（电路与系统专业论文）基于DSP的数控扫描隧道显微镜研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 s t m 具有原子量级的分辨率，在纳米检测、纳米电子学、纳米材料等领域有重 要应用。将d s p 与s t m 相结合，实现s t m 仪器的全数字化，使得仪器结构更加 简洁、性能更加稳定、功能更加灵活，是s t m 仪器发展的一个重要方向。 本论文设计研制了一套基于d s p 的数控s t m ，它采用t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 做主处 理器，全面负责s t m 扫描成像的整个过程，包括x 、y 向扫描控制和z 向高度反 馈控制，以及隧道电流采集等，同时通过串口把图像数据传送给计算机进行后期处 理、显示和存储，极大地减轻了计算机的负担。在所研制的数控s t m 中，我们采 用转换时间为2 1 n s 的1 4 位d a 转换器a d 7 8 4 0 和转换时间为3 0 n s 的1 2 位d a 转换器a d 5 6 5 分别控制s t m 压电陶瓷管的x 、y 和z 向高精度运动，同时采用转 换时间为1 6 u s 的1 2 位a ，d 转换器m a x l 2 0 来采集隧道电流，用c p l d 控制整个 扫描成像过程，使得x ，y 向扫描精度达到0 1 n m ，z 向控制精度达到0 0 1 r i m ，反 馈控制速度达到5 0 0 k h z ，满足s t m 扫描成像的精度和速度要求。 论文在c c s 环境下编制了t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的控制软件，同时采用v h d l 语言 实现了基于c p l d 的逻辑控制，实验调试获得了正确的x 、y 和z 向信号。实验表 明本论文设计的基于d s p 的数控s t m 比基于i s a 总线的数控s t m 在反馈控制速 度方面提高约5 倍左右，从而为仪器的稳定运行奠定了基础。 关键字：扫描隧道显微镜；d s p ；c p l d a b s t r a c t w i t hi t sa t o m i cs c a l er e s o l u t i o ns c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ( s t i r 0h a sf o u n dw i d e a p p l i c a t i o ni nl o t so ff i e l d s ，s u c ha sn a n o - m e s u r e m e n t ，n a n o - e l e c t x o n i c s ，n a n o - m a t e r i a l s , e t c i n c o r p o r a t i o no fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t om a k em l l yd i 西吐z e ds t mh a s b e o ：0 m ea l li m p o r t a n ta p p r o a c hi ns t mi n s t r u m e n t a t i o n i tp r ；o v i d m o r es i m p l i c i t yf o r i n s t r u m e n ts m l c t u r e ，m o r es t a b i l i t y o f p e r f o r m a n c ea n d m o r e f l e x i b i l i t y o f f u n c t i o n a l i t y t h et h e s i sd e v e l o p e daf u l l yd i g i t i z e ds t me m p l o y i n gad s p c h i p ，t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 , w h i c h t a k e , c h a r g eo f a l lt h el o g i c a lc o n t r o lo f t h eo p e r a t i o ns u c h 笛xy s c a nm o v e m e n t a n df e e d b a c ka d j u s t m e n to ft h et i ph e i g h ta l o n gzd i r e c t i o n , t h ea c q u i s i t i o no ft h e t u n n e l i n gc u r r e n t e t c t h ei h l a g ed a t aw e r et r a n s m i t t e dt oac o m p u t e rv i as e r i a li n t e r f a c 它 f o rp o s t o c e s s i n 舀d i s p l a ya n ds t o r a g e , w h i c hg r e a t l yd e c r e a s e dt h eb l l i _ d e no ft h