适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路及其测频电路

技术领域

本发明是涉及倍频及测频的电路，特别涉及一种适用于扫描力显微镜频率监测的倍 频电路及其测频电路。

背景技术

扫描力显微镜是目前人类探索微观领域物质结构及性质的最重要的工具之一。当探针扫 描样品时，探针与样品表面的作用力的变化会使得带动探针振荡的微杆(cantilever)的共 振频率发生微小变化。扫描力显微镜通过测频电路探测微杆共振频率的变化来感知样品表面 的结构或性质。锁相环便是扫描力显微镜常用的测频电路，其频率分辨率越高，扫描力显微 镜的探测精度就越高，成像质量越好，也越能探测到更微弱的结构细节，甚至亚原子结构。

理论上，测频电路前串联一个倍频电路，其频率分辨率高于单纯测频电路的频率分辨率， 因为被测信号的频率被倍频电路放大了。现有用于倍频的电路有很多种，然而由于不同的原 因，当其应用于锁相环时并不能大幅提高其频率分辨率，例如乘法器倍频，一个乘法器倍频 的倍数太小(两倍)，多个乘法器串联时又会引起波形畸变及较大的电路噪音；另一种是利用 非线性的方法从方波中提取高次谐波，这种方法也不能获得无畸变的高次倍频，因为相邻谐 波的频率间隔小，后面的带通滤波器很难将相邻的谐波滤除而只保留想要的高次谐波，所得 高次谐波的畸变较大；其它可以提供较高频率倍数的电路又由于电路结构复杂而引入较大的 噪音或畸变，也不能有效提高测频电路的分辨率。

目前，我们所能够调研到的商业扫描力显微镜测频电路中最高频率分辨率为0.05Hz(瑞 士Nanosurf公司生产的EasyPLL)，这个分辨率可以使扫描力显微镜出原子分辨率图像，但 是要想观察到比原子更精细的微观结构和微观效应，还须进一步提高扫描力显微镜测频电路 的频率分辨率。

发明内容

本发明是为了提高现有扫描力显微镜频率监测的频率分辨率，提出一种适用于扫描力显 微镜频率监测的倍频电路及其测频电路。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路，其特征在于包括乘法器、第一比较器 和第一带通滤波器，乘法器的两输入端短接构成本发明适用于扫描力显微镜频率监测的倍频 电路的输入端，乘法器的输出端接第一比较器的输入端，第一比较器的输出端接第一带通滤 波器的输入端，第一带通滤波器的输出端构成本发明适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电 路的输出端。

本发明适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路，其特征也在于：

所述乘法器与第一比较器之间增设高通滤波器、带通滤波器或者任何具有滤除直流通过 交流功能的电路或器件。

所述第一带通滤波器是多反馈带通滤波器(Multiple Feedback Bandpass Filter)、晶体滤波 器或其它任何具有带通滤波功能的电路或器件。

本发明一种用所述适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路制成的测频电路，其特征在 于还包括锁相环，所述本发明的倍频电路的输出端接锁相环的输入端，锁相环内压控振荡器 的电压控制端构成此测频电路的输出端。

本发明一种用所述适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路制成的测频电路，其特征也 在于：

所述锁相环内压控振荡器是压控晶体振荡器(Voltage Controlled Crystal Oscillator)。

增设差分放大器，本发明所述测频电路的输出端接差分放大器的一个输入端，差分放大 器的另一个输入端接参考电压，差分放大器的输出端构成本发明测频电路的输出端。

所述锁相环或差分放大器的输出端接低通滤波器。

所述本发明的测频电路中倍频电路与锁相环之间增设第二乘法器和正弦信号产生器，本 发明的倍频电路的输出端接第二乘法器的一个输入端，正弦信号产生器的输出端接第二乘法 器的另一个输入端，第二乘法器的输出端接锁相环的输入端。

所述第二乘法器与锁相环之间增设带通滤波器、低通滤波器或高通滤波器。

本发明适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路及其测频电路的工作原理为：

输入信号经乘法器后频率加倍，该二倍频信号经比较器转为方波，第一带通滤波器滤出 该方波的某一高次谐波，得N倍倍频信号(N大于2)，构成本发明适用于扫描力显微镜频率 监测的倍频电路的输出信号。由于该方波的基频被乘法器放大成输入信号频率的两倍，所以 该方波的各相邻谐波间的频率间隔也被放大，这使得后面的第一带通滤波器能够让选定倍频 的谐波通过，而将不需要的谐波，特别是选定谐波的相邻谐波较为彻底地滤除。如此获选通 过的谐波因为混入的其它谐波很少，所以波形畸变较小，利于获取较高倍数的、高稳定低畸 变的倍频信号，也利于后面的测频率电路准确地测出该倍频的频率。倍频倍数N的提高和准 确测出该倍频的频率都能提高频率测量的信噪比和分辨率。由于该倍频电路的结构很简单， 所以不会带来明显的额外电子学噪音或畸变。

