專利名稱：一種用于掃描探針顯微鏡的鎖相放大器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于鎖相放大器，具體涉及一種用于掃描探針顯微鏡的鎖相放大器。
背景技術：
掃描探針顯微鏡(SPM)是少有的幾種能達到原子級別分辨率的的顯微鏡之一，目前掃描探針顯微鏡在物理學、化學、生物、微電子學與材料科學等領域獲得了極為廣泛的應用，現(xiàn)已發(fā)展成為表面科學研究中的一種強有力的分析手段，同時它自身也發(fā)展各種不同的掃描模式來適應于不同的功能。相位成像模式是近些年發(fā)展起來的一種新的SPM檢測模式，該模式在檢測微探針振幅的同時檢測探針振動相位相對驅動信號相位的相位差，由于在掃描時，振幅經(jīng)常用于針尖和樣品的間距反饋控制，然而掃描時的相位并不受反饋控制，針尖和樣品的相互作用可以在相位圖像中表現(xiàn)出來，它可能是表面組分、粘附性、摩擦、粘彈性、電磁等效應的反應。所以相位成像模式對于識別表面污染物、復合材料中的不同組分·以及表面粘性或硬度不同的區(qū)域以及納米區(qū)域中的不同電磁性質是非常有效的。相位成像模式即是要檢測掃描探針顯微鏡掃描時探針的相位變化，探針的起振頻率通常是在幾十到幾百KHz之間，相位的變化通常是通過鎖相放大器來檢測的。目前市場上廣泛應用的鎖相放大器有美國SRS公司生產(chǎn)的SR810，SR830, SR850以及SIGNALRECV0ERY公司生產(chǎn)的7280/7265/7225，其價格基本上都超過了 2萬，而且這些通用的鎖相放大器往往是應用于信噪比很低的微弱信號檢測，且信號頻率較低、帶寬較窄，通用的鎖相放大器要求輸入信號頻率基本上低于ΙΟΟΚΗζ，要求寬帶寬的鎖相放大器無疑價格更貴。顯然無論是從工業(yè)成本上考慮，還是從實用性上，通用的鎖相放大器都不適合應用在掃描探針顯微鏡上。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種用于掃描探針顯微鏡的鎖相放大器，以克服現(xiàn)有的鎖相放大器輸入信號帶寬較窄、電路復雜、成本高等不足。本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)一種用于掃描探針顯微鏡的鎖相放大器，包括差動放大電路、整形電路、鎖相環(huán)、分頻電路、乘法器、低通濾波器、輸出放大器和相位運算電路，差動放大電路與乘法器的一個輸入端連接，整形電路連接鎖相環(huán)，鎖相環(huán)連接分頻電路，分頻電路與乘法器另一個輸入端連接，乘法器的輸出端連接低通濾波器，低通濾波器連接輸出放大器，輸出放大器與相位運算電路連接。本實用新型的有益效果為電路簡單、成本低、實用性強，可實現(xiàn)對15KHz 500KHZ微弱信號的相位進行檢測，應用在掃描探針顯微鏡上，實現(xiàn)探針掃描樣品時的相位成像。

[0008]下面根據(jù)附圖對本實用新型作進一步詳細說明。圖I是本實用新型實施例所述的用于掃描探針顯微鏡的鎖相放大器的結構框圖；圖2是本實用新型實施例所述的用于掃描探針顯微鏡的鎖相放大器的電路圖。圖中I、差動放大電路；2、整形電路；3、鎖相環(huán)；4、分頻電路；5、乘法器；6、低通濾波器；7、輸出放大器；8、相位運算電路。
具體實施方式
如圖I所示，本實用新型實施例所述的用于掃描探針顯微鏡的鎖相放大器，包括差動放大電路I、整形電路2、鎖相環(huán)3、分頻電路4、乘法器5、低通濾波器6、輸出放大器7和相位運算電路8。差動放大電路I與乘法器5的一個輸入端連接，整形電路2連接鎖相環(huán)3，鎖相環(huán)3連接分頻電路4，分頻電路4與乘法器5另一個輸入端連接，乘法器5的輸出端連接低通濾波器6，低通濾波器6連接輸出放大器7，輸出放大器7與相位運算電路8連接。經(jīng)過前置放大和帶通濾波之后的輸入信號，為了防止因接地電流和電阻抗引起參考信號的混入，我們將其做成差動輸入方式輸入到本實用新型鎖相放大器的差動放大電路I中。經(jīng)過所述差動放大電路I后的輸入信號又進入到所述乘法器5中。參考信號經(jīng)過所述整形電路2后，將其變成占空比為50%的邏輯電平方波，作為所述鎖相環(huán)3的輸入端。所述鎖相環(huán)3的主要功能是對參考信號的相位進行鎖定，同時含有相位調整電路可以自由的設定參考信號的相位。所述鎖相環(huán)3還內(nèi)藏有相位比較器和壓控振蕩器(VCO)，內(nèi)藏的VCO將控制電壓變換成電流，是利用這個電流對頻率進行控制的類型，通過設定VCO控制部分的相關電容和電阻值可以使輸入?yún)⒖夹盘柕念l率可變范圍變得最寬。內(nèi)藏的相位比較器是將所述鎖相環(huán)3的輸入?yún)⒖夹盘柡退龇诸l電路4的反饋信號進行相位比較。所述鎖相環(huán)3的輸出信號進入到所述分頻電路4后，對其進行四分頻后又反饋給所述鎖相環(huán)3，同時還產(chǎn)生了四路信號進入到所述乘法器5中。所述乘法器5將來自所述差動放大電路I和所述分頻電路4的信號進行乘法運算后，產(chǎn)生了二路信號進入到所述低通濾波器6中。所述低通濾波器6對該二路信號進行濾波之后產(chǎn)生了二路直流信號進入到所述輸出放大器7中。所述輸出放大器7對直流信號進行放大，最后進入到所述相位運算電路8中。所述相位運算電路8對該二路直流信號進行矢量運算，最終計算出相位，該相位即為輸入信號和參考信號的相位差。如圖2所示，Vin為鎖相放大器的輸入信號，Vref為鎖相放大器的參考信號，Vout為鎖相放大器的輸入信號和參考信號的輸出相位差。由U2、U3、Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8組成的差動放大電路讓輸入信號Vin作差
