introscopy of substances.

Известен акустический микроскоп [Патент RU №2011194 C1, G01N 29/04. Акустический микроскоп / Маслов К.И., Маев Р.Г., Левин В.М. - Опубл. 15.04.1994], содержащий генератор зондирующих импульсов с усилителем-формирователем, приемно-передающий пьезопреобразователь с акустической линзой, установленный на приводе с возможностью перемещения по трем координатам относительно исследуемого образца, устройство формирования потока жидкости, блоки синхронизации и управления сканированием и блок формирования и обработки измерительной информации, включающий последовательно соединенные усилитель-ограничитель, усилитель с регулируемым усилением, стробирующий ключ, детектор, видеоусилитель, устройство выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь, а также блоки отображения и регистрации информации, при этом выход генератора зондирующих импульсов соединен с входом усилителя-формирователя, выход которого подключен к входу-выходу пьезопреобразователя. Недостатками акустического микроскопа являются сложность устройства и недостаточная точность аналогового блока формирования и обработки акустических сигналов, а также наличие непосредственной электрической связи между выходом усилителя-формирователя и входом усилителя-ограничителя, что приводит к повышенному уровню шумов на входе блока формирования и обработки измерительной информации.Known acoustic microscope [Patent RU No. 20111194 C1, G01N 29/04. Acoustic Microscope / Maslov K.I., Maev R.G., Levin V.M. - Publ. 04/15/1994], comprising a probe pulse generator with a driver amplifier, a transceiver piezoelectric transducer with an acoustic lens mounted on the drive with the ability to move in three coordinates relative to the sample under study, a fluid flow forming device, scanning synchronization and control units, and a formation and processing unit measuring information, including series-connected amplifier-limiter, amplifier with adjustable gain, gate switch, detector, video rer, sample-and-hold device, analog-to-digital converter, and a display unit and recording information, wherein the sounding pulse generator output coupled to an input of the amplifier-shaper whose output is connected to the input-output piezoelectric transducer. The disadvantages of an acoustic microscope are the complexity of the device and the lack of accuracy of the analog block for generating and processing acoustic signals, as well as the direct electrical connection between the output of the amplifier-driver and the input of the amplifier-limiter, which leads to an increased noise level at the input of the block for the formation and processing of measurement information.

Известен малогабаритный акустический микроскоп [Патент RU №2112969, G01N 29/00, G01N 29/04, G01N 29/06. Малогабаритный акустический микроскоп / Денисов А.В., Левин В.М., Маев Р.Г., Маслов К.И., Пышный М.Ф., Соколов Д.Ю. - Опубл. 10.06.1998], являющийся усовершенствованием описанного в [Патент RU №2011194 C1, G01N 29/04. Акустический микроскоп / Маслов К.И., Маев Р.Г., Левин В.М. - Опубл. 15.04.1994], в котором исключен усилитель-ограничитель и введены два усилителя, соединенные последовательно, первый и второй ключи, вход первого ключа подключен к выходу усилителя-формирователя, выход второго - к входу усилителя блока формирования и обработки измерительной информации, а приемно-передающий пьезопреобразователь с акустической линзой соединен с выходом первого и входом второго ключей. Недостатками акустического микроскопа являются сложность и недостаточная точность аналогового блока формирования и обработки измерительной информации, сложность коммутации приемно-передающего пьезопреобразователя на возбуждение и прием акустических сигналов, возможность проникновения сигналов управления коммутирующими ключами на вход усилителя блока формирования и обработки измерительной информации.A small-sized acoustic microscope is known [Patent RU No. 2112969, G01N 29/00, G01N 29/04, G01N 29/06. Small-sized acoustic microscope / Denisov A.V., Levin V.M., Maev R.G., Maslov K.I., Pyshniy M.F., Sokolov D.Yu. - Publ. 06/10/1998], which is an improvement described in [Patent RU No. 20111194 C1, G01N 29/04. Acoustic Microscope / Maslov K.I., Maev R.G., Levin V.M. - Publ. 04/15/1994], in which the amplifier-limiter is excluded and two amplifiers are introduced, connected in series, the first and second keys, the input of the first key is connected to the output of the amplifier-driver, the output of the second is connected to the amplifier input of the unit for the formation and processing of measurement information, and the receiving a transmitting piezoelectric transducer with an acoustic lens is connected to the output of the first and the input of the second key. The disadvantages of an acoustic microscope are the complexity and lack of accuracy of an analog unit for the formation and processing of measurement information, the complexity of switching a receiving-transmitting piezoelectric transducer for excitation and reception of acoustic signals, the possibility of penetration of control signals by switching keys to the input of an amplifier of a unit for generating and processing measurement information.

