石英晶片抛光研磨在线测频系统的制作方法

本实用新型属于石英晶片检测技术领域，具体涉及一种石英晶片抛光在线测频系统。

背景技术：

现有技术中，石英晶片在线测频多通过信号采集放大，再峰值检测，再放大滤波，直流耦合进单片机adc直流采样。其主要缺陷在于：低频5m以下无法测量，抛光片无法测量。主要原因如下：(1)原有电路受到硬件的限制放大能力有限，去噪声能力有限，不足以分辨解析进入低频和抛光的信号。(2)低频和抛光本来信号就很小，就算原来的系统能够放大足够大，但因为存在的直流分量同时也会被放大，超过了单片机的adc电压范围无法采样。

同时，现有技术中，美国transat公司的在线频率监控仪(autolappingcontrolsystem-alc)对研磨过程中的晶片频率进行在线测控，存在“在某些频段发生测频值跳变”的问题，以及alc在石英晶片抛光片上没法测量，已经无法满足当前的生产环境。

技术实现要素：

鉴于以上存在的技术问题，本实用新型用于提供一种石英晶片抛光研磨在线测频系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案：

一种石英晶片抛光研磨在线测频系统，包括dds信号模块、射频功率放大模块、π网络接口电路模块、阻抗匹配模块、信号处理模块、mcu控制系统模块和用于为以上模块提供工作电压的电源模块，

所述dds信号模块根据mcu控制系统模块发出指定的扫频指令产生指定频率范围和扫频速度，输出功率的正弦扫频信号，经过射频功率放大模块把dds信号模块产生的谐振信号进行功率放大，功率放大后的信号连接到π网络接口电路模块，正弦扫频信号通过π网络作用在晶片上使其产生机械振动，同时晶片的机械振动又产生交变电场，当外加的正选扫频信号频率为某一特定值的时候，振幅明显增大，当产生振幅明显增大的信号时，通过阻抗匹配模块，匹配做π网络接口电路模块的输出阻抗和信号处理模块输入的阻抗匹配，进入信号处理模块后，先做4阶的高通滤波器，滤除高频干扰，再把滤波以后的信号进行交流信号的高速放大，放大以后再滤波以后再去峰峰值检测得到比较微弱，还存在干扰的谐振信号，微弱的谐振信号先做交流耦合去除信号中的直流分量，对不含直流分量的信号再做信号的放大，放大以后再将信号中的高频干扰去除，用加法电路把放大以后的谐振信号做直流抬升，输出的信号再做一次电压跟随器，信号处理模块输出和mcu控制系统模块输入的阻抗匹配，mcu控制系统模块用于捕获谐振信号计算晶片的频率。

优选地，所述信号处理模块进一步依次包括4阶有源高通电路、3级运放高速放大电路、2阶无源滤波电路、峰峰值比较电路、2阶高通交流耦合电路、二阶信号放大电路、4阶有源低通电路和加法电压跟随电路。

优选地，所述4阶有源高通电路进一步包括：从探头输入的信号接到in1sma接头，第八电阻r8并联到地做50欧姆阻抗匹配，通过第三电容c3和第四电容c4接到第二运放u2的3脚，3脚对地接第十电阻，第二运放2脚和6脚短接，2脚再接第二电阻反馈到第三电容和第四电容之间，信号通过第二运放以后到第一运放，通过第一电容和第二电容接到第一运放的3脚，3脚对地接第七电阻，第一运放2脚和6脚短接，2脚再接第一电阻反馈到第一电容和第二电容之间。

优选地，所述3级运放高速放大电路进一步包括：输入信号经过高通滤波以后，需要隔离电路中的直流分量，分别依次输入包括第五电阻和第三运放的第一级放大电路，包括第六电阻和第四运放的第二级放大电路和包括第七电阻和第五运放的第三级高通滤波器放大电路。

优选地，所述2阶无源滤波电路进一步包括：在经过3级运放滤波放大以后，信号里存在噪声干扰，通过通关两级无源滤波电路处理，第十电容和第二十一电阻组成第一级无源滤波器，第十一电容和第二十二电阻组成第二级无源滤波器。

优选地，所述峰峰值比较电路进一步包括：第七运算放大器u7比较的信号是同相端in+的待测信号与反相端in-反馈回来的信号，接地端gnd和使能端en接信号地，输出端out连接限流电阻r3；反馈电路利用第二二极管和由第二十二电阻、第一电容构成的rc充放电回路进行检波，如果待测信号的赋值大于二极管d2和rc检测幅值，则比较器输出高电平，此时第一二极管d1导通并对电容充电使检测幅值上升；如果待测信号幅值小于第一二极管d1和rc检测幅值，则比较器一直输出低电平，电容器通过电阻放电使检测幅值降低，最终检测充放电平衡；rc充放电回路连接反馈运算放大器的正向输入端+，u7的输出端与反馈运算放大器的反向输入端，作为限流电阻的第五电阻和第六电容直接相连。

