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基于DSP的扫描探针显微镜的研究与应用

作　者: 张雪辉
导　师: 安连祥
学　校: 河北工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 扫描探针显微镜 纳米技术 压电陶瓷 数字信号处理器 直接数字集成器 主机接口 增强并行口
分类号: TN16
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
下　载: 209次
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内容摘要


纳米科技是指在纳米尺度(0.1～100nm)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。扫描探针显微镜是一种以物理学为基础，集多种现代技术为一体的新型表面分析仪器。它是纳米科技研究的主要工具，是世界上分辨率最高的显微镜之一。 本课题以北京市中科机电设备公司的Nspm-6800型扫描探针显微镜为基础，重新设计了以DSP为控制核心的控制系统，主要解决原系统存在的以下问题：(1)PC机既要实时控制数据的采集与发送，又要进行图像的后处理，整个系统的实时性难以达到要求；(2)随着SPM功能的扩展，一方面包括轻敲式原子力显微镜、电场力、磁场力、扫描容场显微镜等技术在内的SPM技术扩展了仪器的测试范围和功能，另一方面也意味着自动控制量的增加和数据处理量的增加；(3)16位A／D、D／A都采用的是购买的板卡，也通过ISA槽插在PC机内，成本高，不利于扩展；(4)另外，数字板通过ISA槽插在PC机内，易受于扰，而且给安装带来不便。 DSP具有实时性好，控制算法容易实现，信号处理简单等优点，这些优点对于扫描探针显微镜而言是非常重要的。论文研究开发了基于DSP的扫描探针显微镜，真正实现了扫描探针显微镜的集成化与智能化。 论文首先简单介绍了扫描探针显微镜的发展、分类、工作原理及应用；接着对TI公司的TMS320VC5402 DSP的特点及外围扩展作了简单介绍；然后分章节重点讲述了利用VC5402 DSP实现扫描探针显微镜的核心部件——压电陶瓷管的X向和Y向的光栅扫描控制；借助直接数字集成器(DDS)实现轻敲式原子力显微镜的微悬臂的“轻敲”；VC5402DSP的主机接口(HPI)与PC机在增强并行口(EPP)模式下的通信；论文最后还介绍了扫描管Z向的数字PID闭环控制，步进电机的自动进针，并对实际出现的一些电磁干扰问题作了讨论。

全文目录


第一章 绪论  7-11
  §1．1 纳米技术  7-8
  §1．2 扫描探针显微镜  8
  §1．3 SPM技术的国内外发展情况  8-9
  §1．4 DSP-SPM系统  9
  §1．5 本科题的主要研究内容  9-11
第二章 扫描探针显微镜简介  11-17
  §2．1 SPM的发展  11-12
    2．1．1 扫描隧道显微镜STM的诞生  11
    2．1．2 SPM家族  11
    2．1．3 SPM的结构与分类  11-12
  §2．2 压电陶瓷管  12-13
  §2．3 SPM的工作原理  13-15
    2．3．1 扫描隧道显微镜（STM）  13-14
    2．3．2 接触式原子力显微镜（Contact Mode AFM）  14-15
    2．3．3 轻敲式原子力显微镜（TappingMode AFM）  15
  §2．4 SPM的应用  15-17
第三章 数字信号处理器DSP  17-24
  §3．1 DSP的发展  17
  §3．2 TMS320VC5402  17-20
    3．2．1 DSP芯片的选型  17-18
    3．2．2 TMS320VC5402的特点  18
    3．2．3 TMS320VC5402的开发工具  18-20
  §3．3 DSP常用外围芯片  20-24
    3．3．1 双电源输出（3．3V、1．8V）稳压电源  20
    3．3．2 电子转换／驱动芯片  20
    3．3．3 数据锁存与三态缓冲  20-21
    3．3．4 快擦写存储器Flash Memory  21-24
第四章 光栅扫描控制  24-29
  §4．1 光栅扫描控制的基本原理  24
  §4．2 关键器件的选择  24-26
  §4．3 光栅扫描控制的实现  26
    4．3．1 原理图  26
    4．3．2 软件部分  26
  §4．4 扫描角度的偏转与扫描中心的偏移  26-29
第五章 “轻敲”的实现  29-33
  §5．1 TappingMode AFM  29
  §5．2 振荡频率的控制  29-31
    5．2．1 芯片的选择  29-30
    5．2．2 “扫频”  30-31
  §5．3 幅值的调节  31-33
第六章 HPI与PC机的并口通信  33-39
  §6．1 VC5402的主机接口HPI  33-35
  §6．2 EPP（Enhanced Parallel Port）增强并行口模式  35-36
    6．2．1 EPP协议  35-36
    6．2．2 EPP寄存器  36
  §6．3 HPI与PC机并口通信的实现  36-39
    6．3．1 可编程并行接口8255A  36
    6．3．2 增强型HPI-8与主机EPP的连接  36-38
    6．3．3 通信程序流程  38-39
第七章 扫描管纵向闭环控制  39-53
  §7．1 STM的闭环控制  39-43
    7．1．1 基本原理  39
    7．1．2 稳态响应  39-40
    7．1．3 瞬态响应  40-43
  §7．2 PID算法  43-45
    7．2．1 PID基本原理  43-44
    7．2．2 控制算法  44-45
  §7．3 接口电路  45-49
  §7．4 自动进针  49-50
  §7．5 系统噪声干扰分析  50-53
    7．5．1 噪声干扰来源种类  51
    7．5．2 降低噪声干扰的措施  51-53
结论  53-54
参考文献  54-56
附录  56-60
  附录A SPM纪事  56-57
  附录B 轻敲模式SPM的技术、质量指标  57-58
  附录C DSP试验板地址分配表  58-59
  附录D DSP-SPM系统原理图  59-60
致谢  60-61
攻读学位期间所取得的科研成果  61

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 真空电子技术 > 电子光学仪器
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