e c o m p u t e r i na b o v ed i g i t i z e ds t m 1 4b i td ac o n v e r t e r sa d 7 8 4 0w i t hac o n v e r s i o nt i m e o f2 1 n sa n d1 2b i td ，ac o n v e r t e r sa d 5 6 5w i t hac o n v e r s i o nt i m eo f2 1 n sw e 糟u s e df o r h i g hp r e c i s i o nx , ya n dzm o v e m e n tc o n t r o lo ft h es t mp i e z - e l e c t r ot u b er e s p e c t i v e l y m e 锄w i n l ea1 2b i ta dc o l 3 v e r t e rm a x l 2 0w i t hac o n v e r s i o nt i m eo f1 6 u sw a su s e d f o rt u n n e l i n gc u r r e n ta c q u i s i t i o n t h ew h o l ei m a g es c a np r o c e s sw a su n d e rt h ec o n t r o lo f ac p l d a sar e s u l t ，ax , ym o v e m e n tp r e c i s i o no f 0 ，l n m , azm o v e t n e n tp r e c i s i o no f o 0 1 n ma n daf e e d b a c kc o n t r o ls p e e do f5 0 0 k h zw 6 t er e a l i z e d , w h i c hm e e tw e l lt h e r e q u i r e m e n t sf o rs t m i n s t n t m e n t f o rs o f t w a r ed e s i g nt h ec o n t r o lp r o g r a mf o rt m s 3 2 0 v c 5 4 1 6w a sc o m p o s e du n d e r c c se n v i r o n m e n ta n dc p l dl o g i cw a sr 髓l i z e du s i n gv h d l1 a n g i l a g c c o r r e c t 】( ，ya n d zc o n t r o ls i g n a lw o r eo b t a i n e db a s e do nt h e s es o f t w a r e a st h ee x p e r i m e n ts h o w n , t h e j a b o v ef u l l yd i 萄也c ds 刚b a s e d0 1 1d s ph a saf e e d b a c kc o n t r o ls p e e df i v et i m e sf a s t e r t h a nt h a to f as t mb a s e d0 1 1i s a b u s w h i c hm a k ep o s s i b l eo f m o r es t a b l eo p e r a t i o n k e yw o r d s ：s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ，d s p , c p l d n 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i $ 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名苍j 舀日期：如。7 年占月，j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：鸯i 、毛 日期卿年6 月日 导师签名爿沁勺 日期：埘6 月0 日 本人已经认真阅读“c a m s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。固壶途塞逞銮唇道卮! 旦圭生；旦= 生；旦三生筮查e 作者签名：夸j 、色 日期：曲叼年占月日 导师签名界姊 日舰坳g 月日 1 绪论 1 1 扫描隧道显微镜的历史发展与特点 显微镜的发明大大扩充了人类的视野，把人类的视野从宏观引入到微观，显微 镜的发展大致可分为三个时代：光学显微镜、电子显微镜和扫描隧道显微镜i n 。 第一个时代的显微镜光学显微镜：1 7 世纪末，安东尼冯列文虎克( a n t h o n y v o nl e e u w e n h o e k ) 成功研制了第一台光学显微镜，但由于光瑞利衍射极限，光学显 微镜的分辨能力非常有限，只能达到约二分之一光波波长由于可见光的最短波长 为4 0 0 n m ，因此光学显微镜最小可分辨的两点间距约2 0 0 n m ，这就是光学显微镜的 观察极限。 第二个时代的显微镜电子显微镜：在2 0 世纪2 0 年代末，鲁斯卡( r u s k a , e m s t ) 经过多次实验探索，终于在1 9 3 3 年研制出世界上第一台电子显微镜，开创 了人类研究微观世界的新纪元。