石英晶片研磨在線測頻的自動搜索方法與流程
2023-06-14 10:27:09
本發明涉及石英晶片領域，更具體的說，它涉及用於石英晶片研磨在線測頻的自動搜索方法。
背景技術：
電子信息產業是國民經濟的支柱產業，石英晶體振蕩器在電子信息行業中具有極其重要的地位。中國是石英晶振的生產大國，但是產品質量與發達國家相比仍有較大差距。近年來行業發展十分迅速，對石英晶振生產過程中的在線研磨石英晶片高精度頻率分析監控設備的需求量也在不斷增加，同時對該設備的測控能力提出了更高的要求。
石英晶片研磨是石英晶振生產過程中必不可少的步驟，石英晶片電參數測量是這一步驟中的關鍵測控技術，國內很多研究機構都對其進行了研究探索。20世紀九十年代，天津大學就基於國際標準的傳輸法原理對石英晶片的電參數進行了測量。從2002年到2004年，北京機械工業學院對π網絡法測量石英晶片電參數的原理及π網絡中分布參數對測量精度的影響進行了研究。中南大學信息科學與工程學院在2004年提出了一種使用直接數字頻率合成器(DDS)作為激勵信號源的方法和以此為基礎實現石英晶片電參數計算機測量系統。北京航空航天大學在2006年設計了一種頻率高達200MHz的石英晶片電參數測量系統。2009年哈爾濱工業大學以π網絡最大傳輸測量方法為基礎設計石英晶片參數測量系統，設計中選擇具有高速數據處理能力的數位訊號處理器(DSP)作為系統的控制模塊。在產品研發領域，國內外的石英晶片測頻技術差距很大。美國S&A公司的250A、250B系列網絡分析儀和惠普公司的E5100系列網絡分析儀的頻率測量範圍在20KHz-400KHz和0.5MHz-200MHz，負載諧振頻率測量精度達到2ppm以內，代表了石英晶片靜態測頻領域的世界最高水平。國內除了香港Kolinker公司的KH1200測試儀，其誤差和250B相當，再沒有其他同類產品替代。以上介紹的各種研究內容和商業產品都是針對石英晶片在靜止狀態下的固定諧振頻率測量。
石英晶片研磨生產過程中磨盤相對於石英晶片是不斷滑動的，探測頭下並不是始終存在石英晶片，諧振信號是間斷的；同時，不同頻段石英晶片所需的DDS掃頻範圍和射頻激勵功率是不同的；因此，要在研磨的動態過程中實時準確地測量石英晶片的諧振頻率參數，準確地使盤內晶片達到目標頻率且不能發生過度研磨導致的超頻生產事故，就要求相應的測控儀器具備「動態有效信號提取」、「動態DDS掃頻範圍修改」和「動態功率反饋」功能。因此，上文提到的研究內容和商業產品並不能滿足在線測頻的技術要求。目前國內外許多石英晶片製造廠家都使用美國TRANSAT公司的在線頻率監控儀(ALC)對晶片頻率進行在線測控。傳統的ALC系統具備「動態有效信號提取」、「動態DDS掃頻範圍修改」和「動態功率反饋」功能，能夠實現石英晶片生產中的在線測頻功能，這一技術目前被國外壟斷。但是，隨著石英晶振行業技術的日新月異，傳統的ALC並沒有隨之更新換代，生產實踐中出現了越來越多不能忽視的問題。
首先，石英晶振產品的諧振頻率不斷提高，最高頻段已經達到50MHz-60MHz，很多企業在實際使用ALC的過程中會遇到諸如「在某些頻段發生測頻值跳變」而無法有效控制研磨量的缺陷，有時甚至發生超頻事件，特別是在40MHZ以上發生頻率大幅上升，嚴重影響產品質量和生產進度。這是由於當ALC出現誤測量時，其測頻方法並沒有根據實際研磨情況去除「誤測頻率」，在噪聲環境中出現測頻值跳變的問題也就成為必然，同時ALC掃頻範圍很大也增大了測頻值跳變的機率。