优选地，所述2阶高通交流耦合电路进一步包括：峰峰值检测的信号通过第十四电容c14和第十三电容c13输入到运放第九运放u9的3脚，u9的2脚和6脚短接做反馈，3脚通过第三十三电阻接地，u9的6脚通过第三十七电阻反馈回到第十三电容和第十四电容之间。

优选地，所述二阶信号放大电路进一步包括：信号通过第二十八电阻，输入到运放u12a的2脚，运放u12a的1脚通过第二十六电阻反馈到u12a的2脚，u12a的3脚接地，形成2倍的放大，同理，经过2倍放大后的信号通过第三十电阻，输入到运放u12c的2脚，运放u12c的1脚通过第二十七电阻反馈到u12c的2脚，u12c的3脚接地，形成另一级2倍的放大。

优选地，所述4阶有源低通电路进一步包括：经过放大的信号输入串联的第三十四电阻和第三十五电阻输入到第十一运放u11的3脚，u11的3脚通过第三十六电阻接地，u11的6脚和2脚短接做反馈，u11的6脚再通过第十八电容c18反馈到第三十四电容r34和第三十五电阻r35之间，信号再输入到第三十一电阻r31和第三十二电阻r32输入到第十运放u10的3脚，第十运放的3脚通过第十五电容c15接地，第十运放的6脚和2脚短接做反馈，第十运放的6脚再通过c17反馈到第三十一电容r31和第三十二电容r32之间。

优选地，所述加法电压跟随电路进一步包括：信号经过第二十九电阻输入到运放u8d的12脚，直流信号1.24v通过第三十六电阻r36输入到u8d的12脚，运放u8d的14脚通过第二十五电阻r25反馈到运放u8d的13脚，运放u8d的13脚通过第二十四电阻r24接地，经过加法的电路经过跟随一边输入到单片机adc，另一端输入到模拟监控口。

采用本实用新型具有如下的有益效果：

(1)对于石英晶片中的5m以下的低频谐振小信号有探测的能力；

(2)可以测量石英晶片抛光片；由于低频的石英晶片厚度比较大，所以需要更加大的激励信号和更加灵敏的后期处理电路，由于功率的放大，需要对电路做更好的阻抗匹配。处理电路的灵敏度的提升，电路对噪声也同样得到放大，所以需要合适的滤波。

(3)使用合适的输入阻抗，如果输入输出电路阻抗不匹配，就会带来电路的寿命的损伤，还有信号的形变。采用交流耦合电路，是为了去除信号中的直流分量，把信号稳定在零位，方便后级的处理和采集，获得更大的信号幅度。选定合适的滤波器确定滤波参数，在放大以后，信号和噪声都被放大了，所以需要去除信号中的干扰。使石英晶片谐振信号，信号稳定，没有零飘，没有形变，信号可以达到的幅度更大，信噪比更好，测量精度提高，具有更好的现场适应性。