他利用电磁场控制电子束的运动方向，将带有样品 微观结构信息的电子柬打到荧光屏或照相底片上，形成分辨率极高的图像。但电子 显微镜存在着一些不足，如高速电子容易透入物质深处，低速电子容易被样品的电 磁场偏折。 第三个时代的显微镜扫描隧道显微镜：1 9 8 2 年美国m m 公司在瑞士的苏 黎世实验室的葛宾尼( g b i n n i n g ) 和海罗雷尔( h r o h r e r ) 博士经过3 年的努力研 制出世界第一台新型表面分析仪器扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l i n g m i c r o s c o p e ，简称s t m ) 1 2 】。扫描隧道显微镜的出现，使人类能够实时观察单个原 子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。扫描隧道显微 镜因其可直接观察物体表面原子结构而不会对样品表面造成任何损伤，而被广泛应 用于表面科学、材料科学、生命科学等领域，并成为纳米加工的关键技术。扫描隧 道显微镜不仅可以在各种样品表面上进行直接刻写、光刻以及诱导淀积和刻蚀等， 它还可以把吸附在表面上的吸附质如金属小颗粒、原子团及单个原子等从表面某处 移向另一处，即对这些小颗粒进行操作。s t m 在这些方面的应用为用不同材料微小 粒子来构造器件的研究提供了有用的工具，它还可用来研究粒子之间、粒子与衬底 问的相互作用，甚至有可能用一个个原子构造分子或者把分子分解成一个个原子【3 】。 因为扫描隧道显微镜有一系列的重要应用，并由此开拓了许多新的研究领域， 被国际科学界公认为8 0 年代世界十大科技成果之一为此，两位博士因发明s t m 而于1 9 8 6 年获得诺贝尔物理学奖。当今s t m 仪器已在研究物质表面结构、生物样 品及微电子技术等领域中成为很有效的实验工具。例如生物学家们用s t m 仪器观 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 察一种噬菌体d n a ( 脱氧核糖核酸) 的变异结构，对这些d n a 变异结构能进行直接 观察，丰富了人类对生命活动的主要遗传物质d n a 结构的认识f 4 l ；材料学家们研 究固体表面的原子不同的性质，有目的地设计各种性能优异的半导体材料、高温超 导材料等；微电子器件工程师们使用s t m 仪器探测集成电路中损坏或工作异常的 晶体管，以最快的速度检测到目标。 随着技术的需求和进步，在s t m 原理的基础上又发明了一系列新型的显微镜， 它们几乎可以探测各种相互作用，而且空间分辨率至少在亚微米量级。这些显微镜 包括：原子力显微镜( 朋m f ) 、扫描力显微镜( s f m ) 、弹道电子发射显徼镜( b e e m ) 、 透射电子显微镜( 砥m ) 、场离子显微镜( f i ：m ) 、扫描隧道电位仪( s t p ) 、扫 描电子显微镜( s e m ) 、扫描近场光学显微镜( s n o m ) 等。这些新型的显微镜不 仅弥补了s 1 m 在某些方面的不足，而且可以在极高分辨率条件下研究不同材料的 表面或界面结构，如表面不同部位的磁场、静电场、热量散失、离子流量、表面摩 擦力等【习。近几年来，在把s t m 与a f m 、s t p 等其它表面分析手段联用方面，也 取得了可喜的进展。 表1 1 列出了s 1 m 与t e m 、f i m 、s e m 几种常见的显微镜的一些综合性能指 标，从这些性能指标对比中可体会到s t m 仪器的特点。 扫描隧道显微镜的主要特点如下： ( 1 ) 具有原子级高分辨率，s t m 在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可 达0 1 m 和0 0 1 r i m ，通过它可以清晰地看到排列在物质表面的直径大约为0 i r m a 尺 度的单个原子( 或分子) r ( 2 ) 可实时地得到在实空间中表面的三维图像，用于具有周期性或不具备周期 性的表面结构研究。这种可实时观测的性能还可用于表面扩散等动态过程的研究1 5 。 ( 3 ) 可观察单个原子层的局部表面结构而不是体相或整个表面的平均性质。因 而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置以及由吸附体引起 的表面重构等【5 】。 ( 4 ) 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶 液中，不需要特别的制作样品技术，并且探测过程对样品无损伤。这些特点特别适 用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机 理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等【5 1 。 2 表1 1s t m 与t e m 、f i m 、s e m 几项性能指标对比懈 显微镜分辨率工作环境样品环样品破检溅深度 境温度 坏程度 原子级实环境、室温 洲 垂直0 0 1 n m ，大气、溶 或低温 无1 2 原子层 横向0 1 n m 液、真空 点分辨接近扫描电镜，但实际 ( o _ 3 锄5 r i m ) 上为样品厚度所限，一 田b m 晶格分辨 高真空室温小 般小于1 0 0 r i m ( 0 1 o 2 r i m ) s e m 6 1 0 r i m 高真空室温小1 0 m m ( 1 0 倍时) l u m ( 1 0 0 0 0 倍时) f 珊 原予级 超高真空 3 0 - 8 0 k 有原子厚度 l 。