其次，很多企業在使用ALC的過程中會發生「晶片開始研磨後，ALC開始顯示的測頻值跟石英晶片的實際諧振頻率值不同」而導致ALC無法正常監控石英晶片的研磨過程，這是由於ALC按下開始按鈕後對石英晶片諧振頻率的搜索不正確導致，而諧振頻率搜索不正確是由於ALC的測頻程序中搜索石英晶片諧振頻率方法不完善。同時使用ALC的過程中有時會出現「測頻過程中發生顯示頻率亂跳」的現象，當發生這種現象時，ALC不能恢復正常的測頻功能，顯示頻率一直異常。
同時，隨著石英晶振的產量大幅提高，研磨砂、石英晶片研磨載體和研磨盤的消耗量十分巨大，如何提高研磨砂、石英晶片研磨載體和研磨盤的使用效率是每個廠商降低生產成本的關鍵。從研磨機管控的角度，相應的測控設備需要具備統計研磨盤內石英晶片頻率分布和研磨速率的能力，以評估前道工序的加工質量和研磨系統的狀態，作為更換研磨砂、石英晶片研磨載體和維護研磨盤面的依據。然而，ALC系統僅提供「到達研磨目標頻率停止」的控制策略，對研磨速率和頻率散差等參數的監控以及相應的控制策略和異常策略並沒有涉及，這就導致其無法對研磨砂、石英晶片研磨載體和研磨盤面狀態進行監控，對研磨過程中發生的異常狀況不能有效的判斷並作出處理。
因此，結合生產實際研究和探索石英晶片在線測頻技術，擺脫傳統的ALC系統架構，針對在線測頻和控制方法中「在某些頻段發生測頻值跳變」、「開始測頻後顯示頻率值不對」、「發生測頻異常後無法恢復正常測頻功能」、「無法實時準確監控研磨機狀態」這些問題的解決，是非常迫切和必要的。
技術實現要素：
本發明克服了現有技術的不足，提供了石英晶片研磨在線測頻的自動搜索方法，在剛開始研磨石英晶片時，不知道當前諧振頻率的時候，搜索到當前石英晶片的諧振頻率，並以此作為基準開始跟蹤測頻。
本發明的技術方案如下：
石英晶片研磨在線測頻的自動搜索方法，包括如下步驟：自動搜索數據初始化步驟、自動搜索測頻參數設置步驟、自動搜索掃頻參數設置步驟、自動搜索諧振頻率步驟、自動搜索頻率切換參數設置步驟、自動搜索完成數據處理步驟；
101)自動搜索數據初始化步驟：將自動搜索頻段數進行置位，自動搜索狀態標誌位、自動搜索測頻結果標誌位和自動搜索頻段切換標誌位初始化，其他參數進行清零；
102)自動搜索測頻參數設置步驟：在步驟101)後，對參數進行用戶定義設置，設置石英晶片研磨目標頻率、DDS掃頻的起始頻率和截止頻率以及DDS掃頻速率和掃頻步進、DDS掃頻序列位置，通過基於諧振頻率的處理方法獲取石英晶片測頻工作原理依賴的掃頻幅度和搜索寬度兩個數據；
103)自動搜索掃頻參數設置步驟：在步驟102)後，將DDS掃頻的起始頻率、截止頻率、掃頻步進、掃頻速率、掃頻幅度寫入DDS，DDS開始掃頻進行定時AD採樣；
104)自動搜索頻率切換參數設置步驟：在步驟103)後，判斷自動搜索頻率切換時間滿足而自動搜索起始頻率不滿足，則對步驟103)涉及的參數進行更新，返回步驟103)開始下一輪DDS掃頻；
105)自動搜索諧振頻率步驟：在步驟103)後，判斷自動搜索頻率切換時間不滿足，進入自動搜索諧振頻率，則DDS開始掃頻，MCU定時器按照DDS掃頻速率的值進行定時AD採樣；只要未按下緊急暫停按鈕，且AD採樣數據個數達到MCU設定值的時候，則進入步驟104)；若按下緊急暫停按鈕則退出自動搜索，進入待機狀態；所述AD採樣的數據處理，用16個搜索寬度依次進行諧振頻率搜索匹配，每次諧振頻率匹配根據8點搜索方法遍歷所有AD採樣數據獲取諧振頻率峰高，根據諧振頻率峰高判斷搜索結果，並保存搜索成功次數最多的一次諧振頻率
