[转帖]基于DSP的数字扫描探针显微镜的硬件解决方案

关键词: 转帖 基于 数字 扫描 探针 显微镜 硬件 解决方

系统电源系统主要有±12V、±150V、±15V、±5V、3.3V、1.5V几部分,其中±12V向模拟电路供电,±150V是压电陶瓷扫描高压运放电路的电源,±15V向步进电机供电,其余的均为数字电路供电,由于整个电路电源种类多,大量芯片同时开启和关闭会造成电源和地线上的电压和电流的较大波动,影响芯片的正常工作,所以,除了在地线和电源之间并联电容、增加π型滤波外、还要对模拟电路和数字电路,高速电路和低速电路进行分区布局,以尽量提高系统的抗干扰能力。
基于DSP的SPM系统体系结构与功能
SPM系统在运行之前、通过控制软件上的扫描控制面板、用户可以调整扫描发生器电路的工作参数,如扫描范围、X偏移、Y偏移、扫描速率等,然后通过反馈控制面板,用户可以实时调整Z向反馈电子学的工作状态,如比例增益、积分增益,反馈环路和偏压。最后通过步进马达控制面板来设定前进、后退或者停止,并设定步数给马达驱动器相应的驱动脉冲控制板上使用的是一片A/D转换器,型号是MAX120,它能将纳安量级电流信号转换成VZin数字信号。MAX120是12bitA/D转换器,采用5V供电,转换速率可达1.6μs,采样率达500KHz,它有五种转换模式,全控制模式,独立控制模式、慢存储器模式、ROM模式和连续转换模式,模式控制引脚和其他引脚的组合逻辑可以选择五种模式之一,本设计选择的是连续转换模式,其FIFO读周期可达15ns,故可减少中断等待时间,能适合于系统速度要求,四片D/A转换器选用一片12bit的AD565和三片14bit的AD7840,AD565用于转换Z向控制信息以得到电流信号VZout,再经过高压运放来驱动马达产生位移。三片AD7840分别转化Vb、Vx和Vy三方向的控制信息,AD7840采用±5V的双电源供电,转换时间为21ns,其片内输入锁存器和DAC锁存器,可有效保证转换数据不丢失,而AD565则采用±12V双电源供电,转换时间为30ns。
TMS320VC5416片内有一个16位的定时器,定时器的输出能启动12bitA/D转换,并可采样Z信号(调整扫描探针跟样品表面距离),可屏蔽的定时中断服务程序安装着XY扫描算法和扫描器的非线性校正算法,XY扫描算法用来进行X向和Y向的扫描位移计算,非线性校正算法则根据扫描点上的隧道电流的大小进行相应的调整,然后启动3路D/A转换,对反馈的X、Y、Z三路信号进行放大,都作用于SPM头部。由于其隧道电流信号只有纳安量级,不容易被直接测量,故应将其放大为相应的电压信号,再进行相应的处理,对扫描探针和样品之间的偏置电压Vb,可在扫描图像时使其大小恒定,由于要求的噪音很小。因此可以用标准电压供电,以保证低噪音,但在进行扫描时,Vb不再是一恒定的值,而是要控制软件设定的变化关系来变化,Vset是通过控制软件设置的标准电压,它可控制Z向电压值的范围,每次采集到的Z向电压值和Vset进行比较,其输出经过比例运放器和积分器可决定经D/A转换器的电压是否作用于SPM头部。由于DSP是高速处理器,所以本设计比基于DSP的设计方案要复杂很多,同时设计时要特别意识到信号完整性问题的重要性,所以设计当中要对阻抗控制,反射和信号终端进行匹配,并对DSP、A/D、D/A器件进行物理隔离,同时要考虑串扰、电源退耦等问题,尽量避免信号完整性对设计性能的影响。
实验证明,利用DSP实现SPM的反馈系统设计与基于PCI系统相比,具有接口简单,稳定性好和精度高等优点,笔者今后还将进一步设计新的DSP算法,并增强图像特征,同时在硬件上还需提高系统的扩展性,降低反馈系统的噪声,增强操作系统的稳定性。
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