2 扫描隧道显微镜的工作原理 s t m 工作原理基于量子理论中的隧道效应。当具有电位势差的两个导体之间的 距离小到一定程度时，电子将存在一定的几率穿透两导体之问的势垒从一端向另一 端跃迁，这种电子跃迁的现象即为隧道效应，而跃迁形成的电流叫做隧道电流1 6 j 。 图l ，l 中，电子云占据在样品和探针尖之闻的空间，电子云是电子位置具有不 确定性的结果，这是其波动性质决定的。导体的电子是“弥散”的，故有一定的几率 位于表面边界之外。电子云的密度随距离的增加而急剧衰减。这样，通过电子云的 电子流就会对表面和探针间的距离变化极为灵敏。探针在表面上扫描时，前置放大 器采集隧道电流，并把隧道电流变化记录下来，再输入到计算机进行处理和显示， 就可以得到样品表面原子级分辨率的图像。 图1 1s t m 工作原理图 s t m 通过一个由压电陶瓷驱动的探针在样品表面作精确的扫描，扫描的精度达 3 到几分之一纳米，使探针尖端距离样品表面足够近以至于探针尖端与样品表面之间 的电子云发生重叠。此时，若在探针样品表面之间加上一定的偏压，就会有隧道电 流流过探针针尖。隧道电流i 是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离s 和 平均功函数有关： 胁s ，o c 圪分 7 ( 1 1 ) 是加在针尖和样品之间的偏置电压，矿= 去( 九+ 欢) 为平均功函数，磊和欢分 别为针尖和样品的功函数，a 为常数，在真空条件下约等于1 扫描探针一般采用直 径小于l m m 的细金属丝，如钨丝、铂一铱丝等，被观测样品应具有一定导电性才可 以产生隧道电流川。由式1 1 可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数 的依赖关系，当距离减少0 1 n m 时，隧道电流增加约一个数量级。如果针尖相对于 样品始终处于同一位置不动，这种测量是没有实际意义的。因而为了获取样品表面 某一区域的原子分布图像，必须让针尖沿样品表面扫描。如果扫描后获取了隧道电 流的变化，我们就可以德到样品表面微小的高低起伏的形貌变化信息。如果同时在 x ，y 方向上进行扫描，就获得了三维的样品表面形貌图。 s t m 扫描有两种基本模式f 8 j ：恒高度模式( 图1 - 2 ) 和恒电流模式( 图1 3 ) 。 图1 2 恒高度模式 m i ( v ，匕) 肛g ，y ) 图1 3 恒电流模式 圪( 圪，e ) 一z ( x ，力 。 s 为针尖与样品间距，、虼为隧道电流和偏置电压， k 为控制针尖在z 方向高度的反馈电压 ( 1 ) 恒高模式：如图1 2 ，x ，y 方向起着扫描的作用，而z 方向则保持水平高 4 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 度不变，由于隧道电流随距离有着明显的变化，只要记录电流变化的曲线，就可以 给出高度的变化。这种扫描方式的特点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信 号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于l n m 的样品。 ( 2 ) 恒流模式：如图1 3 ，x ，y 方向仍起着扫描的作用，而z 方向具有一套反 馈系统，初始的隧道电流设为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就会向后退，以 保持隧道电流的值不变。反之，当样品表面凹进时，反馈系统将使得针尖向前移动， 计算机记录了针尖上下移动的轨迹，合成起来，就可给出样品表面的三维形貌。这 种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品。 从恒流模式延伸出另一种模式：隧道谱模式。隧道谱( s c a n n i n gt u n n e l i n g s p e c h o s c , o p y ，s t s ) 即原子级分辨的谱学特性。当s t m 的图像对应于表面原子形 貌时，s i m 实际上是测量表面的态密度，而电子态是一个电子所处的特定的能量值。 由于隧道电流反映了样品表面的局域态密度，因此s t m 可用于测量隧道谱【9 j s t m 提供谱学特性主要是利用它对样品表面能态的灵敏性。隧道谱信息可以通过测量隧 道电流随电压的依赖关系得到，我们采用恒定针尖样品间距来测量电流i 与偏压 虼函数，针尖样品间距不随电压改变，也就是定点采样数据的方法。通过改变偏 压，来观察隧道电流的变化，从而由隧道谱信息了解样品表面的局域态密度信息。 1 3 扫描隧道显微镜的仪器结构和性能指标 s t m 仪器的结构方框图如图1 4 所示，一般来说，可将整个系统分为三个部分。 第一部分，头部系统( 包括上方的头部和下方的底座) ：它是s a m 仪器的工作执 行部分，具体包括了隧道电流检测装置和信号处理电路、扫描针尖、测试样品、扫 描器、进针粗调驱动装置以及隔离头部防止振动影响的防振悬挂设备。 