Известны коммутирующие устройства, предназначенные для направленной передачи высокочастотных сигналов - циркуляторы, имеющие три входа-выхода (порта), в которых сигнал, поступающий в первый порт, перенаправляется на выход второго; сигнал, подключенный ко второму порту - передается на выход третьего, а сигнал, подключенный к третьему, - на первый, которые функционируют без управляющих сигналов. Такие устройства работают на различных физических принципах и имеют различные конструкции в зависимости от рабочего диапазона частот. Наиболее широкую полосу рабочих частот (от постоянного тока до сотни и более мегагерц), малую величину потерь при прямой передаче и большую при обратной, обеспечивают электронные циркуляторы, выполненные на основе высокочастотных операционных усилителей [Интернет-ресурс: URL: http://www.techlib.com/files/RFDesign3.pdf]. Недостатком этих циркуляторов является их низкая рабочая частота, связанная с подключением ко второму порту циркулятора пьезопреобразователя, емкость которого обуславливает резкое падение пропускной способности второго порта с увеличением частоты акустических сигналов.Known switching devices designed for directional transmission of high-frequency signals - circulators having three inputs / outputs (ports), in which the signal entering the first port is redirected to the output of the second; the signal connected to the second port is transmitted to the output of the third, and the signal connected to the third is sent to the first, which operate without control signals. Such devices operate on different physical principles and have different designs depending on the operating frequency range. The widest range of operating frequencies (from direct current to hundreds or more megahertz), a small amount of losses in direct transmission and a large in reverse, provide electronic circulators based on high-frequency operational amplifiers [Internet resource: URL: http: // www. techlib.com/files/RFDesign3.pdf]. The disadvantage of these circulators is their low operating frequency associated with the connection of a piezoelectric transducer to the second port of the circulator, the capacity of which causes a sharp drop in the throughput of the second port with an increase in the frequency of acoustic signals.

Известна цифровая технология SDR (англ. Software Defined Radio) обработки высокочастотного сигнала [Kino G. «Acoustic waves: devices, imaging, and analog signal processing»], заключающаяся в формировании его квадратурных составляющих на низкой промежуточной частоте, преобразовании аналогового сигнала в цифровой с помощью высокоскоростных АЦП, дальнейшей цифровой фильтрации и детектирования программными средствами на ПЭВМ или высокоскоростным сигнальным процессором. Использование цифровой SDR технологии позволяет упростить процесс формирования и обработки измерительной информации за счет реализации наиболее сложных аналоговых (например, таких как фильтры) блоков акустического микроскопа программным способом, при этом обеспечиваются бесподстроечный прием и повышение точности обработки акустических сигналов в широком динамическом диапазоне.The well-known digital technology SDR (Software Defined Radio) for processing a high-frequency signal [Kino G. “Acoustic waves: devices, imaging, and analog signal processing”], which consists in the formation of its quadrature components at a low intermediate frequency, converting the analog signal to digital with using high-speed ADCs, further digital filtering and detection with software on a PC or high-speed signal processor. The use of digital SDR technology makes it possible to simplify the process of generating and processing measurement information by implementing the most complex analog (for example, filters) blocks of an acoustic microscope using a software method, while providing unobstructed reception and increasing the accuracy of processing of acoustic signals in a wide dynamic range.

Задачей изобретения является упрощение акустического микроскопа, расширение его функциональных возможностей, повышение точности измерений, а также расширение динамического и частотного диапазона исследуемых акустических сигналов.The objective of the invention is to simplify the acoustic microscope, expand its functionality, increase the accuracy of measurements, as well as expand the dynamic and frequency range of the studied acoustic signals.

