（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的新型spm系统硬件方案研究.pdf

s t u d yo ft h eh a r d w a r es o l u t i o no f an e wt y p ed s p s p ms y s t e m w a n gc h u n y u ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db yf a n gg u a n g r o n g a b s t r a e t b ya n a l y z i n gt h el i m i t a t i o n so ft h ep r e v i o u ss p ms y s t e mi no u rl a b ，an e wt y p es p m h a r d w a r es y s t e mw a sd e v e l o p e d ，w h i c hw a sb a s e do nt h et m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s po f t i w i t hi t ， c l o s e l o o ps c a no fc o n t a c tm o d ea f m h a db e e nc o m p l e t e d ab u s a r c h i t e c t u r ew a su s e di nt h es y s t e m ，a n dt h es y s t e mw a sm a d eu po ft h ed s p m a i nc o n t r o lb o a r d ，t h ea db o a r d ，t h ed ab o a r d ，t h eh i g hv o l t a g ea m p l i f i e rb o a r d ，t h e m u l t i f u n c t i o nb o a r da n dt h ep o w e rs u p p l ym o d u l e t h ei 0c o n t r o ll o g i co fe a c hf u n c t i o n b o a r dw a sr e a l i z e db yc p l d c o n s i d e r i n gt h ec o n v e n i e n c eo ft h es y s t e m su p g r a d ea n d i n c r e a s i n gf u n c t i o n ，m o s th i g hp e r f e r m a r m c ec h i p sw e r eu s e di nt h es y s t e m e m i f ( e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ) ，t h eg l u e l e s si n t e r f a c et oa16 m b i t ，2 - b a n ka n da 6 4 m b i t ，4 - b a n ks d r a mi nd s p ，o f f e r sa ni n t e r f a c ef o rh i g h s p e e da n dh i g h d e n s i t y m e m o r yt os y s t e md e s i g n e r s t h em a i nc o n t r o lb o a r du s e de m i ft oe x t e n da ne x t e m a lr a m a n daf l a s h ，a n dc o m m u n i c a t e dw i t hp cb yu s b 2 0i n t e r f a c e ，c y 7 c 6 8 0 1 3w a su s e da s u s bi n t e r f a c ec h i p t h ea d d r e s so fr a m 、f l a s h 、u s ba n da l lt h ef u n c t i o nb o a r d sw e r e m a p p e dt ot h ed s p sc e o c e 3s p a c e i no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h es y s t e m ，t h e1 6 - b i ta dc h i pa n dd ac h i pw e r e u s e di nt h ea db o a r da n dd ab o r a d f m t h e r m o r e ，an e wp o w e rs u p p l ym o d u l ew e r e d e s i g n e dt or e d u c et h es y s t e mn o i s e ，a n dt h eh i g hv o l t a g ea m p l i f i e rb o a r da n