106)自動搜索完成數據處理步驟：在步驟103)後，判斷自動搜索頻率切換時間和自動搜索起始頻率，如果都滿足要求，則根據自動搜索起始頻段序列值和自動搜索頻段數，對每個頻段存儲的諧振頻率利用誤測信號剔除方法後，獲取本頻段的諧振次數和將誤測信號剔除後的諧振頻率平均值，然後通過比較獲取諧振次數最多的頻段，並根據本頻段的諧振次數判斷是否索搜成功，成功後進入跟蹤測頻流程，不成功則回到步驟103)。
進一步的，所述步驟101)中其他參數進行清零包括自動搜索諧振頻率清零，自動搜索每段諧振次數存儲數組清零，自動搜索每段獲取的諧振頻率存儲數組清零，自動搜索每段指定次搜索寬度匹配獲取諧振頻率次數存儲數組清零，自動搜索每段指定次搜索寬度匹配獲取諧振頻率存儲數組清零，自動搜索測頻掃頻頻段切換計時清零，自動搜索圈數清零，DDS邊沿跳變標誌位清零，諧振頻率採樣DDS上升沿和下降沿的步進數清零，DDS掃頻採樣完成標誌位清零，DDS掃頻採樣數據處理標誌位清零。
進一步的，所述步驟102)中頻率的處理方法為，對DDS掃頻的起始頻率和截止頻率範圍內的頻率值進行16等分得到16個頻率值，將這16個值代入如下搜索寬度計算方法A1，
s＝af2+bf+c (A1)
式中s為搜索寬度，f是石英晶片當前的諧振頻率值，a，b，c的值通過全頻段測試後擬合得到，通過式子A1分別算出當前頻段下計算諧振頻率的搜索寬度；將DDS掃頻的中心頻率值代入掃頻幅度計算方法算出當前頻段DDS掃頻的掃頻幅度，所述DDS掃頻的中心頻率為DDS掃頻的起始頻率和截止頻率之間的中點的頻率，所述掃頻幅度計算方法為A2，
r＝ae-f/b+c (A2)
式中r為掃頻幅度，f是石英晶片當前的諧振頻率值，a，b，c的值通過全頻段測試後擬合得到，e為自然常量。
進一步的，所述步驟103)中AD採樣值為DDS掃頻信號經過了功率放大電路模塊、π網絡模塊、運放電路模塊、峰值檢測電路模塊、濾波電路模塊後的諧振信號，其中DDS掃頻方式為從起始頻率掃頻到截止頻率，再從截止頻率掃頻到起始頻率，這樣周而復始。
進一步的，所述步驟104)中諧振頻率峰高大於峰值約束為搜索成功，對諧振頻率峰高數據進行平滑處理和求最大值方法獲取諧振頻率，將諧振頻率存入當前頻段本次匹配諧振頻率存儲數組，當前頻段本次匹配諧振頻率次數也進行加1操作。
進一步的，所述步驟106)中所述自動搜索成功為，判斷本頻段的諧振次數大於控制策略界面內設置的諧振點數下限值。
進一步的，所述判斷本頻段的諧振次數小於控制策略界面內設置的諧振點數下限值時，則判斷研磨機圈數是否大於異常監控參數設置界面內的搜索異常值，若大於搜索異常值，則認為在研磨機運行指定圈數內未搜索到諧振頻率，結束自動搜索流程，並在觸控螢幕主界面上顯示搜索異常信息，系統進入待機流程；否則繼續自動搜索流程。