上述本发明的倍频电路与锁相环前后连接就构成本发明的测频电路，可将频率信号转化 为电压信号输出。如果锁相环自身对频率变化Δf的电压响应为ΔU，那么本发明的测频电路 对频率变化Δf的电压响应将是ΔU×N，提高了测频分辨率。

由上述工作原理可以看出：(1)为了滤除乘法器输出信号中的直流分量，可在本发明倍频 电路中的乘法器与第一比较器之间增设高通滤波器或带通滤波器等任何具有阻直流通交流功 能的电路或器件。(2)本发明倍频电路中的第一带通滤波器可以是多反馈带通滤波器、晶体 滤波器或任何具有带通滤波功能的电路。(3)本发明测频电路中锁相环内的压控振荡器可以 是压控晶体振荡器，以利用压控晶体振荡器热稳定性好的特性来减小由于热漂移而引起的噪 音。(4)为了使输出信号过零或对输出调零，可增设差分放大器，本发明测频电路的输出端 接差分放大器的一个输入端，差分放大器的另一个输入端接参考电压，差分放大器的输出端 构成本发明测频电路的输出端。(5)为了进一步降低本发明测频电路的输出噪音，可在本发 明测频电路的锁相环或差分放大器的输出端接低通滤波器。(6)当本发明倍频电路的输出信 号频率不在锁相环锁定范围之内时，可在本发明测频电路的倍频电路与锁相环之间增设第二 乘法器，该第二乘法器的另一输入端接正弦信号产生器输出，通过调节正弦信号产生器输出 信号的频率使得第二乘法器输出的两个频率中有一个位于锁相环的锁定范围之内。(7)为了 滤除第二乘法器输出两个频率中不在锁相环锁定范围内的那个，可以在本发明测频电路中第 二乘法器与锁相环之间增设带通滤波器、低通滤波器或高通滤波器或者任何可实现这一目的 的电路或器件。

与现有类似倍频技术相比，本发明的优点在于：

(1)增加了方波各谐波中相邻谐波间的频率间隔，便于其后一级带通滤波器输出低畸 变的高次倍频信号；

(2)易于获得较高倍数的倍频信号。

(3)结构简单，额外产生的噪音与畸变小。

(4)成本大大低于现有的商业产品。

(5)我们将本发明的倍频电路应用于《科学仪器评论》(Review of Scientific Instruments) 第72期第4383页的测频电路，将原先的0.1Hz频率分辨率提高到了好于0.01Hz。 比目前我们所能够调研到的任何一种商业扫描力显微镜测频电路都要好很多，见 附图5、6、7和8。

附图说明

图1是本发明基本型适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路示意图。

图2是本发明含高通滤波器型适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路示意图。

图3是本发明适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路制成的基本型测频电路示意图。

图4是本发明含移频电路的测频电路示意图。

图5是本发明适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路制成的测频电路在较大范围内的 频率响应。

图6是本发明适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路制成的测频电路在较小范围内的 频率响应。

图7是本发明适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路制成的测频电路在时间域的频率 响应，图中前三个台阶的相邻频率间隔分别为0.01Hz，后面两个台阶的频率间隔分 别为0.02Hz。

图8是本发明适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路制成的测频电路测量到的0.01Hz 频率间隔多次测量高斯分布曲线，显示出频率分辨率好于0.01Hz。

具体实施方式

实施例1：基本型适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路。

图1是基本型适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路示意图，包括乘法器1，其特征 是还包括第一比较器2和第一带通滤波器3，乘法器1的两输入端短接构成本发明适用于扫 描力显微镜频率监测的倍频电路的输入端fin，乘法器1的输出端接第一比较器2的输入端， 第一比较器2的输出端接第一带通滤波器3的输入端，第一带通滤波器3的输出端构成本发 明基本型适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路的输出端fout。