dt h em u l t i f u n c t i o nb o a r dw e r eu p d a t e da tt h es a l n et i m e a tt h ee n do ft h i sa r t i c l e ，s o m ep r b l e m sa b o u tt h es o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e mw e r e d i s c u s s e d ，s o m ef l o wc h a r t so ft h et e s tp r o g r a mw e r el i s t e d ，a n dt h es c a n n i n gw a v e f o r ma n d i m a g e so fc o n t a c tm o d ea f m w e r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ： s p m ( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ) ，d s p ，u s b 2 0i n t e r f a c e ，h i 曲一p r e c i s i o na da n d d a 第一章课题的背景和提出 1 1 纳米技术 第一章课题的背景和提出 纳米技术与信息技术、生物技术一起被称为2 1 世纪科技发展的三大热点。人类 正在进入纳米时代，纳米技术将对各行各业产生深刻的影响，纳米技术产品将渗透到 人类衣食往行各个方面，给我们的生活带来巨大变化。 微电子技术经过几十年的发展取得了辉煌的成就，在小小的硅片上刻印超密集的 大规模集成电路，电脑的体积越来越小而功能越来越多。但是，如果插上纳米技术的 翅膀，微电子技术将会有飞跃式的发展。纳米电子学的研究目标是要制造纳米级的晶 体管、导线等微电子元件，然后用这些纳米级的元件组装成“分子计算机”，这种电 脑的计算能力将是“奔腾”芯片的l o o o 亿倍，而体积可能如糖块、甚至米粒一样。 纳米技术与机器人技术结合，将制造出1 微米左右、小如尘埃的机器人，这种机 器人可以在人的血管里畅游，可以真正从内部对人体进行检查和治疗，比如疏通脑血 栓，清除血管里的沉积物，甚至还能吞噬病毒、消化癌细胞。这种机器人在军事上也 有重要用途，有的专家就提出了研制“尘埃间谍”甚至“尘埃刺客”的构想。小如尘 埃的机器人飘浮在空气中，神不知鬼不觉地接近敌方目标，刺探情报，甚至刺杀敌方 重要人物等等。 纳米科技在未来的应用可以说足无处不在。用不了多久，纳米布料、纳米陶瓷、 纳米钢、纳米药物、纳米涂料等等就会出现在我们的生活中。许多材料经过纳米化处 理后，将具有异乎寻常的优良性能。易碎的陶瓷可以变成韧性的，得到更加广泛的应 用；纳米金属材料将比普通金属材料坚韧几十倍；用纳米材料制成的自行车，重量将 只有几公斤；将防水、防油的纳米涂料涂在大楼表面或窗玻璃上，大楼将不沾油污、 玻璃也会永远透亮：甚至可以设想用防污的纳米纤维材料织成免洗涤衣物。纳米技术 用于制药，可以制成神奇的导弹型药物，这种药物可以像导弹一样，循着导引的方向 直达病灶部位，疗效大大提高。 目前，世界各国都意识到纳米科技的重要意义，许多国家纷纷制定相关战略计 基于d s p 的新型s p m 系统硬件方案研究 划，投入重兵，力图抢占纳米科技高地。新世纪来临之际，一场没有硝烟的“战争” 已经在纳米领域撩开了序幕。 这场世界性的角逐已经引起我国政府的高度重视。经过多年努力，目前我国已初 步建成纳米材料研究基地，有了一支颇具实力的研究队伍，并取得了一些引人瞩目的 成果，比如纳米硅基陶瓷系列粉的研制成功，使我国成为世界上能生产纳米粉的少数 国家之；最近，我国科学家又在各国同行中脱颖而出，实现了纳米铜在室温下的超 塑性被拉长了5 0 多倍而不断。 1 2 扫描探针显微镜( s p m ) 的发明与发展 在探索纳米世界的奥秘时，常要用到一种叫做扫描探针显微镜的仪器。借助这种 工具，不仅能观察到物体表面的原子和分子，而且还成功地实现了对原子和分子的直 接操纵和摆布。扫描探针显微镜的工作原理有点类似于盲人探路。它用一根超细微的 探针在物体表面扫过，探针感知的信息经电脑处理后，就能显示出物体表面原子和分 子的图像。不过，这是一根精细无比的“探路棍”其针尖只有原子般大小。 1 9 8 2 年，i b m 公司苏黎世实验室的葛宾尼( o e r db i n n i g ) 博士和海罗雷尔 ( h e i n r i c hr o h r e r ) 博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器 一扫描隧道显微镜( 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 ，以下简称s t m ) 。它的出现，使 人类第一次能够实时地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，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义 和广阔的应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。