使用给予专利的 DAC,数模转换器,叫作从 Physik Instrumente 的 HyperBit 的控制技术的改进的 Nanopositioning 解决方法

包括的事宜

摘要
背景
DAC 基本要点
从现有的 DACs 的更多性能
容易的实施
原理和应用
波形形式驱动示例
极其修改
在 nanopositioning 之外的应用: 提供的准许!
结论

摘要

越来越多地, DAC 是在 nanopositioning 的解决方法的一个限制因素,特别是进入最新的毫米旅行阶段。 最近给予专利的技术加起来到 10 位解决方法到实际上所有 OEM DAC 和普遍的个人计算机模式输入/输出董事会,不用硬件修改和与与传统软件的充分的兼容性。 应用从浏览探测显微学和极小制作范围到先进的 lithographies 和光学镊子。

背景

多数行动设备基本上模式。 因为今天一个数字式世界,一个模式推进指令通常是由在某处一个数模转换器 (DAC) 筹码生成的在系统 (图 1)。 除被埋置,如可以提供,在数字式压力管理员以外, DACs 是常用的命令模式伺服机,从在用户的个人计算机或 OEM 工具的一个看板卡或者埋置到伺服管理员,因此计算机界面 RS-232。

图 1。 一台数模转换器生成,当放大,驱动 nanopositioner 的电压。

DACs 是接近通用的在 nanopositioning 的应用。 实际上, DAC 功能是定义一个 nanopositioning 的系统的最终性能和其限制的其中一个最重要的参数。

DAC 基本要点

DACs 的运算是足够简单的: 一个数字式编号参加,并且模拟电压出来。 接踵而来的编号的最大范围定义了多么细致电压增量可以被命令。 例如,经济 12 位 DAC 看板卡普遍为个人计算机应用可能适应在 0 之间的一个接踵而来的整数和 [212-1] : 其电压范围因而分开成 4,096 个步骤,意味这个解决方法是 [范围 ÷ 4,096]。 如果 DAC 的电压范围符合这个 nanopositioning 的系统的模拟输入范围,则行动设备的旅行范围类似分开成 4,096 个可能的地点。 16 位 DAC 将分开同一个范围成 65,536 个步骤,从而提供十六次更加细致的确定的解决方法。 (是重要的符合 DAC 范围到这个压力管理员的模拟输入范围。 如果范围是 -10V 对 +10V,但是模拟输入收下 0 对 +10V,一位解决方法丢失。 二减少可访问位置的数量。)

如图 2. 所显示, DAC bitness 因而是限制对压力 nanopositioning 的系统解决方法。 其他系统特征例如放大器也吵闹当前解决方法瓶颈,但是 DAC 解决方法很可能是频繁地遇到的防幅器,特别地长旅行压力设备的。

图 2. DAC bitness 限额罚款职位控制。

直到现在, DAC 的限制是这个特定筹码的永久性特性。 个人计算机用户也许选择在 12 之间 - 和他们的个人计算机的 16 位看板卡; 更加高分辨率的看板卡是少见的,并且多数用户喜欢停留与普遍和支持的国家仪器输入/输出看板卡,一般冠上在 16 位。 使用与 PI 的 P-628.2CD 或 P- 625.1CD PIHera® 演出,与 1,000,并且各自 500μm 旅行,这导致 15 和 8nm 解决方法。 许多应用比那能使用更好的解决方法。 一个初级的 12 位看板卡比许多动力化的阶段提供将提供只 0.23 和 0.12μm 解决方法以阶段粗糙这些。 OEM 用户也许选择 18-, 20 - 或他们的习用电路设计的 24 位 DAC,但是许多高的 bitness DACs 被优选为音频使用,并且可能存在偏差问题或其他缺点。 (象 PI 的 E-710 和 E-750.CP 的设计好的全数字化的管理员放置他们的在这个伺服回路里面的 DAC,消灭 DAC 偏差问题。) 并且有时一个新的设计不是经济上实用的,用户为更高需求,并且更加高分辨率请仍然存在。

从现有的 DACs 的更多性能

丢失在上述这次的讨论中是时间。 DACs 是典型地非常快速的与行动设备比较,甚而那些一样响应能力象压力主导的结构。 一种快速模式更新费率是什么允许 DACs 生成平稳的任意波形形式。 也意味有在一个典型的 nanopositioning 的设置的未使用的模式输出带宽。

PI 的给予专利的 HyperBit™技术利用此利用不足的定期域能力,转换它成许多额外位实际确定的解决方法没有系统带宽损失,稳定性或者准确性。 HyperBit™使用 DAC 的最低有效的位的高频率模块化完成此。 例如, LSB 比 DAC 的当地解决方法 (图 3) 可以慌乱使用脉冲宽度模块化以这个系统是无答复的频率,操作象飞轮提供平稳,稳定的行动以高分辨率。

图 3. (见上) 从图 2 的期望三角确定的指令序列由 DAC bitness 在表 2. (见下) 在表 2. 限制,与红线相应与 HyperBit™,这个期望确定的顺序达到,与空白小点相应。