Задача решается тем, что в устройство, содержащее генератор с формирователем зондирующих импульсов, пьезопреобразователь с акустической линзой, коммутатор зондирующих и отраженных сигналов, трехкоординатный привод для сканирования образца, формирователь потока жидкости, блок управления сканированием, блоки формирования, обработки и регистрации измерительной информации введены в блок формирования измерительной информации, последовательно соединенные регулируемый усилитель, квадратурный смеситель с квадратурным генератором, двухканальный фильтр низких частот, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, сигнальный процессор, соединенный шиной обмена данных с ПЭВМ, коммутатор зондирующих и отраженных сигналов выполнен на основе быстродействующих операционных усилителей по схеме циркулятора, первый порт которого подключен к выходу формирователя зондирующих импульсов, второй порт через компенсирующую катушку индуктивности и согласующее сопротивление нагрузки подсоединен к пьезопреобразователю, третий порт подключен к входу регулируемого усилителя блока формирования измерительной информации, при этом точка соединения катушки индуктивности с согласующим сопротивлением нагрузки является новым вторым портом циркулятора, а управляющая ПЭВМ подсоединена к управляющим входам генератора зондирующих импульсов, регулируемого усилителя, квадратурного генератора, формирователя потока жидкости и блока управления сканированием.The problem is solved in that a device containing a generator with a probe pulse generator, a piezoelectric transducer with an acoustic lens, a probe and reflected signal commutator, a three-coordinate drive for scanning a sample, a fluid flow former, a scan control unit, measurement information generation, processing and recording units are entered into unit for generating measurement information, series-connected adjustable amplifier, quadrature mixer with a quadrature generator, two a low-pass filter, a two-channel analog-to-digital converter, a signal processor connected to a PC data bus, a probe of probing and reflected signals based on high-speed operational amplifiers according to a circulator circuit, the first port of which is connected to the output of the probe pulse shaper, the second port through a compensating the inductance coil and the matching load resistance is connected to the piezoelectric transducer, the third port is connected to the input of the adjustable amplifier block the formation of measuring information, while the point of connection of the inductor with the matching load resistance is the new second port of the circulator, and the control PC is connected to the control inputs of the probe pulse generator, adjustable amplifier, quadrature generator, fluid flow former and scanning control unit.

Структурная схема акустического микроскопа приведена на фиг. 1. Акустический микроскоп содержит генератор зондирующих импульсов 1, усилитель-формирователь 2, циркулятор 3, пьезопреобразователь 4 с акустической линзой 5, исследуемый образец 6, формирователь потока жидкости 7, трехкоординатный привод перемещения 8, блок управления сканированием 9, блок формирования измерительной информации 10, включающий регулируемый усилитель 11, квадратурный преобразователь 12, квадратурный генератор 13, двухканальный фильтр низких частот 14, двухканальный аналого-цифровой преобразователь 15, сигнальный процессор 16, персональную ЭВМ 17, которая выполняет функции обработки и регистрации измерительной информации, а также синхронизации и управления работой блоков микроскопа.A block diagram of an acoustic microscope is shown in FIG. 1. The acoustic microscope contains a probe pulse generator 1, an amplifier-shaper 2, a circulator 3, a piezoelectric transducer 4 with an acoustic lens 5, a test sample 6, a fluid flow shaper 7, a three-coordinate displacement drive 8, a scanning control unit 9, a measurement information generation unit 10, including an adjustable amplifier 11, a quadrature converter 12, a quadrature generator 13, a two-channel low-pass filter 14, a two-channel analog-to-digital converter 15, a signal processor 16, Pers On-line computer 17, which performs the functions of processing and recording measurement information, as well as synchronizing and controlling the operation of microscope blocks.