为表彰s t m 的发明者们对科学研究的杰出贡献，1 9 8 6 年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。 1 3 s p m 的分类、优点及应用领域 在s t m 出现以后，又陆续发展了系列工作原理相似的新型显微技术，包括原子 力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，以下简称a f m ) 、横向力显微镜( l a t e r a l f o r c em i c r o s c o p e ，以下简称l f m ) 等，这类基于探针对被测样品进行扫描成象的显微 镜统称为扫描探针显微镜( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ，简称s p m ) 。 2 第一章课题的背景和提出 原子力显微镜发明以后，又出现了一些以测量探针与样品之间各种作用力来研究 表面性质的仪器，例如：以摩擦力为对象的摩擦力显微镜、研究磁场性质的磁力显微 镜、利用静电力的静电力显微镜等。这些不同功能的显微镜在不同的研究领域发挥着 重要的作用。 s p m 主要有以下一些优点： ( 1 ) 原子级高分辨率。其中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 n m 和0 o l n m ，即可以分辨出单个原子，具有原子级的分辨率。 ( 2 ) 可实时地得到样品表面的三维图像，可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可用于表面扩散等动态过程的研究。 ( 3 ) 可以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。 ( 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，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。 ( 5 ) s t m 配合扫描隧道谱s t s ( s c a n n i n gt u n n e li n gs p e c t r o s c o p y ) 可以得到有关表 面结构的信息。 它的应用领域有： ( 1 ) 在纳米范围内，s p m 已在表面科学、材料科学、生命科学等各个领域获得了广 泛应用。 ( 2 ) s p m 在生物和有机材料一领域有着广泛的应用前景。 ( 3 ) s p m 不仅能够对样品表面进行成像，而且还能在纳米尺度上对材料表面进行加 工。 14 实验室现有s p m 的体系结构 实验室当前的s p m 系统采用p c i 卡形式的a d 、d a 板，p c 机通过该p c i 卡与s p m 头部及控制器进行操作，而诸如扫描管驱动高压放大和头部信号处理等电路全部放在 了s p m 控制器中。如图i 所示。 这种结构有如下缺点： ( 1 ) 实现a d 、d a 、i o 功能的p c i 插卡需要开p c 机箱插拔 3 基于d s p 的新型s p m 系统硬件方案研究 ( 2 ) a o 、d a 的精度不够高，只有8 位或1 2 位精度 ( 3 ) p c 机箱内的开关电源对高精度的a d 、d a 环节有很大干扰 ( 4 ) p c i 卡的底层驱动在某些机器上不兼容 ( 5 ) p c 直接对底层进行操作，达不到通用平台的要求 ( 6 ) 由于p c i 卡每次只能对一路信号寻址，限制了系统的实时性 ( 7 ) 闭环p i d 调节由模拟电路实现，参数整定不够灵活 15 本课题的主要任务 j d d a 】，0 ，弋 广 图1 1 基于p c i 卡的s p m 系统结构图 鉴于前面所述的现有s p m 系统在结构和功能上均有不足之处，本课题在利用先进 数字技术的基础上提出一种全新的s p m 系统的体系结构，并且增添了许多功能。 ( 1 ) 采用基于d s p 的控制板对整个s p m 控制器进行底层控制，并且采用u s b 2 0 接 口与上位机通讯。 ( 2 ) 重新选取1 6 位a d 、d a 转换芯片，提高系统精度。 ( 3 ) 重新设计高精度a o 、d a 板卡，放到p c 机箱外面，避免p c 机箱内部恶劣环 境对a d 、d a 环节的影响。 ( 4 ) 重新设计高压放大驱动板和多功能信号板，在器件选择上采用一些新型器件， 在结构上预留一些接口，为将来实现扫描管数字纵向闭环控制以及x y z 三方向的全反 馈控制提供硬件环境。 ( 5 ) 重新设计系统电源，使得各项指标较以前的均有较大提高。这个也是提高系统 性能的关键。 4 第二章扫描探针显微镜原理和主要技术 第二章扫描探针显微镜原理和主要技术 2 1 扫描隧道显微镜( s r m ) 的基本原理 2 1 1 隧道效应 根据量子力学理论的的基础知识可知，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间的势垒从一端向另一端跃迁， 这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧道效应，而跃迁形成的电流叫做隧道电 流。