本实施例的工作原理如下：

输入信号经输入端fin送入乘法器1后频率加倍，该二倍频信号经第一比较器2转成方波 信号，第一带通滤波器3滤出该方波的某一高次谐波经输出端fout输出，即得输入信号的倍 频信号。由于这里方波的基频被乘法器1放大成输入信号频率的两倍，所以该方波的各相邻 谐波间的频率间隔也被放大，这使得后面的第一带通滤波器3能够较为彻底地滤除不需要的 谐波，特别是选定谐波的相邻谐波，而只让选定倍频的谐波通过。如此获选通过的谐波因为 不混有其它谐波，所以波形畸变较小，利于获取较高倍数的倍频，也利于后面的测频率电路 准确地测出该倍频的频率。倍频倍数N的提高和准确测出该倍频的频率都能提高频率测量的 信噪比和分辨率。由于该倍频电路的结构很简单，所以不会带来明显的额外电子学噪音或畸 变。

由上述工作原理可看出：乘法器1的作用是使输入频率加倍，所以它也可以是任何具有 频率加倍功能的电路或器件；第一比较器2的作用是将输入的正弦波转换为方波，所以它可 以是比较器或者任何具有将正弦波转换为方波功能的电路或器件；第一带通滤波器3可以是 多反馈带通滤波器、晶体滤波器或任何具有带通滤波功能的电路或器件。

实施例2：含高通滤波器型适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路。

图2是含高通滤波器型适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路示意图，在实施例1的 基础上在乘法器1和第一比较器2之间增设了第一高通滤波器4。

工作时，信号经输入端fin送入乘法器1进行二倍频，第一高通滤波器4滤除二倍频时产 生的直流分量，第一比较器2将二倍频信号转换成方波信号，第一带通滤波器3滤出此方波 信号的高次谐波经输出端fout输出，即得输入信号的倍频信号。

所述第一高通滤波器4的作用是滤除乘法器1输出信号中的直流分量，所以它还可以是 带通滤波器或者任何具有滤除直流通过交流功能的电路或器件。

实施例3：适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路制成的基本型测频电路。

图3是适用于扫描力显微镜频率监测的倍频电路制成的基本型测频电路示意图，上述实 施例中的倍频电路的输入端fin构成本实施例测频电路的输入端，其输出端接锁相环5的输入 端，锁相环5的输出端构成本实施例测频电路的输出端Uout。

工作时，信号经输入端fin进入所述倍频电路得N倍倍频信号，该信号经锁相环5转换 为电压信号输出。

实施例4：锁相环压控振荡器为压控晶体振荡器的测频电路。

在上述实施例3中，锁相环5内压控振荡器可以是压控晶体振荡器，以利用压控晶体振 荡器热稳定好的特点来减小由于热漂移而引起的噪音。

实施例5：含差分放大电路的测频电路。

为了使得输出信号过零，或对输出调零，可在上述实施例3与4中增设差分放大器，所 述测频电路的输出端Uout接差分放大器的一个输入端，差分放大器的另一个输入端接参考电 压。

实施例6：含低通滤波器的测频电路。

上述实施例所述测频电路的输出端可增设低通滤波器用于进一步降低本发明测频电路的 输出噪音，该低通滤波器的输出端构成此测频电路的输出端。

实施例7：含移频电路的测频电路。

图4是本实施例含移频电路的测频电路示意图，包括锁相环5以及实施例1与2所述的 倍频电路，其特征是还包括第二乘法器6，正弦信号产生器7，所述倍频电路输入端fin构成 本实施例测频电路的输入端，所述倍频电路的输出端接第二乘法器6的一个输入端，正弦信 号产生器7的输出端接第二乘法器6的另一个输入端，第二乘法器6的输出端接锁相环5的 输入端，锁相环5内压控振荡器的电压控制端构成本实施例测频电路的输出端Uout。

工作时，输入信号经输入端fin进入所述倍频电路得其N倍倍频信号，N倍倍频信号被送 入第二乘法器6的一个输入端，正弦信号产生器7产生一个正弦信号送入第二乘法器6的另 一个输入端，N倍倍频信号与正弦信号产生器7产生的正弦信号经第二乘法器6混频后得含 两个频率的输出信号，通过调节正弦信号产生器7输出正弦信号的频率可使第二乘法器6输 出的两个频率中的一个位于锁相环5的锁定范围之内，此时锁相环5将输入信号的频率变化 转换为电压变化输出。

实施例8：含移频电路且增设带通滤波器的测频电路。

在上述实施例7中，为了滤除第二乘法器6输出两个频率中不在锁相环5锁定范围内的 那个，可以在第二乘法器6的输出端与锁相环5的输入端之间增设带通滤波器。从该带通滤 波器的作用可以看出，它还可以是低通滤波器、高通滤波器或者任何能够实现这一作用的电 路或器件。