专利名称：一种用于扫描探针显微镜的锁相放大器的利记博彩app
技术领域：
本实用新型属于锁相放大器，具体涉及一种用于扫描探针显微镜的锁相放大器。
背景技术：
扫描探针显微镜(SPM)是少有的几种能达到原子级别分辨率的的显微镜之一，目前扫描探针显微镜在物理学、化学、生物、微电子学与材料科学等领域获得了极为广泛的应用，现已发展成为表面科学研究中的一种强有力的分析手段，同时它自身也发展各种不同的扫描模式来适应于不同的功能。相位成像模式是近些年发展起来的一种新的SPM检测模式，该模式在检测微探针振幅的同时检测探针振动相位相对驱动信号相位的相位差，由于在扫描时，振幅经常用于针尖和样品的间距反馈控制，然而扫描时的相位并不受反馈控制，针尖和样品的相互作用可以在相位图像中表现出来，它可能是表面组分、粘附性、摩擦、粘弹性、电磁等效应的反应。所以相位成像模式对于识别表面污染物、复合材料中的不同组分·以及表面粘性或硬度不同的区域以及纳米区域中的不同电磁性质是非常有效的。相位成像模式即是要检测扫描探针显微镜扫描时探针的相位变化，探针的起振频率通常是在几十到几百KHz之间，相位的变化通常是通过锁相放大器来检测的。目前市场上广泛应用的锁相放大器有美国SRS公司生产的SR810，SR830, SR850以及SIGNALRECV0ERY公司生产的7280/7265/7225，其价格基本上都超过了 2万，而且这些通用的锁相放大器往往是应用于信噪比很低的微弱信号检测，且信号频率较低、带宽较窄，通用的锁相放大器要求输入信号频率基本上低于ΙΟΟΚΗζ，要求宽带宽的锁相放大器无疑价格更贵。显然无论是从工业成本上考虑，还是从实用性上，通用的锁相放大器都不适合应用在扫描探针显微镜上。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种用于扫描探针显微镜的锁相放大器，以克服现有的锁相放大器输入信号带宽较窄、电路复杂、成本高等不足。本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现一种用于扫描探针显微镜的锁相放大器，包括差动放大电路、整形电路、锁相环、分频电路、乘法器、低通滤波器、输出放大器和相位运算电路，差动放大电路与乘法器的一个输入端连接，整形电路连接锁相环，锁相环连接分频电路，分频电路与乘法器另一个输入端连接，乘法器的输出端连接低通滤波器，低通滤波器连接输出放大器，输出放大器与相位运算电路连接。本实用新型的有益效果为电路简单、成本低、实用性强，可实现对15KHz 500KHZ微弱信号的相位进行检测，应用在扫描探针显微镜上，实现探针扫描样品时的相位成像。
[0008]下面根据附图对本实用新型作进一步详细说明。图I是本实用新型实施例所述的用于扫描探针显微镜的锁相放大器的结构框图；图2是本实用新型实施例所述的用于扫描探针显微镜的锁相放大器的电路图。图中I、差动放大电路；2、整形电路；3、锁相环；4、分频电路；5、乘法器；6、低通滤波器；7、输出放大器；8、相位运算电路。
具体实施方式
如图I所示，本实用新型实施例所述的用于扫描探针显微镜的锁相放大器，包括差动放大电路I、整形电路2、锁相环3、分频电路4、乘法器5、低通滤波器6、输出放大器7和相位运算电路8。差动放大电路I与乘法器5的一个输入端连接，整形电路2连接锁相环3，锁相环3连接分频电路4，分频电路4与乘法器5另一个输入端连接，乘法器5的输出端连接低通滤波器6，低通滤波器6连接输出放大器7，输出放大器7与相位运算电路8连接。经过前置放大和带通滤波之后的输入信号，为了防止因接地电流和电阻抗引起参考信号的混入，我们将其做成差动输入方式输入到本实用新型锁相放大器的差动放大电路I中。经过所述差动放大电路I后的输入信号又进入到所述乘法器5中。参考信号经过所述整形电路2后，将其变成占空比为50%的逻辑电平方波，作为所述锁相环3的输入端。所述锁相环3的主要功能是对参考信号的相位进行锁定，同时含有相位调整电路可以自由的设定参考信号的相位。所述锁相环3还内藏有相位比较器和压控振荡器(VCO)，内藏的VCO将控制电压变换成电流，是利用这个电流对频率进行控制的类型，通过设定VCO控制部分的相关电容和电阻值可以使输入参考信号的频率可变范围变得最宽。内藏的相位比较器是将所述锁相环3的输入参考信号和所述分频电路4的反馈信号进行相位比较。所述锁相环3的输出信号进入到所述分频电路4后，对其进行四分频后又反馈给所述锁相环3，同时还产生了四路信号进入到所述乘法器5中。所述乘法器5将来自所述差动放大电路I和所述分频电路4的信号进行乘法运算后，产生了二路信号进入到所述低通滤波器6中。所述低通滤波器6对该二路信号进行滤波之后产生了二路直流信号进入到所述输出放大器7中。所述输出放大器7对直流信号进行放大，最后进入到所述相位运算电路8中。所述相位运算电路8对该二路直流信号进行矢量运算，最终计算出相位，该相位即为输入信号和参考信号的相位差。如图2所示，Vin为锁相放大器的输入信号，Vref为锁相放大器的参考信号，Vout为锁相放大器的输入信号和参考信号的输出相位差。由U2、U3、Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8组成的差动放大电路让输入信号Vin作差