这种隧道电流有一种特殊的性质，即隧道电流大小和隧穿势垒宽度的指数成反 比。在势垒宽度为几埃时，如果把距离减少o 1 纳米，隧道电流就会增大一个数量 级。 公式： i t v e - c d ( 2 - 1 ) i t 一隧道电流 v 一偏置电压 。c 与材料有关的常数 d 样品与针尖的距离 2 1 2s t m 的工作原理 图2 1s t m 的针尖与样品 5 基于d s p 的新型s p m 系统硬件方案研究 扫描隧道显微镜的工作原理就是利用隧道电流对隧道距离的极端敏感性。将被测 样品作为一个电极，将作为另一个电极的极细探针靠近样品，就会发生隧道效应，产 生隧道效应电流。当控制压电陶瓷使探针在样品表面扫描时，由于样晶表面高低不平 而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化。控制和 记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率 的形貌图像。图2 2 就是扫描隧道显微镜的工作原理示意图。 2 2 原子力显微镜的原理 图2 2s t m 工作原理示意图 扫描隧道显微镜的最大不足之处在于它仅能观察导体和半导体的样品，对于非导 体的材料，由于不能产生隧道效应，它就无能为力了。因此宾尼博士和奎特教授又进 一步研制成功了可观察绝缘材料的原子力显微镜，扩大扫描探针显微镜的家族。 原子力显微镜根据扫描时测量方式的不同可分为下面几类： 接触式原子力显微镜( c o n t a c tm o d ea f m ) 非接触式原子力显微镜( n o n c o n t a c tm o d ea f m ) 轻敲式原子力显微镜( t a p p i n gm o d ea f m ) 鉴于本课题所研制的仪器主要同于实现接触式和轻敲式两种模式的原子力显微 镜，所以下面就着重介绍这两种。 22 1 接触式原子力显微镜( c o n t a c tm o d ea f m ) 6 第二章扫描探针显微镜原理和主要技术 接触式原子力显微镜的工作原理是，一个用光刻技术制成的对力非常敏感的“v ” 字形微悬臂，其尖端有一个微小的探针，这种微悬臂既可以感受到微弱的原子间的作 用力( 1 0 。7 n 1 0 1 ”n ) ，又可以成功地采用“v ”型结构抑制图像的扭曲畸变。针尖端曲 率很小( 一般小于3 0 n m ) ，保证了a f m 的分辨率。当探针轻微地接触样品表面时，由于 探针尖端的原子与样品表面的原予之间产生极其微弱的库仑排斥力( 通常约为1 0 一 1 0 。1 1 n ) 而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可 以得到原予之间力的微弱变化的信号。当针尖进行扫描时，可通过反馈系统控制压电 陶瓷管伸缩来保持原子间的作用力恒定。利用一束激光照射到微悬臂的背面，微悬臂 图2 3 原子力与距离的关系变化图及a im 示意图 将激光束反射到一个光电检测器，检测器不同象限接收的激光强度差值与微悬臂的形 变量呈一定比例关系，由此得到样品表面形貌图像，其如图2 3 所示。 从这里可以看出，原子力显微镜设计的高明之处在于利用微悬臂间接地感受和放 大原子之间的作用力，从而达到检测的目的。 原子力显微镜同样具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也 可以观察非导体，从而弥补了s t m 的不足。 2 2 2 轻敲式原子力显微镜( t a p p i n gm o d ea f m ) t a p p i n gm o d e 是a f m 中的一种动态工作模式。在这种模式下，针尖远离样品表面 7 基于d s p 的新型s p m 系统硬件方案研究 ( 大约1 0 0 纳米) 。微恳臂在压电晶体的驱动下，以2 0 n m 1 0 0 n m 的振幅在其共振频 率( 5 0 5 0 0 k h z ) 附近振荡。在扫描过程中，针尖轻轻地敲打样品表面，仅在振荡曲 线的底部接触样品表面。利用闭环系统( 图2 4 所示) ，片j 微悬臂的振动幅值作为反 馈信号，保持微悬臂的振幅恒定，在保持振幅恒定的同时，针尖与样品间的作用力也 保持恒定。把扫描管在( x ，y ) 垂直方向的数据存入计算机，用以获得样品表面的形 貌图。 图2 4 轻敲模式a f m 原理图 由于针尖同样品接触，分辨率几乎同接触式的一样好；同时由于为垂直敲击方 式，接触时间非常短暂，因此由剪切力引起的对样品的破坏完全消失，克服了传统的 接触模式原子力显微镜中，针尖被简单地拖拉跨过样品而受到相关联的摩擦力，粘着 力，静电力等的影响。轻敲模式中针尖一样品问的作用通常为1 0 1 0 12 n ，非常有效 地克服了在扫描过程中，针尖划伤样品的弊病，它可以对柔软、易碎和粘附性较强的 样品成像，而对它们不产生破坏，非常适合检测有生命的生物样品。 2 2 3 轻敲模式下的相位成像 作为轻敲模式的一项重要扩展技术，相移模式通过检测驱动微悬臂探针振动的信 号源的相位角与微悬臂探针实际振动的相位角之差( 即两者的相移) 的变化来成像。 