[2] 상위 레벨 설계
4. 스캔 신호 제어
1)speed control
축의 끝에서 끝까지 스캔 할 때의 속도를 제어해야 한다. controller가 ADC 신호를 입력 받을 수 있는 속도에 따라서 최적의 속도로 신호를 출력해야 한다.
2)range control
관찰 하고자 하는 표본의 크기와 확대하고자 하는 배율에 때라서 신호의 peak-to-peak 값을 조절 할 수 있어야 한다. 예를 들어, 표본을 더 확대해서 보려면 관찰하려는 X/Y축의 범위를 더 줄여야 한다. 이 때, peak 값은 줄었지만 peak까지 올라가는 속도는 범위를 줄이기 전과 같아야 한다.
3)shift control
시료 상에서 관찰 하고자 하는 부분의 위치를 옮기고 싶을 때 톱니파의 평균 전압을 조절 할 수 있어야 한다. 신호의 평균 전압이 올라가면 파형이 전압 축을 기준으로 평행이동 하게 된다.
5. 블록 다이어그램
우선 간단히 생각한 블록다이어 그램이다.
(1)스캔 블록 다이어그램 ver.1
시료를 스캔하는 좌표와 그에 따른 모니터 화면의 좌표는 동일하기 때문에 X,Y scan signal 값을 기준으로 표본을 스캔하는 좌표와 모니터에 나타내는 좌표를 제어하면 된다.
하지만 여러가지로 문제가 많다.
우선, x scan signal에서 톱니파를 생성해야 하는데 controller에는 DAC가 없거나 그 수가 적다. 그래서 controller 외부에 따로 DAC를 달아야 한다. 하지만 만약 아래 그림과 같이이 8bit DAC를 사용하면 하나의 analog 신호를 받기 위해서 controller에 8개의 신호선을 따야하기 때문에 보드에서 너무 많은 핀을 사용하게 된다.
그리고 코일은 전류 제어이기 때문에 전압 신호를 전류로 바꿔야 한다.
마지막으로, 합쳐진 전압 신호를 디버깅하기 위해서 컨트롤러가 그 신호를 입력받게 되는데 그 신호를 받아내는 것이 문제이다. 단순히 signal만 있는 것이 아니고 range의 변화가 있기때문에 range가 줄어들면 signal 톱니파의 사이 간격이 줄어들게 된다. 과연 그것을 구분할 수 있을까?? 또한 shift 신호가 추가되면 합쳐진 전압 신호 값이 커지기 때문에 8bit나 16bit ADC로 그 값을 모두 처리할 수 있을 지 생각 해야한다.
(2)스캔 블록 다이어그램 ver.2
ver.1의 문제를 수정/보완한 블록다이어 그램이다. 여기서 어떻게 제한된 핀 수로 여러 개의 ADC와 DAC를 처리할 지가 고민이다.
(3)스캔 블록 다이어그램 ver.3
위의 ver.2에서 signal과 range, shift를 sum에서 한꺼번에 더하는데, 생각해보니 signal과 range는 곱하는 것이고 그 값에 shift를 더하는 것이기 때문에 다음과 같이 분리하였다. 그리고 디버깅을 하기 위해 컨트롤러로 다시 들어가는 입력은 없앴다.
(3)스캔 블록 다이어그램 ver.4
전자빔으로부터 나오는 전자빔을 편향 시킬 때 한 방향으로만 편향시키는 것이 아니고 한 축의 다른 방향으로도 편향 시킬 수 있어야 한다. 그래서 블록 다이어그램에 center adjust를 추가하여 컨드롤러에서 나오는 톱니파의 파형을 평행이동하여 다음과 같이 -전압도 나오게 하였다.
그리고 관찰할 영역을 확대하거나 축소하려면 X축과 Y축을 따로 제어해서 multiple 해주는 것이 아니라 동시에 관찰 범위를 늘리거나 줄여야 한다. 만약 관찰 영역의 X축은 변화시키지 않고 Y축의 범위만 줄인다면 왜곡된 영상이 화면에 나타날 것이다. 그래서 ver.3의 블록 다이어그램을 수정해서 톱니파를 축소/확대하는 것은 동시에 같은 값으로 제어되도록 하였다.
ver.4가 스캔의 최종 블록 다이어그램이다. 컨트롤러에서 나오는 아날로그 전압 Vin은 [center adjust]로 들어가 평행이동하여 Vin - Vp/2가 되고 [multiple]로 들어가서 확대 또는 축소되어 (Vin - Vp/2) * M가 된다. 다음으로 [sum]에서는 관찰 영역의 중심점이 이동한 만큼 평행이동 하기 위해서 일정한 전압 값이 더해져서 (Vin-Vp/2)*M+S가 된다. 변환된 전압은 [current convert]로 들어가 전류로 바뀌어서 코일에 자기장을 만들고 그에 따라 전자빔을 편향시키는 데 전자빔이 편향된 거리를 d라고 하면 편향거리d는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
d = {(Vin-Vp/2)*M+S} *A
6. 스캔신호의 주파수에 따른 영상 왜곡
본 내용은 논문 "전자현미경의 이미지 향상을 위한 주사시스템의 안정성"을 참고하였다.
스캔은 코일로 구성되어져 있기 때문에 코일의 고유 특성인 임피던스 성분에 의하여 주파수가 높아지면 영상이 왜곡 될 수 있다. 주사신호의 주파수가 빨라지면 영상을 획득하는 구간과 원점으로 복귀하는 구간에서 주사신호의 변화율이 시간이 빨라지게 된다. 주사신호의 왜곡이 발생하는 구간은 신호의 극점에 해당하는 부분이다.
아래 그림은 스캔신호 발생기에서 발생되어 스캔신호 드라이버를 거쳐 스킨코일에 인가되는 입력신호와 스캔코일을 거쳐 나오는 출력신호를 보여주고 있다. 극점에서의 신호 왜곡의 비율을 주파수가 빨라짐에 따라 미세하게 늘어나는 것을 확인할 수 있다.
두 번째로 영상이 왜곡되는 요인으로는 스캔신호 시스탬(스캔신호 드라이버와 스캔코일)의 대역폭(bandwidth)이 있다. 시스템의 대역폭을 벗어난 스캔신호는 스캔코일로 제대로 전달되지 않는다.
아래 표는 스캔신호 시스템의 대역폭을 측정 하기위하여 사인파를 입력으로 하여 주파수에 따른 전압 이득을 실험한 것이다. 표의 결과를 그래프로 표현하였는 데 가로축은 입력신호인 사인파의 주파수에 해당하고 세로축은 전압 증폭도이다.
이 시스템의 최대 주파수 범위는 3500Hz 이기 때문에 스캔신호의 최대 주파수가 이를 넘어가서는 안된다.
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