基于DSP的数字扫描探针显微镜的方案

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。图
5所示是SPM控制板的结构框图。



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。

在对SPM电子控制系统和控制软件进行调试和改进后，笔者得到了如图6所示的金膜表面图像。



结束语

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。