在轻敲模式中，由于振幅是闭环回路的被控量，因此是恒定的，而频率也恒定( 即微 8 第二章扫描探针显微镜原理和主要技术 悬臂的固有频率) ，唯一变化的是激励信号和驱动信号的相差，它在自由振动时为0 ： 在与样品表面接触而做受迫振动时则由样品表面性质决定了它的值，因此相差包含了 样品表面性质的丰富信息 引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘弹性质等。因此利用相移模 式，可以在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。迄今相移模式已成为原子 力显微镜的一种重要检测技术。 相位成像技术是轻敲模式a f m 应用的一个重大突破，可以揭示出高度图无法观测 到的关于材料表面性质的纳米尺寸结构，提供了其它s p m 技术通常所不能提供的样品 表面的纳米级信息。在用t a p p i n gm o d ea f m 作图像的同时启动相位成像，既不会影响 原来的扫描速度，也不会影响图像的分辨率。 由于相位的滞后效应与材料的诸多特性如吸附性和黏弹性非常敏感，所以它在观 察较软的黏性的或易损伤的样品中具有较大的优势。同时相位成像可以强化片层和颗 粒边缘的形貌和精细结构，而不受材料高低起伏的影响。 相位成像现在主要应用于：混合物特性的研究、表面摩擦力和粘着力成像、以及 表面污染物的辨别等，其应用领域还在不断扩展。在纳米尺度，卜进一步研究材料的特 性，相位成像技术不可缺少。 2 3 扫描探针显微镜的关键技术 在s p m 技术中，探针在x y 方向上的扫描动作和z 方向上的进退是由压电陶瓷控 制产生的。压电陶瓷管作为关键的部件，具有非常重要的地位。本节就着重介绍一下 压电陶瓷管的结构、性质、扫描驱动技术以及扫描反馈回路的控制，最后就轻敲模式 的若干关键问题以及解决方案作了讨论。 2 3 1 压电陶瓷管 压电陶瓷具有许多突出的优点。它可在电压控制下获得较高的位移分辨率。同 时，由于其频率响应高、动态响应快、承载大、良好的机械静压力特性、结构简单及 受外力干扰小，能够提供推动微位移机构的力，并保证足够的运动刚度。 9 基于d s p 的新型s p m 系统硬件方案研究 2 3 1 1 压电陶瓷管的工作原理 压电陶瓷( 由钛酸铅和锆酸铅组成的多晶固溶体、简称p z t ) 是具有压电效应的压 电材料。在经过极化处理的陶瓷体上沿其极化方向施加一个机械力( 或释放压力) 时， 陶瓷体就会产生充( 放) 电现象，即正压电效应；反之，若在陶瓷体上施加一个与极化 方向相同( 或相反) 的屯场，则会引起陶瓷片伸长( 或缩短) 的形变。这就是逆压电效 应，利用压电陶瓷的逆压电效应可产生微位移。 告毒 n oa p l l i c dv o l t a i c e t e n d e d 厂 l 图2 5 锆钛酸铅陶瓷加不同电压产生的形变 对于压电陶瓷的形变和所加电压之间，有公式： s 2 d * e ( 2 - 2 ) 其中，s 为应变矢量；d 为压电应变系数；e 为外加电场。 2 31 2 s p m 中压电陶瓷的典型结构 图2 6 管形压电陶瓷结构 适用于s p m 的压电驱动器共有三种形式，即三角架、双压电晶片以及管形扫描 1 0 第二章扫描探针显微镜原理和主要技术 器。其中管形扫描器具有较高的压电元件常数以及较高的共振频率，且远比前两种简 单等优点，目前在s p m 中应用较广。在p z t 上旌加毫伏到百伏量级的电压就可实现埃 到微米量级的位移。 图2 6 为当前最常使用的压电陶瓷管扫描器的结构。把压电陶瓷管的外表面等分 成四个电极作为水平扫描面上两个正交方向x 和y 的扫描电极，而整个管的内壁则作 为调节针尖高低的z 向电极。当在x 、y 极加上单位电压时，陶瓷管在x 、y 方向上 的偏转度，在理论上可以算出： k ：x = k r 2 - f 2 d 3 j l 2 加h ( 2 3 ) 式中d 为管子中径，h 为管壁厚，d 。为压电系数( 代表沿某个轴产生的应变与沿 同一轴或不同轴的电场强度之比，第一个下标表示所加电场的方向，第二个下标 表示产生应变的方向) ，l 为管长。系统使用的扫描管，l = 2 5 4 m m ，d = 6 2 5 r a m ， h = o 5 m m ，也。= l - o m v 。可以算出： 耻耻煮31 4 篡62 5 等1 0 需051 0 引s a 删 c z 叫 “。 一j 一j 、7 在工作电压v = 1 5 0 v 时， x = y = 1 5 0 v 1 8 6 a v 2 ，8 m 即探针的扫描范围约为6j j c n 2 3 2 光栅扫描控制 如果把极性相反的两个三角波分别加到压电陶瓷管的两个相对的x 电极上，则管 的一边伸长，而另边缩短。这就使得压电陶瓷管向负电极一侧弯曲，从而实现了针 尖的水平方向的位移。同时，把速度缓慢得多的极性相反的两个三角波分别加到两个 相对的y 电极上，进行扫描，即可扫过样品的矩形表面。如图2 7 所示。 扫描范围的大小由输出三角波的峰峰值决定，扫描角度可由软件实现。下面给出 了实现扫描角度偏转和扫描中心偏移的算法： 基于d s p 的新型s p m 系统硬件方案研究 换。 x n e w = ( x + c o s ( s c a n a n g t e ) 一y + s i n ( s c a n a n g l e ) + o f f s e t _ x ) y n e w = ( x + s i n ( s c a n a n g l e ) + y + c o s ( s c a n a n g l e ) + o f f s e t _ y ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中s c a n a n g e 为扫描偏转角度，o f f s e t x ( y ) 为偏移量。