基于DSP的數(shù)字掃描探針顯微鏡的硬件解決方案研究

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作者：華中師范大學李小飛楊特育李亞蘭,李超純時間：2007-01-05 來源：電子元器件應用

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  技術方案與實用技巧

數(shù)字掃描探針顯微鏡（scanning probe microscope，SPM）是研究納米的重要工具，它利用探針和樣品的不同互相作用來探測表面或界面在納米尺度上表現(xiàn)出的物理性質和化學性質，它的問世對表面科學、物理學、微電子學、電子材料學、先進材料和納米材料等研究領域技術重要的意義，與此同時，數(shù)字信號處理技術已經發(fā)展得相當成熟，DSP技術也已經廣泛地應用于通信、測量、多媒體、消費電子產品等領域，由于把DSP和SPM結合在一起是SPM儀器發(fā)展的必然方向，它能使SPM性能更趨于完善，為此，本文介紹如何用TMS320C5416來實現(xiàn)這一設想！

SPM系統(tǒng)方案及其缺陷

現(xiàn)有的SPM系統(tǒng)主要基于PCI形式，該方案中，計算機通過PCI卡和SPM控制板保持通信，整個電子控制系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

　　整個電子控制系統(tǒng)的流程圖

此系統(tǒng)由掃描器、電子控制板和控制處理軟件三部分組成，其中掃描器是執(zhí)行部分，它通過步進馬達和壓電陶瓷管的三維伸縮來實現(xiàn)掃描探針對樣品表面的掃描；控制處理軟件是中央控制部分，通過控制軟件可設置掃描參數(shù)、對掃描過程實行實時調節(jié)和監(jiān)控（再線掃描控制）以及對掃描圖像進行分析

處理（離線數(shù)據分析），電子控制板則是連接控制軟件和掃描器的中間部分，擔負著在掃描過程中的將控制軟件下達的指令時實的轉化為對掃描器的具體操作任務，因此，電子控制系統(tǒng)的精確程度和對指令的反應速度直接影響著成像的效果，設計好的電子控制系統(tǒng)對整個STM來說至關重要。

雖然基于PCI形式的系統(tǒng)在一般控制、傳輸速度及成像效果上都能達到基本要求，但作為精密儀器，其效果還遠不夠，主要缺點如下：

（1）PC機的開關電源對高精度的A/D，D/A芯片干擾太大。

（2）PCI卡每次只能對一路信號尋址，系統(tǒng)的實時性較低。

（3）由于需要較大的計算資源開銷并要運行一個復雜的非線性校正算法，該控制板需要一個處理能力強的處理器。

（4）存儲器及握手方式不夠理想。

系統(tǒng)設計思想

為了解決上述缺點，筆者給出了一種基于DSP的新型數(shù)字式SPM系統(tǒng)的設計方案，新方案的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　新方案的系統(tǒng)框圖