第二部分，电子学系统( 控制板) ：它是s a m 仪器对头部控制部分，主要实现扫 描器的各种预设的操作功能( 如针尖的连续和单步的进、退等操作) ，以及维持均 恒的扫描状态的反馈控制电路，从而实现非常精确的扫描和控制操作。 第三部分，计算机系统：通过对计算机的人机交互在线软件的操作，指令控制 系统使头部完成各种预定的操作功能，从而完成对样品实时扫描过程的控制、数据 的获取、以及数据处理分析。 综上所述，可以把s a m 的工作过程总结为：利用探针针尖扫描样品，通过隧道 电流获取信息，经计算机处理得到图像【1 0 j 。 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 图1 4s 1 m 基本结构图 扫描探针的针尖是扫描隧道显微镜技术中要解决的主要问题之一。针尖的大 小、形状和化学同一性不仅影响着s 1 m 图像的分辨率和图像的形状，而且也影响 着测定的电子态。针尖的宏观结构不是细而长，才能使针尖具有高的弯曲共振频率， 从而可以减小相应滞后，提高采集速度。如果针尖的最尖端只有一个稳定的原子而 不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原予级分辨率的图像。 针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒【i 】。例如针尖表面若有氧化层，则其电阻 可能会高于隧道间隙的阻值，从而导致在针尖与样品间产生隧道电流之前，二者就 发生了碰撞。在用电化学腐蚀的方法制备s t m 的探针针尖时，还要用其他技巧帮 助形成单原子针尖，使针尖直径小于l n m 。此外，还要求针尖的化学纯度高、无氧 化层覆盖。 由于仪器中要控制针尖在样品表面进行商精度的扫描，用普通机械的控制是很 难达到这一要求的，目前普遍使用压电陶瓷材料作为x v z 扫描控制器件。当在压 电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长 或缩短的尺寸与所加的电压的大小近似呈线形关系，它能将l m v o l 0 0 0 v 的电压信 号转换成十几分之一纳米到几微米的位移【l o l 。目前广泛采用的是钛酸锆酸铅 f p b ( t i , z r ) 0 3 ( 简称p z t ) 的多晶陶瓷材料，其压电系数优于5 n m v 。本设计中使用到 6 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 的p z t 的压电系数为1 0 n m v ，施加电压最大达1 5 0 v 时，实现的最大位移为i s u m 。 图1 5 三维扫描控制器的种类 用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有三脚架型、十字架和单管型配合 单管型( 如图1 5 ) 。其中： ( 1 ) 为三脚架型，由三根独立的长棱柱型压电陶瓷材料以相互正交的方向结 合在一起，针尖放在三脚架的顶端，三条腿独立地伸展与收缩，使针尖沿x y - z 三 个方向运动。 ( 2 ) 为十字架配合单管型，z 方向的运动由处在“十”字型中心的一个压电陶瓷 管完成，x 和y 扫描电压以大小相同、符号相反的方式分别加在一对x 、x 和y 、- y 上这种结构的x y 扫描单元是一种互补结构，可以在一定程度上补偿热漂移的影 响。 ( 3 ) 为单管型，陶瓷管的外部电极分成面积相等的四份，内壁为一整体电极， 在其中一块电极上施加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩( 由电压的正负和压电 陶瓷的极化方向决定) ，导致陶瓷管向垂直于管轴的方向弯曲。通过在相邻的两个电 极上按一定顺序施加电压就可以实现在x - y 方向的相互垂直移动。在z 方向的运动是 通过在管子内壁电极施加电压使管子整体收缩实现的。管子外壁的另外两个电极可 同时施加相反符号的电压使管子一侧膨胀，相对的另一侧收缩，增加扫描范围，亦 可以加上直流偏置电压，用于调节扫描区域。 常用的扫描器为( 3 ) 类型，陶瓷管的俯视图如图1 6 所示，在五个压电体的电 极上施加适合的扫描电压，压电体就产生形变，其长度会伸缩变化，就能带动针尖 做三维方向的运动。 7 图1 6 单管型残r t 压电陶瓷管 由于仪器工作时针尖样品间距一般小于l n m ，同时隧道电流与隧道间隙成指 数关系，因此任何微小的震动都会对s t m 仪器的稳定性产生影响。s t m 仪器e q 底 座常常采用金属板和橡胶垫叠加的方式，其作用主要是用来降低大幅度冲击震动所 产生影响。探测部分采用弹簧悬吊的方式，金属弹簧的弹性系数小，共振频率较小 ( 约为o 5 h z ) 【1 0 1 。采用这两种措施基本上能够满足s t m 仪器的减震要求。 尽管s t m 问世的时间很短，但经过各国科学家的努力，s t m 技术已得到了迅 速发展，理论与技术也日臻完善，例如美国d i g i t a l i n s t n t m e n t s 公司、英国v g 公司、 丹麦m i c r o - e n g i n e e r i n g 公司等都研制出原予分辨率的s t m 仪器，可在空气或超高 真空下工作。国内其他单位在克服了资料不足、技术难度大、开发设备昂贵的困难 后，也取得了突出的成绩，如上海海兹思光电科技有限公司已经研制成功 n a n o f i r s t - 1 0 0 0 型扫描隧道显微镜，上海爱建纳米科技公司研制成功a j i a 型扫描隧 道显微镜。