其实就是一个坐标变 ， i 二j j 二：二，一 - j 。1 | i ，。j j 。二上 卜 。 一v y1 ) ! f 1 - - 一- - v j v y r 图2 7 光栅扫描控制驱动波形其空间示意罔 23 3 扫描管纵向闭环控制系统 以s t m 的闭环控制为例，来讲述s p m 的z 方向闭环控制。a f m 的闭环控制的基本 原理与之相同，只是采样信号不再是针尖与样品间的隧道电流，而是微悬臂反射到光 电接收器的光起伏信号。 对弦搬戈器 静量运故 图2 8 扫描管纵向闭环控制系统框图 1 2 v j 一 v i r x x 第二章扫描探针显微镜原理和主要技术 如图2 8 所示，为s t m 闭环系统框图。由于反馈回路采样得到的隧道电流非常小 ( 其范围一般是o t n a ) ，因此在与设定值比较之前必须经过前置运算放大器，把隧道电 流放大约1 泸倍，同时也把它转换为电压信号v ，( 其范围一般为o 7 0 0 m v ) 。v ，经过对数 放大器后得到和距离呈线性关系的电压v 。，v 。再经过a d 采样送入d s p 中与设置值 i s e t 比较后就得到闭环系统的误差信号e 。误差e 由数字p i d 算法处理后，其结果经 过d a 转换器送入高压运算放大器得到v ：( 使d a 输出的电压范围由l o v 放大到 1 5 0 v ) 。v ：就用来控制压电陶瓷管的z 向的伸缩，从而在闭环p i d 控制器的作用下使隧 道电流保持恒定。 扫描过程中，如针尖遇到样品表面凸起，即针尖和样品间的距离减小，根据隧道 电流和距离呈负指数关系( v e 1 “) 。隧道电流i 。增大，相应有误差变小，经过p i d 控制器输出也必然变小，也就是加在压电陶瓷管上的电压v 。最终减小，那么压电陶瓷 管就会相对收缩，增大针尖与样品间的距离，以保持隧道电流不变。总之，反馈电回 路的功能就是使针尖以最快的速度精确地追随恒定的隧道电流等值线。 s t m 、接触式a f m 和轻敲式a f m 的根本区别在于所应用的物理效应不同，也就是闭 环回路中的被控量不同( 分别是隧道电流值、微悬臂形变量、微悬臂振幅值) ，但是 都达到了针尖跟踪样品表面起伏的目的 回路中控制器的策略采用p i d 控制。对于s p m 系统来既，由于微分环节会增大高 频噪声，所以一般不被采用。当l o 倍于k 。超调是减少了，但并不明显。k ，为负值 时，有时会降低高频噪声，但同时却增大了超调。般来讲如果程序执行时间有限， 去掉微分环节可以减少一些指令周期。鉴于上述原因，系统中的p i d 控制器没加微分 环节。 系统设计时为软件p i d 控制和硬件p i d 控制两种形式都预留了接口。硬件p i d 是 指p i d 控制器全由硬件组成，而软件p i d 则指在d s p 内部由软件实现p i d 算法。由于 硬件p i d 技术已经应用在实验室现有的s p m 系统中，相对比较成熟。而软件p i d 控制 器不太成熟。所以在系统调试初期，仍然采用硬件p i d 控制策略。待整个系统调试完 毕之后再采用软件方法调试，可以更加灵活地应用各种控制策略。 2 3 4 轻敲模式的若干关键问题 1 3 基于d s p 的新型s p m 系统硬件方案研究 前面已经介绍过轻敲模式的基本原理，这一节将介绍一下轻敲模式的具体实现方 案，包括驱动信号的产生、调幅以及扫频控制。 2 341 振荡信号的产生 在介绍轻敲式a f m 模式的时候已经知道，在安装探针的座上固定了一块压电陶 瓷，扫描时通过把正弦信号加到这块陶瓷上就可以使探针带动微悬臂以激励信号的频 率振荡。本系统中信号的产生选用美国a d 公司的a d 9 8 3 2 芯片，它是一个直接数字频 率合成器d d s ( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ) 。 a d 9 8 3 2 是一种应用了先进d d s 技术的高集成元件，它的内部结构如图2 9 所示。 其内部集成了数字控制震荡器、正弦查找表、频率和相位调制器，以及一个高速优质 的d a 转换器，可用作完全数字编程的频率合成器和时钟发生器。给定+ 个精确的时 钟源，a d 9 8 3 2 就会产生非常准确的频率、相位均可调的正弦波。a d 9 8 3 2 的d d s 核提供 了一个3 2 位的频率调整字，最高时钟输入可达2 5 m h z ，频率精度达到四十亿分之一。 a d 9 8 3 2 的电路结构允许输出频率最大为参考频率的i 2 ，即最大输出频率为1 2 5 m h z 。 它还有十二位用于调整相位。 d v d od c i d v d 口 a g n dr e f o u tf s a d a u u s tr k f i n f s y 雌s c l ks d t 图2 9a d 9 8 3 2 内部结构图 1 4 第二章扫描探针显微镜原理和主要技术 a d 9 8 3 2 的频率调节、控制及相位调整字的输入为串行方式，一条时钟线s c l k ，一 条数据线s d a t a ，还有一条数据同步信号f s y n c ，输入时序如图2 1 0 所示。