本發明相比現有技術優點在於：創新地提出一種石英晶片研磨在線測頻的自動搜索方法，本發明提出的在線測頻過程中能夠有效地在發生異常狀況時作出處理。本發明提出的自動搜索諧振頻率方法能在測頻開始後準確地搜索到石英晶片當前的諧振頻率，且諧振頻率搜索穩定、操作簡單、測量精度高。根據本發明提出的方法設計具有抗幹擾性強、搜索穩定、操作簡單、測量精度高、測頻信息完整的石英晶片研磨在線測頻系統是當前國內各大石英晶振生產廠商的迫切需求。本發明的成果對提高石英晶片行業生產效率和產品質量具有重要作用，對提高我國石英晶振行業整體競爭力也有重要意義。
附圖說明
圖1為石英晶片研磨在線測頻系統構架圖；
圖2為人機互動界面主界面設計；
圖3為人機互動界面管理員設置界面設計；
圖4為人機互動界面異常監控參數設置界面設計；
圖5為人機互動界面統計控制參數設置界面設計；
圖6為人機互動界面測頻策略參數設置界面設計；
圖7為人機互動界面研磨程序參數設置界面設計；
圖8為石英晶片的諧振波形；
圖9為在線測頻總流程圖；
圖10為諧振頻率自動搜索流程圖；
圖11為自動搜索諧振頻率搜索方法流程圖；
圖12為自動搜索諧振頻率搜索方法示意圖；
圖13為波形匹配方法流程圖；
圖14為數據平滑處理流程圖；
圖15為求最大值方法流程圖；
圖16為自動搜索完成數據處理流程圖。
具體實施方式
下面通過具體實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步的具體說明。應當理解，本發明的實施並不局限於下面的實施例，對本發明所做的任何形式上的變通和/或改變都將落入本發明保護範圍。
石英晶片研磨在線測頻系統：石英晶片研磨在線測頻系統如圖1所示。本發明提出的在線測頻和控制方法適用於基於該系統構架搭建的測頻系統。石英晶片在線測頻系統由MCU、DDS掃頻模塊、功率放大電路模塊、π網絡電路模塊、運放電路模塊、峰值檢測電路模塊、濾波電路模塊、觸控螢幕電路模塊和電源模塊構成。
如圖2～圖7所示，為石英晶片研磨在線測頻系統的交互主界面、管理員設置界面，異常監控參數設置界面、統計控制參數設置界面、測頻策略參數設置界面、研磨程序參數設置界面，把晶片研磨機啟停控制開關、研磨機圈數信號檢測裝置和研磨砂啟停控制開關連接到系統，將π網絡接口電路模塊的輸入和輸出電極連接到研磨機上磨盤的對應電極插槽；將系統電源接口連接到220V市電，同時保證研磨機上有排列待測晶片。
石英晶片研磨在線測頻總流程圖如圖9所示，在交互主界面判斷是否按下研磨按鈕，按下研磨按鈕後進入諧振頻率自動搜索流程，如果諧振頻率搜不到，且搜索小於研磨圈數設定值，則繼續自動搜索諧振頻率，如果大於研磨圈數設定值，則停止研磨，進入待機流程。如果進入諧振頻率自動搜索流程並搜索到諧振頻率則進入跟蹤測頻流程，根據如果存在測頻異常，則判斷諧振頻率是否超出約束，如果是超出約束則停止研磨，進入待機流程，如果沒有超出約束進入慣性導航流程，在慣性導航流程結束後返回到跟蹤測頻流程。如果不存在異常，則一直在跟蹤測頻流程進行監視。
石英晶片研磨在線測頻的自動搜索方法，如圖10所示，包括如下步驟：自動搜索數據初始化步驟、自動搜索測頻參數設置步驟、自動搜索掃頻參數設置步驟、自動搜索諧振頻率步驟、自動搜索頻率切換參數設置步驟、自動搜索完成數據處理步驟。
具體包括如下步驟：