Устройство работает следующим образом. Для зондирования исследуемого образца 6 используются пакеты высокочастотных импульсов, вырабатываемых генератором зондирующих импульсов 1 и усилителем-формирователем 2. Частота импульсов и длительность пакета зондирующих импульсов (или их количество в пакете) выбираются в зависимости от свойств исследуемого образца 6, параметров пьезопреобразователя 4 и акустической линзы 5 и могут задаваться в широком диапазоне частот и длительностей в ПЭВМ 17. Усиленные усилителем-формирователем 2 пакеты зондирующих импульсов поступают на вход первого порта циркулятора 3.The device operates as follows. To probe the test sample 6, packets of high-frequency pulses produced by the probe pulse generator 1 and the driver amplifier are used. The pulse frequency and duration of the probe pulse packet (or their number in the packet) are selected depending on the properties of the test sample 6, parameters of the piezoelectric transducer 4, and the acoustic lens 5 and can be set in a wide range of frequencies and durations in the PC 17. The probe pulse packets amplified by the driver-shaper 2 are fed to the input Circulator Port 3.

Циркулятор выполнен на основе трех быстродействующих операционных усилителей и имеет три порта, каждый из которых одновременно является входом и выходом. Принципиальная схема циркулятора представляет собой соединенную последовательно в кольцо цепь из трех дифференциальных усилителей с идентичными определенными коэффициентами усиления по их прямым и инверсным входам и с согласованной нагрузкой на выходах (фиг. 2). При подаче сигнала на вход первого порта циркулятора на выходе-входе второго порта формируется противофазный сигнал равной амплитуды, прошедший же на выход третьего порта циркулятора сигнал будет ослаблен на 40 и более децибел [Интернет-ресурс: URL: http://www.techlib.com/files/RFDesign3.pdf]. Подключение сигнала ко второму порту вызывает появление противофазного сигнала равной амплитуды на выходе третьего порта и сильно ослабленного на выходе первого. Аналогичные процессы происходят при подключении сигнала к третьему порту. Вход первого порта циркулятора подсоединен к выходу усилителя-формирователя 2, ко второму порту подключен пьезопреобразователь 4, а к третьему - регулируемый усилитель 11 ответного электрического эхо-сигнала. Поступающие на вход первого порта циркулятора зондирующие импульсы повторяются на входе-выходе его второго порта и подводятся к пьезопреобразователю 4, который генерирует акустические колебания.The circulator is based on three high-speed operational amplifiers and has three ports, each of which is simultaneously an input and an output. Schematic diagram of the circulator is a series of three differential amplifiers connected in series in a ring with identical defined amplification factors at their direct and inverse inputs and with a coordinated load at the outputs (Fig. 2). When a signal is fed to the input of the first port of the circulator, an out-of-phase signal of equal amplitude is formed at the output / input of the second port, but the signal transmitted to the output of the third port of the circulator will be attenuated by 40 or more decibels [Internet resource: URL: http: //www.techlib. com / files / RFDesign3.pdf]. Connecting the signal to the second port causes the appearance of an out-of-phase signal of equal amplitude at the output of the third port and greatly weakened at the output of the first. Similar processes occur when the signal is connected to the third port. The input of the first port of the circulator is connected to the output of the amplifier-former 2, the piezoelectric transducer 4 is connected to the second port, and the adjustable amplifier 11 of the response electric echo signal is connected to the third port. The probe pulses arriving at the input of the first port of the circulator are repeated at the input-output of its second port and fed to the piezoelectric transducer 4, which generates acoustic vibrations.

Пьезопреобразователь изготовлен способом напыления пьезоэлектрика на плоский торец акустической линзы 5, которая имеет цилиндрическую форму и сферическую выемку на другом ее торце (фиг. 3). Пьезопреобразователь можно представить эквивалентной схемой плоского конденсатора, емкость С_пп которого обуславливает резкое падение пропускной способности второго порта циркулятора с увеличением частоты акустических сигналов. Для уменьшения влияния этой емкости на работу циркулятора в него между вторым портом и входом пьезопреобразователя введена катушка индуктивности L_к (фиг. 2а, б), компенсирующая влияние емкостной составляющей пьезопреобразователя. При частоте резонанса последовательного R_сL_кC_пп-контура (фиг. 2б) порт 2 имеет только активное сопротивление согласующего резистора R_с (которое согласует выходное сопротивление порта 2 с его нагрузкой), так как реактивные составляющие конденсатора С_пп и катушки индуктивности L_к взаимно подавляются. В предложенном циркуляторе точка соединения катушки индуктивности L_к с согласующим резистором R_с является новым портом 2 циркулятора. В результате компенсации емкостной составляющей пьезопреобразователя расширяется частотный диапазон исследуемых акустических сигналов.The piezoelectric transducer is made by spraying a piezoelectric onto the flat end of an acoustic lens 5, which has a cylindrical shape and a spherical recess at its other end (Fig. 3). A piezoelectric transducer can be represented by an equivalent planar capacitor circuit, the capacitance of C _{pp of} which causes a sharp drop in the throughput of the second port of the circulator with an increase in the frequency of acoustic signals. To reduce the effect of this capacity on the operation of the circulator, an inductance coil L _{k is} introduced between the second port and the input of the piezoelectric transducer (Fig. 2a, b), which compensates for the effect of the capacitive component of the piezoelectric transducer. When the resonance frequency of the series R _with L _to C _pp circuit (Fig. 2b) port 2 has only the resistance of the terminating resistor R _c (which matches the output impedance of port 2 with its load), since the reactive components of the capacitor C _pp and the inductance coil L _to mutually suppressed. In the proposed circulator, the connection point of the inductor L _k with the terminating resistor R _c is the new port 2 of the circulator. As a result of compensation of the capacitive component of the piezoelectric transducer, the frequency range of the studied acoustic signals is expanded.