一共有三 种命令格式，第一种是写数据命令，用于向芯片送频率数据和相位数据，以及送内部 多路开关( 用于控制两个频率寄存器和四个相位寄存器) 的的位控制信号；第二种是 控制模式控制字，用于指明内部频率寄存器和相位寄存器的选择是由内部控制位确定 还是由外部控制管教确定；第三种是工作模式控制字，用于指明该芯片省电工作模 式，以及复位和清除。 a d 9 8 3 2 的输出频率与输入时钟的关系如下 厶u ，= ( & f r e q 。c l k i n ) 2 ” 其中，f r e q = 3 2 位频率调整字对应的值 s c l k f s y n c 晓肼= 参考时钟的频率，单位；m h z 矗，= 输出信号的频率，单位：m h z ( 2 7 ) 印妒 、几 _1 8 t 1 口卜 叫b 王互) c 巫 = ) c 互丈亘) 互 23 ，4 2 信号调幅 图2 1 0a d 9 8 3 2 数据输入时序图 微悬臂振荡的峰峰值是由d d s 输出的正弦波的峰峰值决定的，但a d 9 8 3 2 的输出幅 值是一定的，这就需要增加一个信号调幅电路。 选用一片8 位d a 转换芯片a d 7 5 2 3 。并且把把d d s 的输出作为它的参考输入。根 据d a 转换器的输出公式： 。，= 了n ( 2 - 8 ) 1 5 基于d s p 的新型s p m 系统硬件方案研究 其中，= d a c 的输出电压 ，= d a c 的参考输入电压 = d a c 的数字输入量 7 = d a c 的位数 d a 转换器的正弦波输出峰峰值就由其数字输入量n 决定。为了使得调幅后的幅 值能够有一部分大于输入信号，在d a 的输出端又加接了一个放大倍数为2 的放大 器，那么公式就变为： ，：i n 2 ：鲁( 2 - 9 ) 因为所用d a 芯片a 0 7 5 2 3 是8 位的，故位数a = 8 ，那么输入数字量n 的范围是 0 2 5 5 。代入上述公式可知，经调幅之后的信号幅值约在原信号幅值的o 2 倍之间变 化，具体是多少则由a d 7 5 2 3 的输入数字量决定。 2343 扫频控制 对d d s 器件输入不同的3 2 位频率调整字，就会输出不同频率的正弦波。要想使 微悬臂在其共振频率附近振荡，即找到微悬臂的共振频率，就需要通过“扫频”过程 确定。在物理原理上，激励信号和响应信号的相差为0 、或者说响应信号的振幅达到最 大，这就是共振。“扫频”就是通过d d s 输出不同频率的驱动信号从而寻找微悬梁共 振频率的方法。 在硬件上，微悬臂的振幅信号通过一路a d 送到c p u ，用以检测振幅变化。从d d s 出来经调幅后的驱动信号一方面接到微悬臂上的振荡压电陶瓷，另一方面接到一个鉴 相器上，同时微悬臂的振荡响应信号经四象限光敏检测器检测之后也接到鉴相器上， 这样微悬臂的激励信号和响应信号的相差就由鉴相器给出，然后再通过一路a d 接到 c p u ，这个是提供给轻敲模式下的相位成像使用的。 “扫频”过程是这样的：控制d d s 的正弦波输出从o h z 到2 1 k t z 以l o o h z 为步长 开始扫频，同时c p u 不断监测微悬臂的振幅信号，直到找到最大值为止。用这种方法 找到微悬臂共振频率的大致范围，在此频率范围内，缩小步长，进一步扫频，重复操 作，最终确定微悬臂的共振频率。 在这里需要特别指出的是，在扫频阶段，微悬臂是空载的，也就是说探针是悬空 1 6 第二章扫描探针显微镜原理和主要技术 的，仅仅是由于激励信号的频率不断发生变化才使得微悬臂的激励信号和响应信号的 相差不断变化，而相差为0 的那一点就是微悬臂的共振频率。而在扫描时，激励信号 固定在微悬臂的固有频率上，反馈回路控制微悬臂的振幅恒定。此时激励信号和响应 信号的相差则由样品表面的性质决定，这也是相位成像的原理。 图2 1 l 给出了微悬臂发生谐振的情况。把幅度为3 5 v 的j f 弦波加载到压电晶 体，在4 3 k h z 4 7 k h z 的频率范围内，以步长4 h z 扫频，最终确定微悬臂发生谐振时的 频率是4 4 8 1 6 h z ，此时它的振幅为8 5 4 2 r i m 。 图2 1 1 微悬臂发生共振 1 7 基于d s p 的新型s p m 系统硬件方案研究 第三章d s p - s p m 系统体系结构以及d s p 主控板的设计 在前面所述的基础上，本节着重阐述一下整个d s p s p m 系统的体系结构，功能模 块划分方案，以及d s p 主控板的设计。 31s p m 控制器总体方案设计 3 11s p m 控制器功能分析和模块划分 从s p m 控制器的功能来看，基本上可以分为以下几个模块： ( 1 ) 高精度的系统电源。主要有+ 5 v 、士1 5 v 和1 5 0 v 电源。其中+ 5 v 用于给控制 器硬件中的数字电路部分供电：1 5 v 用于给模拟电路以及步进电机等供电：1 5 0 v 电源用于给驱动压电陶瓷管的高压放大电路供电。 ( 2 ) d s p 控制板。用于整个硬件系统的控制。包括一些外围扩展芯片和u s b 接口芯 片，以及实现芯片间接口逻辑的c p l d 等等。 ( 3 ) 1 6 位d a 转换电路。用于产生光栅扫描三角波以及预置反馈回路的隧道电流 值等。 ( 4 ) 1 6 位a d 转换电路。