101)自動搜索數據初始化步驟：將自動搜索頻段數進行置位，一般設置為1，自動搜索狀態標誌位、自動搜索測頻結果標誌位和自動搜索頻段切換標誌位初始化，其他參數進行清零；所述其他參數進行清零包括自動搜索諧振頻率清零，自動搜索每段諧振次數存儲數組清零，自動搜索每段獲取的諧振頻率存儲數組清零，自動搜索每段指定次搜索寬度匹配獲取諧振頻率次數存儲數組清零，自動搜索每段指定次搜索寬度匹配獲取諧振頻率存儲數組清零，自動搜索測頻掃頻頻段切換計時清零，自動搜索圈數清零，DDS(直接數字頻率合成器)邊沿跳變標誌位清零，諧振頻率採樣DDS上升沿和下降沿的步進數清零，DDS掃頻採樣完成標誌位清零，DDS掃頻採樣數據處理標誌位清零。
102)自動搜索測頻參數設置步驟：在步驟101)後，首先根據用戶設置的石英晶片研磨目標頻率判斷目標頻率所處的頻段範圍，分別設置DDS掃頻的起始頻率和截止頻率以及DDS掃頻速率和掃頻步進，DDS掃頻序列位置設置為DDS掃頻開始所在序列位置，根據DDS掃頻的起始頻率設置自動搜索峰值約束條件，並根據各個頻率點諧振頻率的峰峰值將8MHz作為高低頻的區分頻率，如果DDS掃頻起始頻率高於8MHz則設置自動搜索峰值約束條件為高頻峰值約束值，否則設置為低頻峰值約束值。對DDS掃頻的起始頻率和截止頻率範圍內的頻率值進行16等分得到16個頻率值，將這16個值代入搜索寬度計算方法，分別算出當前頻段下計算諧振頻率的搜索寬度，將DDS掃頻的中心頻率值代入掃頻幅度計算方法算出當前頻段DDS掃頻的掃頻幅度。所述DDS掃頻的中心頻率為DDS掃頻的起始頻率和截止頻率之間的中點的頻率。石英晶片測頻工作原理依賴於「掃頻幅度」和「搜索寬度」兩個參數，由於這兩個參數均跟晶片頻率有關，因此表現以頻率的函數方式，其中搜索寬度計算方法是一個以諧振頻率為參數，具體如下公式：
s＝af2+bf+c (A1)
式中s為搜索寬度，f是石英晶片當前的諧振頻率值，a，b，c的值通過全頻段測試後擬合得到。
掃頻幅度計算方法是一個以諧振頻率為參數，具體如下公式：
r＝ae-f/b+c (A2)
式中r為掃頻幅度，f是石英晶片當前的諧振頻率值，a，b，c的值通過全頻段測試後擬合得到，e為自然常量。
所述全頻段測試後擬合得到為，通過在「主界面」中點擊「管理員設置界面」，再點擊「靜態測試」進入「靜態測試界面」，通過靜態測試分別採集掃頻幅度和搜索寬度的上限值和下限值。其中要確保研磨機上的測頻探頭下有晶片，可以實時測頻，再特定軟體，如OriginPro 7.0軟體，進行函數擬合獲取出a，b，c常量。
103)自動搜索掃頻參數設置步驟：在步驟102)後，將DDS掃頻的起始頻率、截止頻率、掃頻步進、掃頻速率、掃頻幅度寫入DDS，DDS開始掃頻進行定時AD採樣。DDS開始掃頻後，MCU定時器按照DDS掃頻速率的值進行定時AD採樣，其中AD採樣值為DDS掃頻信號經過了功率放大電路模塊、π網絡模塊、運放電路模塊、峰值檢測電路模塊、濾波電路模塊後的諧振信號，其中DDS掃頻方式為從起始頻率掃頻到截止頻率，再從截止頻率掃頻到起始頻率，這樣周而復始。
104)自動搜索頻率切換參數設置步驟：在步驟103)後，判斷自動搜索頻率切換時間滿足而自動搜索起始頻率不滿足，則對步驟103)涉及的參數進行更新，返回步驟103)開始下一輪DDS掃頻。其中在DDS掃頻會進行AD採樣數據處理，用16個搜索寬度依次進行諧振頻率搜索匹配，每次諧振頻率匹配根據8點搜索方法遍歷所有AD採樣數據獲取諧振頻率峰高，若峰高大於峰值約束，則搜索成功，通過數據平滑處理方法和求最大值方法獲取諧振頻率，將諧振頻率存入當前頻段本次匹配諧振頻率存儲數組，當前頻段本次匹配諧振頻率次數也進行加1操作。當16次諧振頻率搜索匹配完成後，求出其中諧振頻率搜索成功次數最多的一次並保存諧振頻率。返回到步驟103)，更新自動搜索掃頻參數。