Возбуждаемые пьезопреобразователем 4 акустические волны, проходя через тело и торец сферической формы акустической линзы 5, фокусируются в точку на поверхности или внутри объема исследуемого образца 6. Появляющиеся одновременно с зондирующими на выходе третьего порта циркулятора импульсы сильно ослаблены, не перегружают высокочувствительный вход регулируемого усилителя 11 и могут использоваться для фиксации начала отсчета времени до момента появления отраженных от исследуемого образца эхо-сигналов.The acoustic waves excited by the piezoelectric transducer 4, passing through the body and the end face of the spherical shape of the acoustic lens 5, are focused to a point on the surface or inside the volume of the sample 6. The pulses that appear simultaneously with the pulses probing at the output of the third port of the circulator are not weakened, they do not overload the highly sensitive input of the adjustable amplifier 11 and can be used to fix the beginning of the countdown to the moment of the appearance of echo signals reflected from the studied sample.

Исследуемый образец 6 закрепляется на специальном столике-кювете, для лучшего акустического контакта образца с акустической линзой 5 пространство между ними заполняется иммерсионной жидкостью (например, водой), подаваемой формирователем потока жидкости 7. Отраженные от неоднородностей исследуемого образца 6 акустические волны преобразуются акустической линзой 5 в параллельный пучок плоских волн, которые, воздействуя на пьезопреобразователь 4, вызывают генерацию ответного электрического эхо-сигнала на входе второго и, соответственно, на выходе третьего портов циркулятора. Принцип действия циркулятора позволяет ему без внешних управляющих сигналов передавать зондирующие импульсы к пьезопреобразователю и формируемые им же ответные эхо-сигналы - к входу регулируемого усилителя 11 для усиления и дальнейшей обработки. Это позволяет отказаться от быстродействующих управляемых внешними сигналами ключевых схем, исключить коммутационные помехи и упростить коммутацию сигналов.The studied sample 6 is fixed on a special cuvette table, for better acoustic contact between the sample and the acoustic lens 5, the space between them is filled with immersion liquid (for example, water) supplied by the shaper of the liquid flow 7. Acoustic waves reflected from the inhomogeneities of the studied sample 6 are converted by the acoustic lens 5 into a parallel beam of plane waves, which, acting on the piezoelectric transducer 4, cause the generation of a response electric echo signal at the input of the second and, accordingly, and the output of the third ports of the circulator. The principle of operation of the circulator allows it to transmit sounding pulses to the piezoelectric transducer without external control signals and the response echo signals generated by it to the input of the adjustable amplifier 11 for amplification and further processing. This allows you to abandon the high-speed key circuits controlled by external signals, eliminate switching noise and simplify the switching of signals.