主要用于对图像数据进行采集，也采集四象限光敏检测 器的输出以在上位机软件中实时显示激光光点的位置。 ( 5 ) 压电陶瓷驱动信号的高压放大电路。 ( 6 ) 多功能信号板。顾名思义，功能比较多。主要有：四象限光敏检测器信号的后 续运算处理电路；步进电机硬关断电路：硬件p i d 控制器；s t m 模式时的针尖与样品之 间的偏压产生电路：给激光源供电的恒流源电路；d d s 频率发生及调幅电路；t a p p i n g 模式下相位成像时激励信号和响应信号的鉴相电路，等等。 因此，在硬件设计时，大体上按照上述的功能叙述，将硬件设计为7 块板子。为 方便后面的叙述，依次称之为：高压电源板、低压电源板、d s p 主控板、d a 板、 d 板、高压放大板和多功能信号板。其中电源部分低压和高压各一块，其余的电路各一 块板。在设计时有少许的调整，这在后面章节介绍各个电路板的设计时再详细介绍。 1 8 第三章d s p s p m 系统体系结构以及d s p 主控板的设计 3 1 28 p m 控制器设计原则 设计这套系统时，为了尽可能改善和提高系统的性能并且跟踪国际上的先进技 术，也为了能够降低调试难度，本着下面的一些原则： ( 1 ) 多功能信号板和高压放大板中，一些基本的功能硬件电路尽量采用实验室已经 研制成功的h l i i 型s p m 控制器中比较成熟的方案，避免调试过程中出现一些意想不 到的困难，降低调试难度，只是在器件的选择上有所变动。 ( 2 ) a d 、d a 板是提高系统精度的关键，先前系统的a d 、d a 板是8 位的，精度 满足不了要求，因此新系统中提高到1 6 位，需要重新设计电路。低压电源板也是出于 提高精度降低噪声的要求而重新设计的。 ( 3 ) d s p 主控板是以前的系统中所没有的，因此在选用高速高精度器件的同时，特 别注意了方案的可靠性。 ( 4 ) 在器件的选择上，在成本允许的情况下尽可能采用高性能的器件，这样既有利 于提高系统的性能，又为今后系统进一步升级留下足够余地。 ( 5 ) 为便于调试升级以及增加功能等，系统采用了自定义的总线结构进行通信。各 块功能板都分配了不同的地址，由d s p 通过地址对各个功能模块进行访问。而各个板 与总线之间的接口逻辑以及板上的一些粘合逻辑都采用c p l d 技术实现，极大地方便了 调试。 本系统设计的目的不仅仅是通过改变控制器的体系结构和改进电路来提高系统性 能，最终还要通过d s p 实现数字p i d 控制，以及x y z 三方向的全反馈控制。因此，在 系统中采用了大量电子开关为将来添加上述功能预留了接1 2 1 。这些也将在后面的章节 中详细介绍。 3 1 3s p m 控制器结构图及系统描述 下面给出s p m 控制器的结构框图，并且从总体上对之进行叙述。 如图3 1 所示，该数字式s p 8 系统控制器的六大功能模块( 分别是电源系统、d s p 主控板、d a 板、a d 板、高压放大板和多功能信号板) 都通过系统总线相连接。由于 s p m 系统是一个高精度的仪器，所以在各个模块上都精心设计，力求降低整个系统的噪 声，提高各个环节的精度和抗干扰能力。另外在本系统中控制器与上位机的通信采用 1 9 基于d s p 的新型s p m 系统硬件方案研究 了u s b 2 0 接口，不但大大提高了通信速度( 理论上可以达到4 8 0 mb i t s ) ，而且可以 实现即插即用，极大地提高了仪器的性能，方便了用户。目前国内未见报道有类似结 构的仪器。 u 计钟：机剖电源模块 厂1 f 。圉。i 1卜 a d 转换板 彳f 系 厂 ；b 总线i 统 jl 总 线 1 卜、d 。储换扳 d s l ，t 挖板 n ，怒= = 剖信善端籍板 1 卜、 们 s f m 头舟j - ：刊黜龋p 图3 1 基于d s p 的s p m 控制器结构图 d s p 板主要实现对各个模块的控制和z 方向的数字闭环，并且将采集得到的图象 数据通过u s b 口发送给= l = i i l , 。d s p 所完成的任务主要有： ( 1 ) 通过d a 发送三角波驱动压电陶瓷管带动微探针在样品表面扫描 ( 2 ) 通过a d 采集当前探针形变量( a f m 模式下) 或者隧道电流( s t m 模式下) 或者 相位信息( p h a s e 模式下) 。 2 0 第三章d s p s p m 系统体系结构以及d s p 主控板的设计 ( 3 ) 从u s b 接口接收来自p c 机的命令并且下达各部件执行，包括当前坐标设定、 隧道电流的设定、步进电机的驱动、相位模式下的探针扫频用d d s 器件合成频率等。 ( 4 ) 向u s b 口发送扫描图像的数据，p c 对这些数据处理之后得到扫描图像。 ( 5 ) 探针z 方向的数字p i d 控制回路，用来实现对z 方向( 高度、隧道电流、形变 量等) 的数字p i d 控制。 从上述功能描述看出，仪器和p c 机的接口所上传的数据主要是s p m 系统的图像信 息，因此数据量比较大。再加上s p m 本身是一个高精度的仪器，对低噪声的要求非常 高。原来的系统采用的p c i 卡在机箱内，开关电源对高精度的a d 、d a 环节有很大干 扰。所有这些方面，都要求对仪器系统作一个大的改进，那么，采用高速的、能即插 即用的u s b 接口就势在必然。 电源系