附图说明

图1为本实用新型实施例的石英晶片抛光研磨在线测频系统的结构框图；

图2为本实用新型实施例的石英晶片抛光研磨在线测频系统中信号处理模块的4阶有源高通电路的原理框图；

图3为本实用新型实施例的石英晶片抛光研磨在线测频系统中信号处理模块的3级运放高速放大电路的原理框图；

图4为本实用新型实施例的本实用新型实施例的石英晶片抛光研磨在线测频系统中信号处理模块的2阶无源滤波电路的原理框图；

图5为本实用新型实施例的本实用新型实施例的石英晶片抛光研磨在线测频系统中信号处理模块的峰峰值比较电路的原理框图；

图6为本实用新型实施例的石英晶片抛光研磨在线测频系统中信号处理模块的2阶高通交流耦合电路的原理框图；

图7为本实用新型实施例的石英晶片抛光研磨在线测频系统中信号处理模块的二阶信号放大电路的原理框图；

图8为本实用新型实施例的石英晶片抛光研磨在线测频系统中信号处理模块的4阶有源低通电路的原理框图；

图9为本实用新型实施例的石英晶片抛光研磨在线测频系统中信号处理模块的加法电压跟随电路的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1，所示为本实用新型实施例的石英晶片抛光研磨在线测频系统的结构框图，包括dds信号模块、射频功率放大模块、π网络接口电路模块、阻抗匹配模块、信号处理模块、mcu控制系统模块和用于为以上模块提供工作电压的电源模块，dds信号模块根据mcu控制系统模块发出指定的扫频指令产生指定频率范围和扫频速度，输出功率的正弦扫频信号，经过射频功率放大模块把dds信号模块产生的谐振信号进行功率放大，功率放大后的信号连接到π网络接口电路模块，正弦扫频信号通过π网络作用在晶片上使其产生机械振动，同时晶片的机械振动又产生交变电场，当外加的正选扫频信号频率为某一特定值的时候，振幅明显增大，当产生振幅明显增大的信号时，通过阻抗匹配模块，匹配做π网络接口电路模块的输出阻抗和信号处理模块输入的阻抗匹配，进入信号处理模块后，先做4阶的高通滤波器，滤除高频干扰，再把滤波以后的信号进行交流高速放大，放大以后再滤波以后再去峰峰值检测得到比较小的谐振信号，微小的谐振信号做交流耦合去除信号中的直流分量，对不含直流分量的信号再做信号的放大，加法电路把放大以后的谐振信号做直流抬升，输出的信号再做一次电压跟随器，信号处理模块输出和mcu控制系统模块输入的阻抗匹配，mcu控制系统模块用于捕获谐振信号计算晶片的频率。

为了使本实用新型的技术效果更佳，信号处理模块进一步依次包括4阶有源高通电路、3级运放高速放大电路、2阶无源滤波电路、峰峰值比较电路、2阶高通交流耦合电路、二阶信号放大电路、4阶有源低通电路和加法电压跟随电路。所有的芯片都是±5v供电，由探头传进来的谐振信号，进入信号处理电路。因为探头输入的信号是用同轴电缆线进来的，所以在信号进来前，先做一级50欧姆的阻抗匹配，减少信号的反射和损耗，再进行高通滤波，因为进来的信号起码在2m以上，所以把高通的通带限定在1m以上。再经过高通滤波以后再进行信号放大。放大是四阶反比例放大电路。中间由电容做交流耦合电容的通带再500khz以上，放大的倍数4*4*4，总共64倍。64倍的设定是因为经过实际测试，最大的输入信号经过64倍的放大能够让运放工作在放大区间不至于饱和。因为放大信号的同时也会放大干扰。再过两级二阶无源高通滤波器，信号再进入高速比较器tl3016，比较信号是同向输入端和反向端反馈回来的信号，反馈端连接限流电阻330欧姆，给电容10uf充电，如果待测信号的幅值大于电容上的电压，电容充电，如果低于电容电压，电容放电。根据电容上的电压随着tl3016的输入端的电压变化而变化，将输入信号的峰峰值转换出来。在充放电电路后是一级电压跟随器，电压跟随以后再过一级无源低通滤波。在过峰峰值检测以后，电路中存在比较严重的直流分量，所以用交流耦合电路，去除直流分量。通过2khz的高通滤波器去除信号中的直流分量，设定2khz的截止频率目的是为了不伤害有效信号，同时也要去掉信号中的直流分量。当信号中直流分量去除掉以后，信号还比较小，对于信号采集不利，所以再经过两级信号放大，总共4倍。让信号的幅值稳定在正负1v左右。经过多级以后信号里存在高频的干扰分量，再过4阶的100khz低通滤波器，过了滤波以后信号比较干净，再用1.24v的直流信号和原有信号相加，让信号在0-3.3v之间，再经过电压跟随传到adc转换上面。

具体的，参见图2，4阶有源高通电路进一步包括：从探头输入的信号接到in1sma接头，第八电阻r8并联到地做50欧姆阻抗匹配，通过第三电容c3和第四电容c4接到第二运放u2的3脚，3脚对地接第十电阻r10，第二运放u2的2脚和6脚短接，u2的2脚再接第二电阻r2反馈到第三电容c3和第四电容c4之间，信号通过第二运放u2以后到第一运放u1，通过第一电容c1和第二电容c2接到第一运放u1的3脚，3脚对地接第七电阻r7，第一运放u1的2脚和6脚短接，u2的2脚再接第一电阻r1反馈到第一电容c1和第二电容c2之间。

参见图3，输入信号经过高通滤波以后，由于信号还是比较小，为mv级别的，需要用运放再给让放大，有利于后级的处理。首先需要隔离电路中的直流分量，保留信号中需要的交流信号，直流信号会叠加在交流信号里，引起信号的形变对后级采集的判断影响。3级运放高速放大电路进一步包括：输入信号经过高通滤波以后，需要隔离电路中的直流分量，分别依次输入包括第五电阻和第三运放的第一级放大电路，包括第六电阻和第四运放的第二级放大电路和包括第七电阻和第五运放的第三级放大电路。这部分电路中c5＝1.5nf，c6＝1.5nf，c7＝1.5nf。当去掉直流分量以后，信号经过r9＝82欧姆连接到运放u32脚，在u3的6脚和2脚由r3＝330欧姆做反馈。r14＝68欧姆，接到运放3脚，另一端接地做匹配电阻，这是一级反向比例放大，放大率为4倍。运放u4，u5同理。