Пьезопреобразователь 4 с акустической линзой 5 установлен на подвижной каретке трехкоординатного привода перемещения 8. Управление приводами по осям X, Y, Z в процессе сканирования исследуемого образца 6 осуществляет блок управления сканированием 9 по командам ПЭВМ 17, с использованием которой можно задать нужный способ сканирования: построчное перемещение либо движение по спирали, по нормали к поверхности и др.The piezoelectric transducer 4 with an acoustic lens 5 is mounted on a movable carriage of a three-axis displacement drive 8. The drives along the X, Y, Z axes during scanning of the test sample 6 are controlled by the scanning control unit 9 according to PC commands 17, using which you can set the desired scanning method: line by line movement or movement in a spiral, normal to the surface, etc.

Для обработки полученного эхо-сигнала акустический микроскоп содержит регулируемый усилитель 11, квадратурный преобразователь (смеситель) 12, квадратурный генератор 13, двухканальный фильтр низких частот 14, двухканальный аналого-цифровой преобразователь 15, сигнальный процессор 16, ПЭВМ, выполняющую функции обработки и регистрации измерительной информации, а также синхронизации и управления работой блоков микроскопа.To process the received echo signal, the acoustic microscope contains an adjustable amplifier 11, a quadrature transducer (mixer) 12, a quadrature generator 13, a two-channel low-pass filter 14, a two-channel analog-to-digital converter 15, a signal processor 16, and a PC that performs the functions of processing and recording measurement information as well as synchronization and control of the microscope blocks.

Ответный высокочастотный эхо-сигнал с выхода третьего порта циркулятора усиливается регулируемым усилителем 11 (коэффициент усиления усилителя 11 задается ПЭВМ 17) и поступает на входы двух смесителей частоты квадратурного преобразователя 12. На гетеродинные входы смесителей поступают сдвинутые по фазе на 90° друг относительно друга высокочастотные напряжения равной амплитуды с выходов квадратурного генератора 13. Частота квадратурного генератора (как и частота генератора зондирующих импульсов) задается ПЭВМ 17. Полученные на выходах смесителей на разностной (пониженной) промежуточной частоте независимые синфазная I и квадратурная Q составляющие сигнала, со сдвигом по фазе на 0° и 90° градусов соответственно, после фильтрации в двухканальном фильтре низких частот высокочастотных составляющих (частот несущей и зеркального канала) содержат полную информацию об амплитуде и фазе огибающих как исходного зондирующего, так и отраженных от структуры исследуемого образца 6 сигналов.The response high-frequency echo signal from the output of the third port of the circulator is amplified by an adjustable amplifier 11 (the gain of the amplifier 11 is set by the PC 17) and is fed to the inputs of two frequency mixers of the quadrature converter 12. High frequency frequencies shifted in phase by 90 ° relative to each other are received at the heterodyne inputs of the mixers equal amplitude from the outputs of the quadrature generator 13. The frequency of the quadrature generator (as well as the frequency of the probe pulse generator) is specified by the PC 17. The mixtures obtained at the outputs In the differential (lowered) intermediate frequency, the independent in-phase I and quadrature Q components of the signal, with a phase shift of 0 ° and 90 ° degrees, respectively, after filtering in a two-channel filter low frequencies of high-frequency components (carrier and mirror channel frequencies) contain complete information about the amplitude and phase of the envelopes of both the initial probing signal and 6 signals reflected from the structure of the sample under study.

Далее на промежуточной частоте квадратурные I и Q сигналы поступают на двухканальный аналого-цифровой преобразователь 15 и затем в оцифрованном виде подаются в сигнальный процессор. Функции сигнального процессора состоят в преобразовании информативного спектра частот зондирующего и отраженного от исследуемого образца 6 эхо-сигналов в область нулевых частот (их демодуляция), квадратурной фильтрации и децимации отсчетов сигналов в соответствии с шириной спектра. Реализация этих функций осуществляется двумя перемножителями, генератором отсчетов SIN и COS, идентичными НЧ децимирующими фильтрами с изменяемой частотой среза от сотен Гц до сотен кГц. Применение цифровой обработки из-за эффекта «процессорного усиления» обеспечивает улучшение отношения сигнал-шум на 20 и более дБ [Analog-Digital Conversion / Walt Kester, ADI Central Application Department, March 2004, Analog Devices, Inc]. Кроме перечисленных функций, на сигнальный процессор 16 можно возложить функцию мониторинга спектра входных сигналов с помощью БПФ.Next, at an intermediate frequency, quadrature I and Q signals are fed to a two-channel analog-to-digital converter 15 and then fed to the signal processor in digital form. The functions of the signal processor consist in transforming the informative frequency spectrum of the 6 echo signals probed and reflected from the test sample into the region of zero frequencies (their demodulation), quadrature filtering and decimation of the signal samples in accordance with the width of the spectrum. The implementation of these functions is carried out by two multipliers, a SIN and COS sample generator, identical low-pass decimation filters with a variable cut-off frequency from hundreds of Hz to hundreds of kHz. The use of digital processing due to the “processor gain” effect provides an improvement in the signal-to-noise ratio by 20 or more dB [Analog-Digital Conversion / Walt Kester, ADI Central Application Department, March 2004, Analog Devices, Inc]. In addition to these functions, the signal processor 16 can be assigned the function of monitoring the spectrum of the input signals using FFT.