这些扫描隧道显微镜均能达到石墨原子定标，x 、y 向达到o i r m a ，z 向 达到0 0 1 n m 分辨率，扫描频率达到了0 1 h z - 3 0 0 h z 纳米技术是目前国内外研究的热点，也是本实验室长期一直从事的研究方向。 本实验室从9 0 年代就开始进行s 1 m 相关工作的研究，在s t m 场蒸发、基于s t m 信息 存储、单电子器件方面都取得了不少成果。目前实验室s t m 系统是基于i s a l 2 控制 传输形式，其在精确控制、传输速度及成像效果上只能达到基本要求，但还远远达 不到耪密仪器的要求。 1 a 数字信号处理技术发展概况 数字信号处理技术是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴科学， 是利用计算机或专用处理设备。以数字形式对信号进行采样、变换、滤波、估值、 增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。数字信号处理器( d i g i u d s i g n a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) 是一种专门为实时、快速实现各种数字信号处理算法 而设计的、具有特殊结构的微处理器l l “。 8 碛士擘位论交 m a s t e r st h e s i s 2 0 世纪8 0 年代初，世界上第一片可编程d s p 芯片诞生，它的出现使数字信号处 理的理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中。2 0 世纪9 0 年代以后，d s p 芯片 的发展突飞猛进，可编程的通用d s p 芯片、专用d s p 芯片的功能日益强大，性能价 格比不断上升，开发手段不断改进，迅速成为众多电子产品的核心器件。广泛地应4 用于当今技术革命的各个领域。如通信领域中，数字蜂窝电话中的d s p 协调模拟基 带处理芯片、数字基带处理芯片、r f 射频处理芯片合理而快速的工作，使移动设备 更加个人化、智能化；军事领域中，雷达图像处理中使用d s p 进行目标识别和实时 飞行轨迹估计，每秒执行十亿个浮点运算；家用电器中，使用d s p 技术的家庭音响 可以产生比模拟音响更自然丰富的音响效果。可以说，基于d s p 技术开发应用正在 成为数字时代应用技术领域的潮流。 一个典型的d s p 系统如图1 7 所示，输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进 行模傲( a d ，a n a l o gt od i # t m ) 变换，将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特 抽样定理，对低通模拟信号，为保持信息的不丢失，抽样频率必须至少是输入带限 信号最高频率的2 倍。d s p 芯片完成数字信号处理算法，处理后再经过数模( d a ， d i g i t a lt o a n a l o g ) 变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续 的模拟波形。但并不是所有的d s p 系统都包括这五个部分，可根据需要添加或删除 模块。 图1 7 典型d s p 应用系统 d s p 应用系统是以数字信号处理为基础因此具有数字处理的全部优点【l ”。 ( 1 ) 接口方便。d s p 应用系统与其他以数字技术为基础的系统或设备都是相互 兼容的，比模拟系统与这样的系统接口要容易得多。 ( 2 ) 编程方便。d s p 应用系统中可编程d s p 芯片可使设计人员灵活方便地对软 件进行修改和升级。 ( 3 ) 稳定性好。d s p 应用系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响 较小、可靠性高。 传统的s t m 通过模拟反馈电路控制针尖的z 向运动，它具有精度高的优点，但 同时存在仪器结构复杂、参数变化范围有限、操作调节繁琐和灵活性差的缺点。需 要设计一种新型的s t m 控制系统，使得仪器易于维护、操作自动化、配置灵活，在 精确度和速度上有进一步提高。近年来，数字信号处理技术越来越成熟，基于d s p 9 的嵌入式数字仪器具有成本低、结构简单、实时性好、功能强大、可以灵活地通过 软件升级等优点，成为设计各种数字仪器首选方案s t m - i - 作模块主要是a d 模块 和d ，a 模块，加入d s p 芯片后就是一个典型的d s p 系统，利用d s p 的超强处理速度和 高处理精度，能够完成s t m 系统实时控制和处理的要求，能够克服以往模拟反馈控 制在速度、稳定性，抗干扰能力等诸多方面的不足。我们曾尝试采用计算机通过t s a 总线对s 1 m 进行数字控制，发现该方案速度低，实时性差，噪音大，不能满足s t m 数字化控制要求，所以将d s p 和s t m 结合是今后的s t m 仪器发展的必然方向。 1 5 论文的结构安排 本论文充分利用d s p 实时快速处理能力，开发了一套数控s t m ，论文的主要 内容安排如下： 第一章，绪论：简要介绍扫描隧道显微镜历史发展，工作原理、仪器结构、性 能指标和国内外研究状况，并介绍了数字信号处理应用功能系统的特点，以及将 d s p 和s r i m 结合这一研究课题的意义。 