容易的实施

HyperBit™在软件或硬件可以被实施。 它为许可证是可用的由 OEM 设计员,并且是研究和 OEM 应用的一个有效软件选择。 实施和选项包括了 HyperBit 被启用的 LabVIEW subVIs、 Windows DLL 使用 C 或其他普遍的语言的程序员的和 HDL 为使用 FPGAs 的设计员。 支持点对点和波形形式驱动,开放或封闭式回路。 因为 DAC 的定期域功能将否则去未使用,没有对系统带宽、快速响应或者速度的影响。

原理和应用

HyperBit™的原理是直接的 (式 1) :

{C}

  • 可用的 DAC 费率变化从芯片之间和随界面 (即慢的 PCMCIA 与快速 PCI)
  • PWM 频率被选择位于大约缓慢的工厂快速响应 (即远高于 F)res

例如,当叫 .DLL、 .LIB 或者 HyperBit™时的 subVI 表单,用户需要只输入了他们的 DAC 的更新比率功能并且选择 LSB PWM 费率某处在他们的机械谐振频率, Fres 上或在系统的 Bodé 回应的一根杆。 原则上,与符合这些标准的更新费率的所有被计时的 DAC 可能受益于 HyperBit™。 图 4 显示几个示例。

图 4。 额外位的示例解决方法由 HyperBit™提供了。 实际上任何被计时的 DAC 福利。

波形形式驱动示例

HyperBit™很好借自己对改进波形形式驱动的解决方法在扫描,探查的和慌乱的应用的。 图 5 和图 6 文件实时干涉测量的评定一个压力 nanopositioning 的阶段,当开动在各种各样的波形形式。

图 5. HyperBit™提供额外位在波形形式驱动的解决方法,在光栅扫描和相似的应用。

图 6. 高分辨率干涉测量法光栅扫描,高度 ~10 LSB。 (离开) DAC 的步骤活动能逐位被看到。 (正确的) HyperBit™添加另外的解决方法,改进扫描的动态准确性。

在表 5,这个被命令的波形形式的高度是 ~1·LSB. 没有 HyperBit™,发生的行动可理解地具有一点相似对期望正弦、三角或者锯齿波形。 HyperBit™,期望 wavefoms 涌现,不再限制由 DAC bitness。

在图显示的高分辨率干涉测量法 6 上,波形形式高度是 ~10·LSB. 没有 HyperBit™,这个波形形式显示按步工作情况典型有限 DAC 解决方法。 HyperBit™,显著改进这个波形形式。 从图 6 注意也是有趣的 DAC 粒度的清除也将消灭在傅立叶光谱的结果不需要的模块化峰顶小或慢变化的行动的。 这可以是重要的在应用例如 nanoindentation、流变学、粘度测定和 apodization,精美频域签名可能有深刻导入。

极其修改

前一实例说明添加额外位解决方法的 HyperBit™行动指令大约一些个 LSB。 但是 HyperBit™可能允许您达到子LSB 指令。 图 7 显示使用 HyperBit™的结果命令锯齿通知高度 ~1/12·LSB. 没有 HyperBit™,这与命令 DC 是等同的。

图 7。 低级看看给予专利的 HyperBit™技术: 在中测试使用的计量学限额!) 的此极其实时干涉测量的示例 (HyperBit™明显地允许锯齿波形进行,即使其被命令的高度是 1/12 DAC 的电子解决方法。 另外的解决方法在这种情况下是 ~4 ½ 位。 底部图形显示这个期望波形形式 (红线) 和 DAC 执行的实际 LSB PWM 波形形式。

在 nanopositioning 之外的应用: 提供的准许!

HyperBit™是可能有益于实际上所有应用 DAC 更新费率超出这个系统的其余快速响应的基本上灵活的技术。 它在开放和闭环情形同样好地运作。 在回路系统它可能从伺服机向上游或顺流存在。

PI 美国寻找许多域的非竞争性证书持有人。 有些可能性在下面的表 1 被列出。

HyperBit™的表 1. 潜在许可证申请在 nanopositioning 外面的域。 可能性包括新的设计和升级到现有的设备。

  • 测试 & 评定
  • 有效光学,射线安定 & 指向,电流计
  • 电光的设备
  • AOMs
  • Fabry Perot
  • 洞调整 & 安定
  • 液晶要素
  • 空间和光谱调制器
  • 大区/高分辨率
  • E 射线和离子 beamdeflection
  • 显微学
  • 分光学
  • 石版印刷
  • 碾碎
  • AFMs,浏览的 microscopies, NSOM, nanomanipulation
  • 实现大区处理
  • 减少高次粒度主导的动力 & 人工制品
  • MEMS 驱动
  • 静电,热量,电磁式
  • Nanopatterning
  • 精确度测量 & forcers
  • 运动控制
  • Microsteppers,音圈
  • 数据存储 microactuation
  • 全息照相的任意地址存取
  • 音频
 

结论

HyperBit™是在模式进程数字控制的扣人心弦和容易被实施的推进。 通过转换未使用的定期域 DAC 功能成改进的系统解决方法, HyperBit™扩大甚而最佳的可用的 DACs 性能。 同时,现有的 DAC 主导的设备可以耗费小被升级,不用硬件再设计或更改。 今天与您的 PI 销售额和应用专业人员协商关于利用在您的应用的此技术的信息。

来源: Physik Instrumente

关于此来源的更多信息请参观 Physik Instrumente

 

Date Added: Jun 7, 2006 | Updated: Jul 9, 2013

Last Update: 15. July 2013 03:30

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