参见图4，在经过运放滤波放大以后，信号里存在干扰，再过两级的无源rc滤波器。2阶无源滤波电路进一步包括：在经过3级运放滤波放大以后，信号里存在噪声干扰，通过通关两级无源滤波电路处理，第十电容和第二十一电阻组成第一级无源滤波器，第十一电容和第二十二电阻组成第二级无源滤波器。

参见图5，峰峰值比较电路进一步包括：第七运算放大器u7比较的信号是同相端in+的待测信号与反相端in-反馈回来的信号，接地端gnd和使能端en接信号地，输出端out连接限流电阻r3；反馈电路利用第二二极管和由第二十二电阻、第一电容构成的rc充放电回路进行检波，如果待测信号的赋值大于二极管d2和rc检测幅值，则比较器输出高电平，此时第一二极管d1导通并对电容充电使检测幅值上升；如果待测信号幅值小于第一二极管d1和rc检测幅值，则比较器一直输出低电平，电容器通过电阻放电使检测幅值降低，最终检测充放电平衡；rc充放电回路连接反馈运算放大器的正向输入端+，u7的输出端与反馈运算放大器的反向输入端，作为限流电阻的第五电阻和第六电容直接相连。

参见图6，在过峰峰值检测电路以后信号里有很高的直流分量，谐振信号已经成型，所以用二阶的巴特沃斯低通滤波器做信号的交流耦合，在调整好参数的情况下，既能去除直流分量又能不伤害有效信号。2阶高通交流耦合电路进一步包括：峰峰值检测的信号通过第十四电容c14和第十三电容c13输入到运放第九运放u9的3脚，u9的2脚和6脚短接做反馈，3脚通过第三十三电阻接地，u9的6脚通过第三十七电阻反馈回到第十三电容和第十四电容之间。

参见图7，在经过交流耦合以后，信号中的直流分量去除，但是信号还是比较小，需要再放大才能方便采集。经过两级反相放大电路放大4倍，信号能达到合适的大小。二阶信号放大电路进一步包括：信号通过第二十八电阻，输入到运放u12a的2脚，运放u12a的1脚通过第二十六电阻反馈到u12a的2脚，u12a的3脚接地，形成2倍的放大，同理，经过2倍放大后的信号通过第三十电阻，输入到运放u12c的2脚，运放u12c的1脚通过第二十七电阻反馈到u12c的2脚，u12c的3脚接地，形成另一级2倍的放大。

参见图8，在放大的信号中，还会有高频的干扰，会对信号采集造成干扰，所以再用4阶的巴特沃斯低通滤波器去除信号中的高频干扰。4阶有源低通电路进一步包括：经过放大的信号输入串联的第三十四电阻和第三十五电阻输入到第十一运放u11的3脚，u11的3脚通过第三十六电阻接地，u11的6脚和2脚短接做反馈，u11的6脚再通过第十八电容c18反馈到第三十四电容r34和第三十五电阻r35之间，信号再输入到第三十一电阻r31和第三十二电阻r32输入到第十运放u10的3脚，第十运放的3脚通过第十五电容c15接地，第十运放的6脚和2脚短接做反馈，第十运放的6脚再通过c17反馈到第三十一电容r31和第三十二电容r32之间。

参见图9，经过前面处理的信号干扰基本去除，但是由于信号还会有负电压，但是单片机的adc参考是3.3v，无法采集负信号。所以需要要用加法电路把整个信号抬升到正信号送入单片机，在加法的后端用电压跟随器，用来和adc端口的阻抗匹配，使输入的信号更加稳定。所述加法电压跟随电路进一步包括：信号经过第二十九电阻输入到运放u8d的12脚，直流信号1.24v通过第三十六电阻r36输入到u8d的12脚，运放u8d的14脚通过第二十五电阻r25反馈到运放u8d的13脚，运放u8d的13脚通过第二十四电阻r24接地，经过加法的电路经过跟随一边输入到单片机adc，另一端输入到模拟监控口。

通过以上技术方案，增大前端的激励信号和增加后级信号处理电路的灵敏度，增大了接收信号；信号处理电路做交流耦合允许正负信号的存在，然后用加法电路抬升信号输入到mcu控制系统模块的adc；在电路的每个环节增加滤波单元，去除干扰；前端的功放电路将原有的-10db衰减改为-6db衰减，增加信号的激励；做输入信号的前端的阻抗匹配，探头线上套磁环，减少干扰的同时保证波形的完整性。滤波单元是由运放组成的有源滤波器和电路中的无源滤波器。衰减器再功放后面和π网络接口电路模块之间加上一个衰减器。缓冲功率放大的信号，减少功率反射。在功率放大器和π网络接口电路模块之间的连接线上套上磁环，有吸emi吸收磁环收静电脉冲能力。

应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本实用新型的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。