第二章，基于d s p 的数控s t m 系统硬件设计：详细介绍基于 1 m s 3 2 5 4 1 6 d s p 的s t m 控制系统的整体结构和工作过程，以及系统各个模块 的硬件设计的思路和方法。 第三章，基于d s p 的数控s t m 系统软件设计：详细介绍d s p 的程序设计方法、 软件开发环境和调试工具，以及基于t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的s t m 控制系统各个程序模 块设计的思路和方法。 第四章，系统调试和实验结果：对系统进行分步调试，并得到实验结果。 第五章，结论与展望：对全文工作进行总结，指出系统设计中的不足以及改进 方法。 l o 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 2 基于d s p 的数控扫描隧道显微镜系统的硬件设计 2 1 系统总体设计 我们设计的s t m 控制系统结构如图2 1 所示，其中控制板连接着p c 机和s t m 扫 描头，负责采集来自扫描头的信号，将下一步的运动信号反馈给s t m ，并将采集到 的图像数据通过串口传送给p c 机控制板核心是d s p ，d s p 通过编程产生特定的合 乎要求的各种数字信号，分别送至两路d “媾 换器，所获得的模拟电压再经过高压 放大器放大，送到s n d 头部扫描器，实现x 、y 方向扫描。同时第三路d a 转换器提 供产生隧道电流所需要的偏压信号。此外，采集得到的隧道电流经过电流放大器放 大、转换后，所获得的有关z 方向距离的电压信号，送入一路a d 转换器，输出的数 据被送a j 3 s p 进行分析比较和处理，处理后的信号再通过第四路d a 转换电路去调 节探针样品间距的大小，即控制扫描器的z 方向上的进或退，从而实现了探针样品 间距在整个扫描过程中保持恒定不变( 即恒流模式) 。d s p 通过编程管理串口通讯， 从而实现与计算机之间的数据传送。控制板内各模块的主要功能归纳如表2 1 所示。 上j 图2 ，1s t m 控制系统结构 硕士学位论文 m a s t e r st i e s i s 表2 1控制板各模块的主要功能描述 模块名称 主要功能 d s p 模块作前端主控制器，控n s t m 针尖的三维廷明，把米集纠的样品表曲 图像数据传给计算机 c p l d 模块逻辑控制单元，产生地址信号和控制信号 f 】峪h 提高程序运行速度，扩展系统的容量。程序的b o o t 方式采用f l a s h 模块 b o o t l o a d e r 隽 式，先将程序下载到片外f l a s h 中，d s p 5 4 1 6 上电后自 动将f l a s h 中的程序读入到片上r a m 里运行 串口模块实现d s p 和p c 机的通信 a d 模块隧道电流经前置放大和低压运放后，被a ，d 转换器转化为数字信号 把x 、y 、z 方向偏压转换成模拟信号，再经低压运放和高压运放二 d a 模块 级放大后分别加在压电陶瓷上，驱动探针做x 、y 、z 三方向的三维 ( 4 路) 扫描；把数字偏压信号转换为模拟信号，提供针尖和样品问产生隧 道电流的偏置电压v b 。 运放模块实现i x 、y 、z 方向三路模拟信号的高压和低压放大 驱动模块总线驱动、收发方向控制、接口电平转换 电源模块 为上述所有模块提供稳定的电源 复位模块为d s p 芯片、串口模块提供复位信号 根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制以及体积、功耗等 方面要求，选择了d s p 芯片以及外围电路的芯片，主要芯片基本参数如表2 2 所示： 1 2 表2 2 主要芯片的基本参数 模块芯片型号典型基本特征 名称供电 d s pt m $ 3 2 03 3 v 1 6 位定点d s p ，最高时钟频率为1 6 0 m h z ，能 模块 v c 5 4 1 61 5 v 够实现1 6 0 m i p s ( m i i o ni n s t r u c t i o n sp e r s e c o n d ) 的高速运算1 2 j c p l de m 呼73 - 3 v 2 5 0 0 个可用门，1 2 8 个可编程宏单元，8 个逻辑 模块 1 2 8 e 8 4 块，最高工作频率达1 7 5 4 m h z ，管脚延时为 4 5 n s t l 3 j f 】已a s ha m 2 9 f3 3 v 容量为8 m b i t ，可操作在1 m * 8 b i t 、5 1 2 k * 1 6 b i t 模块 8 0 0 b 等多种数据存储形式f 1 4 】 异步收发器，发送接收各带有6 4 字节f i f o 和 t l l 6 c3 3 v m o d e m 接口信号，分为a 、b 两路收发，最高 串口 5 2 b 传输速率可达1 5 m b p 蝴t 1 5 】 模块 多协议收发器，把异步串口电平配置成 峭3 1 6 03 3 v r s 2 3 2 r s 4 8 5 r s 4 2 2 多种接口电平标准【1 6 】 a d+ 5 v 模拟数字转换器，分辨率为1 2 位，转换时问 模块 l a 1 2 01 5 v 为1 6 u s ，采样率为5 0 0 k s ，2 