動輸入，可有效防止噪聲混入，設定該8個電阻的阻值可使差動輸入放大倍數(shù)對稱。由U6、R11、R17、R31、R32、VR3組成的整形電路將參考信號Vref轉換成占空比為50%的邏輯電平方波，U6的輸出為集電極開路可加速輸出波形的下降，由于鎖相環(huán)U9 (74HC4046)是用信號的上升沿進行相位比較，因此用U7A對邏輯電平進行一次反轉。74HC4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，它采用的是RC型壓控振蕩器(VC0)，必須外接電容C7和電阻R33作為充放電元件。實驗表明，當74HC4046的12號腳斷開時，其輸入信號的頻率可變范圍最寬，當C7定為39PF時，鎖相環(huán)在寬頻率范圍工作時性能最佳，選擇合適的電阻R33的值，可實現(xiàn)對15KHz 500KHz輸入信號的相位進行鎖定。74HC4046使用最多的相位比較器是PC2類型，可以進行頻率比較，在VCO振蕩頻率的全部范圍內(nèi)進行鎖相。PC2的輸出信號經(jīng)過一個由R34、C8構成的低通濾波器,最后送給VCO的控制端9號腳。由U12、R12、R13、R23、R24、R29、VR2、C9、Zl組成的相位調整電路，可以對鎖相環(huán)輸出信號的相位進行微調，改變VR2的電阻值可以改變VCO的控制電壓，進而調整信號的相位。U13是一種雙D型觸發(fā)器，在這里是做分頻作用，它與U14、U7B共同組成的分頻器連接U9的4號腳VCO輸出端和3號腳比較輸入端，形成了一個負反饋回路。同時產(chǎn)生了四路方波信號Χ+、Χ_、Υ+和Y-，這四路信號的相位依次相差為90°，切換相位開關SI，可使參考信號Vref 分別移相 0°、90。,180° 和 270。。X+、X-、Y+和Y-四路/[目號和經(jīng)過差動放大之后的輸入/[目號Vin進行乘法運算，U8就是一個模擬乘法器，經(jīng)過乘法運算之后產(chǎn)生了二路信號，該二路信號中同時包括了倍頻信號和差頻信號，由于輸入信號Vin和參考信號Vref的頻率是一致的，所以該差頻信號是直流，再經(jīng)過由U4、U10、C1 C4、R25 R28組成的低通濾波器后，倍頻信號被濾掉，只剩下了二路直流信號，選擇合適的濾波電容和電阻值可以獲得恰當?shù)臅r間常數(shù)。二路直流信號 再經(jīng)過由Ul、Ull、R9、RIO、R14、R15組成的輸出放大器進行直流放大，由于是直流放大器，所以最重要的是輸出偏置電壓的漂移-溫度特性，這里選擇高精度，低漂移的放大器0P07。AD639是一種高精度的萬能三角函數(shù)轉換器，當輸入角度信號電壓就可以在輸出端獲得與輸入角度信號對應的幾乎所有的三角函數(shù)波形，用于反函數(shù)時，適當?shù)母淖円幌翧D639的外部電路，利用兩個信號的比值，對其做反正切運算，就可以方便的獲得二路信號的相位差。利用AD639和相關外部元件組成的相位運算電路最終得出的相位即為輸入信號Vin和參考信號Vref的相位差。
權利要求1. 一種用于掃描探針顯微鏡的鎖相放大器，包括差動放大電路(I)、整形電路(2)、鎖相環(huán)(3)、分頻電路(4)、乘法器(5)、低通濾波器(6)、輸出放大器(7)和相位運算電路(8)，其特征在于:差動放大電路(I)與乘法器(5 )的一個輸入端連接，整形電路(2 )連接鎖相環(huán)(3)，鎖相環(huán)(3)連接分頻電路(4)，分頻電路(4)與乘法器(5)另一個輸入端連接，乘法器(5 )的輸出端連接低通濾波器(6 )，低通濾波器(6 )連接輸出放大器(7 )，輸出放大器(7 )與相位運算電路(8)連接。
專利摘要本實用新型涉及一種用于掃描探針顯微鏡的鎖相放大器，包括差動放大電路、整形電路、鎖相環(huán)、分頻電路、乘法器、低通濾波器、輸出放大器和相位運算電路。差動放大電路與乘法器的一個輸入端連接，整形電路連接鎖相環(huán)，鎖相環(huán)連接分頻電路，分頻電路與乘法器另一個輸入端連接，乘法器的輸出端連接低通濾波器，低通濾波器連接輸出放大器，輸出放大器與相位運算電路連接。本實用新型的有益效果為電路簡單、成本低、實用性強，可實現(xiàn)對15kHz～500kHz微弱信號的相位進行檢測，應用在掃描探針顯微鏡上，實現(xiàn)探針掃描樣品時的相位成像。
文檔編號H03L7/00GK202486157SQ20122007811
公開日2012年10月10日 申請日期2012年3月5日 優(yōu)先權日2012年3月5日
發(fā)明者樓柿濤, 羅先照, 韓雄 申請人:蘇州海茲思納米科技有限公司