105)自動搜索諧振頻率，在步驟103)後，判斷自動搜索頻率切換時間不滿足，進入自動搜索諧振頻率，則DDS開始掃頻，MCU定時器按照DDS掃頻速率的值進行定時AD採樣；只要未按下緊急暫停按鈕，且AD採樣數據個數達到MCU設定值的時候，則進入步驟104)；若按下緊急暫停按鈕則退出自動搜索，進入待機狀態。如圖11所示，具體的自動搜索諧振頻率中的搜索方法將，採樣值處理點數計數i＝0，匹配次數計數j＝0。初始化後，進入自動搜索每段指定匹配次數，判斷j是否達到自動搜索每段指定匹配次數，如果達不到，則結束；如果達到則峰峰值清零，諧振波形信號起始位置清零，對i與DDS掃頻採樣點數的預設值進行比較，如果i小於DDS掃頻採樣點數的預設值，則有諧振頻率8點搜索算法遍歷。否則進入搜索成功的判斷中，如果搜索不成功返回j的判斷進行下一輪循環，如果搜索成功則進入判斷峰峰值是否大於峰值約束，如果成立則計算諧振頻率值並存儲諧振頻率，本段本次匹配的諧振頻率次數+1，且j++，返回j的判斷進行下一輪循環，如果不成立直接返回j的判斷進行下一輪循環。
106)自動搜索完成數據處理如圖16所示：在步驟103)後，判斷自動搜索頻率切換時間和自動搜索起始頻率，如果都滿足要求，則根據自動搜索起始頻段序列值和自動搜索頻段數，對每個頻段存儲的諧振頻率利用誤測信號剔除方法後，獲取本頻段的諧振次數和將誤測信號剔除後的諧振頻率平均值，然後通過比較獲取諧振次數最多的頻段，並根據本頻段的諧振次數判斷是否索搜成功，成功後進入跟蹤測頻流程，不成功則回到步驟103)。所述自動搜索起始頻段序列值為AD採樣的數據處理中用16個搜索寬度，即16個搜索寬度進行序列編號的值。所述自動搜索成功為，判斷本頻段的諧振次數大於控制策略界面內設置的諧振點數下限值。並將跟蹤測頻流程中的研磨起始頻率設置為自動搜索諧振頻率平均值後進入跟蹤測頻流程。所述判斷本頻段的諧振次數小於控制策略界面內設置的諧振點數下限值時，則判斷研磨機圈數是否大於異常監控參數設置界面內的搜索異常值，若大於搜索異常值，則認為在研磨機運行指定圈數內未搜索到諧振頻率，結束自動搜索流程，並在觸控螢幕主界面上顯示搜索異常信息，系統進入待機流程；否則繼續自動搜索流程。
波形匹配方法如圖12、13所示。根據諧振波形的波形特徵結合8點搜索算法，在波形上依照時間順序取8個點進行幅值比較，其中1，2，3，4，5，6，7點間的間距為一個搜索寬度，7，8點的間距為3個搜索寬度，若第4點為最大值，第7點為最小值，且1，2，3點的值依次增大，5，6兩點的值依次減小，則為該波形為匹配的波形，將該段波形截取出來做臨近點數據平滑處理。
臨近點數據平滑處理流程圖如圖14所示。由於諧振波形存在一些毛刺信號，通過臨近點數據平滑處理後可濾除毛刺信號。臨近點數據平滑處理對截取的諧振波形上的每一點的值取相鄰三點值的平均值。
求最大值方法流程圖如圖15所示。求最大值方法對數據平滑後的諧振波形求最大值所在的位置，最大值所在的位置即為諧振頻率所在的位置，然後根據掃頻的起始頻率求出實時諧振頻率。
以上所述的實施例只是本發明的一種較佳的方案，並非對本發明作任何形式上的限制，在不超出權利要求所記載的技術方案的前提下還有其它的變體及改型。