1 0 r o w 低功耗， + i l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 的转换误差， 模拟输入范围一5 v ，计5 v 1 1 7 1 + 5 v 数字模拟转换器，分辨率为1 4 位，转换时问 a d 7 8 4 05 v 为2 1 n s ，两级锁存控制功能，双电源供电，内 d ，a 部有参考电压，输出电压范围3 v , d - 3 v t 埔1 模块 数字模拟转换器，分辨率为1 2 位，转换时间 a d 5 6 5+ 1 5 v 为3 0 n s ，0 5 l s b 的转换误差，2 2 5 m w 低功耗， 1 5 v 双电源供电，内部有参考电压，输出电压范围 3 v - , + 1 2 v 1 1 9 l 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 输出短路保护，高阻态输入，转换时间为 + 1 5 v 1 3 v u s ，较大范围的输入电压范围 a ：1 1 v ，双 t l 0 8 41 5 v 电源供电，含4 组独立的、高增益、内部频率 运放 补偿的运算放大模块，3 m h z 带宽刚 模块 + 1 5 0 v 输入过电压保护，转换时间为4 v u s ，较大范围 a 凇1 5 0 v 输入电压范围 - t l l v ，双电源供电，大增 益范围1 1 0 0 0 0 ，2 0 0 k r z 带宽脚】 驱动 s n 7 4 i t+ 3 - 3 v 双向= 态输出，1 6 b i t 或双8 b i t 数据宽度瞄 模块 h 1 6 2 4 5 输出3 3 v ，有反馈输出调节端，输入电压范围2 8 v - 5 5 v ， t p $ 7 5 5 3 3 输出电流0 a s a ，提供d s p 5 4 1 6 i o 、a m 2 9 f s 0 0 b 电压吲 输出可调节，1 2 v 5 5 v ，有反馈输出调节端，输入电压 ”$ 7 6 8 0 1 范围0 3 v 一1 3 5 v ，5 6 8 1 8 m w 低功耗，提供d s p 5 4 1 6 内核 电源 模块 电压跚 l 】7 8 0 5 输出电压5 v ，输入电压1 5 v ，内部有过载保护，给 c k a d 7 s 4 0 ，m a x l 2 0 ，e m p 7 1 2 8 e - 8 4 提供电压阁 l m 7 9 0 5输出电压5 v ，输入电压1 5 v ，输出噪声电压1 2 5 u v ，给 c t a d 7 8 4 0 提供电压1 2 6 】 复位 t p s 3 8 2 3 3 3 v 供电，有看门狗监视输出端，手动复位 z t l 模块 3 3 以下章节将分别对系统的各个模块特性、硬件电路的连接、功能进行详细的介 绍。 2 2 d s p 模块 1 m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ( 以下以d s p 5 4 1 6 简称) 是t i 公司出品的t m s 3 2 0 v c 5 4 x 系列低 功耗的1 6 位定点数字信号处理器，作为s t m 控制系统的主处理器。以下是d s p 5 4 1 6 的基本特性【嚣】： ( 1 ) 采用不同于传统的冯诺依曼结构的哈佛结构，程序存储和数据存储相互独 立，每个存储器独立编址、独立访问，与两个存储器相对应的是系统中设置了程序 总线和数据总线，从而使数据的吞吐量提高了一倍。 ( 2 ) 采用预取指、取指、译码、寻址、读操作数和执行的六级流水线操作，可 1 4 硕士擘住论文 m a s t e r st t i e s i s 并行处理多条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段，减少指令执行时间，增强 了处理器能力。 ( 3 ) d s p 5 4 1 6 共有l 条程序总线、3 条数据总线和4 条地址总线，使在一个机器 周期内，可以同时访问程序空间和数据空间，大大提高d s p 的运行速度。 ( 4 ) 优化的c p u 结构，内部有l d 4 0 位的算术逻辑运算单元、2 个4 啦加法器， 1 个1 7 位1 7 位硬件乘法器和1 4 4 0 位的桶形移位寄存器。特别是可以在一个流水线状 态周期内完成一次乘法和累加运算，处理器速度以数量级增长。 ( 5 ) 具有针对数字信号处理应用而设计的特殊指令，在特殊的硬件支持下完成 专门的运算，在别的计算机系统里需要一大段程序才能完成的任务，在d s p 里只需 要一条指令就能够完成。d s p 5 4 1 6 的指令集丰富，包含了4 种基本类型的操作：算术 指令、逻辑指令、程序控制指令、装载和存储指令。 ( 6 ) 数据的寻址方式有立即数寻址、绝对地址寻址、累加器寻址、直接寻址、 问接寻址、存储器映射寄存器寻址和堆栈寻址，灵活使用寻址方式可以使数据存储 器单元的访问更快速。 ( 7 ) 内部集成了不同容量的存储器以及自动缓冲串行口和主机接口等多种智 能外设。 ( 8 ) 工作频率高，在1 6 0 m h z 时钟下，时钟周期为8 3 3 n s ( 1 6 v 内核电压供电) 或6 2 5 n s ( 1 5 v 内核电压供电) ( 9 ) 三个低功耗方式( d u l 、i d l e 2 和d l e 3 ) ，可以节省d s p 功耗。 2 2 1d s p 5 4 1 6 的存储器配置 d s