动输入，可有效防止噪声混入，设定该8个电阻的阻值可使差动输入放大倍数对称。由U6、R11、R17、R31、R32、VR3组成的整形电路将参考信号Vref转换成占空比为50%的逻辑电平方波，U6的输出为集电极开路可加速输出波形的下降，由于锁相环U9 (74HC4046)是用信号的上升沿进行相位比较，因此用U7A对逻辑电平进行一次反转。74HC4046是通用的CMOS锁相环集成电路，它采用的是RC型压控振荡器(VC0)，必须外接电容C7和电阻R33作为充放电元件。实验表明，当74HC4046的12号脚断开时，其输入信号的频率可变范围最宽，当C7定为39PF时，锁相环在宽频率范围工作时性能最佳，选择合适的电阻R33的值，可实现对15KHz 500KHz输入信号的相位进行锁定。74HC4046使用最多的相位比较器是PC2类型，可以进行频率比较，在VCO振荡频率的全部范围内进行锁相。PC2的输出信号经过一个由R34、C8构成的低通滤波器,最后送给VCO的控制端9号脚。由U12、R12、R13、R23、R24、R29、VR2、C9、Zl组成的相位调整电路，可以对锁相环输出信号的相位进行微调，改变VR2的电阻值可以改变VCO的控制电压，进而调整信号的相位。U13是一种双D型触发器，在这里是做分频作用，它与U14、U7B共同组成的分频器连接U9的4号脚VCO输出端和3号脚比较输入端，形成了一个负反馈回路。同时产生了四路方波信号Χ+、Χ_、Υ+和Y-，这四路信号的相位依次相差为90°，切换相位开关SI，可使参考信号Vref 分别移相 0°、90。,180° 和 270。。X+、X-、Y+和Y-四路/[目号和经过差动放大之后的输入/[目号Vin进行乘法运算，U8就是一个模拟乘法器，经过乘法运算之后产生了二路信号，该二路信号中同时包括了倍频信号和差频信号，由于输入信号Vin和参考信号Vref的频率是一致的，所以该差频信号是直流，再经过由U4、U10、C1 C4、R25 R28组成的低通滤波器后，倍频信号被滤掉，只剩下了二路直流信号，选择合适的滤波电容和电阻值可以获得恰当的时间常数。二路直流信号 再经过由Ul、Ull、R9、RIO、R14、R15组成的输出放大器进行直流放大，由于是直流放大器，所以最重要的是输出偏置电压的漂移-温度特性，这里选择高精度，低漂移的放大器0P07。AD639是一种高精度的万能三角函数转换器，当输入角度信号电压就可以在输出端获得与输入角度信号对应的几乎所有的三角函数波形，用于反函数时，适当的改变一下AD639的外部电路，利用两个信号的比值，对其做反正切运算，就可以方便的获得二路信号的相位差。利用AD639和相关外部元件组成的相位运算电路最终得出的相位即为输入信号Vin和参考信号Vref的相位差。
权利要求1. 一种用于扫描探针显微镜的锁相放大器，包括差动放大电路(I)、整形电路(2)、锁相环(3)、分频电路(4)、乘法器(5)、低通滤波器(6)、输出放大器(7)和相位运算电路(8)，其特征在于:差动放大电路(I)与乘法器(5 )的一个输入端连接，整形电路(2 )连接锁相环(3)，锁相环(3)连接分频电路(4)，分频电路(4)与乘法器(5)另一个输入端连接，乘法器(5 )的输出端连接低通滤波器(6 )，低通滤波器(6 )连接输出放大器(7 )，输出放大器(7 )与相位运算电路(8)连接。
专利摘要本实用新型涉及一种用于扫描探针显微镜的锁相放大器，包括差动放大电路、整形电路、锁相环、分频电路、乘法器、低通滤波器、输出放大器和相位运算电路。差动放大电路与乘法器的一个输入端连接，整形电路连接锁相环，锁相环连接分频电路，分频电路与乘法器另一个输入端连接，乘法器的输出端连接低通滤波器，低通滤波器连接输出放大器，输出放大器与相位运算电路连接。本实用新型的有益效果为电路简单、成本低、实用性强，可实现对15kHz～500kHz微弱信号的相位进行检测，应用在扫描探针显微镜上，实现探针扫描样品时的相位成像。
文档编号H03L7/00GK202486157SQ20122007811
公开日2012年10月10日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者楼柿涛, 罗先照, 韩雄 申请人:苏州海兹思纳米科技有限公司