Полная информация о параметрах зондирующих и эхо-сигналов поступает в ПЭВМ 17, которая обеспечивает дальнейшую обработку, визуализацию, запоминание и интерпретацию измерительной информации. Выполняются измерение и запоминание временных интервалов между зондирующими и эхо-сигналами, их амплитудных параметров для каждой сканируемой точки исследуемого образца 6 совместно с ее координатами X, Y и координатой фокуса Z акустической линзы 5. ПЭВМ 17 в процессе сканирования осуществляет формирование сигналов управления координатным приводом 8 для перемещения пьезопреобразователя 4 с акустической линзой 5 по заданной траектории относительно исследуемого образца 6, а также задает частоту зондирующих импульсов и квадратурного генератора 13.Full information about the parameters of the probing and echo signals is supplied to the PC 17, which provides further processing, visualization, memorization and interpretation of the measurement information. Measurement and storage of time intervals between the probing and echo signals, their amplitude parameters for each scanned point of the test sample 6, together with its X, Y coordinates and focus coordinate Z of the acoustic lens 5, is performed. PC 17 generates control signals for the coordinate drive 8 during scanning to move the piezoelectric transducer 4 with an acoustic lens 5 along a predetermined path relative to the test sample 6, and also sets the frequency of the probe pulses and the quadrature generator ora 13.

Применение циркулятора на быстродействующих операционных усилителях с использованием согласующей катушки индуктивности упрощает коммутацию пьезопреобразователя, расширяет частотный диапазон исследуемых акустических сигналов, а применение цифровой обработки позволяет расширить динамический диапазон измеряемых акустических сигналов (улучшить соотношение сигнал-шум), расширить модернизационные и функциональные возможности акустического микроскопа за счет получения новой информации о свойствах исследуемого образца (например, учет спектрального состава, фазовых характеристик эхо-сигналов и др.).The use of a circulator on high-speed operational amplifiers using a matching inductor simplifies the switching of the piezoelectric transducer, extends the frequency range of the studied acoustic signals, and the use of digital processing allows you to expand the dynamic range of the measured acoustic signals (improve the signal-to-noise ratio), and expand the modernization and functionality of the acoustic microscope due to obtaining new information about the properties of the test sample (for example, m spectral composition, phase characteristics of the echo signals and others.).

Claims

A scanning acoustic microscope containing a generator with a probe pulse generator, a piezoelectric transducer with an acoustic lens, a probe and reflected signal commutator, a three-axis drive for scanning a sample, a liquid flow former, a scanning control unit, measurement information generation, processing and recording units, characterized in that in the unit for the formation of measuring information, an adjustable amplifier, a quadrature mixer with a quadrature connected in series m generator, two-channel low-pass filter, two-channel analog-to-digital converter, a signal processor connected to a PC data bus, a probe of probing and reflected signals is made on the basis of high-speed operational amplifiers according to a circulator circuit, the first port of which is connected to the output of the probe pulse generator, the second the port through the compensating inductance coil and the matching load resistance is connected to the piezoelectric transducer, the third port is connected to the control input of the amplifier of the measuring information generation unit, while the connection point of the inductor with the matching load resistance is the new second port of the circulator, and the control PC is connected to the control inputs of the probe pulse generator, adjustable amplifier, quadrature generator, liquid flow former and scanning control unit.