AFM工作台扫描控制电路的设计

　　1 引 言

　　随着纳米技术的迅速发展, 纳米材料的广泛使用, 原子力显微镜( AFM)[1]的应用已经较为普及, 但我国仍基本依赖进口, 这大大限制了 AFM 在国内的推广应用, 从而在很大程度上制约了我国纳米科技的发展。为此迫切需要将 AFM国产化,并根据国情尽可能提高仪器的性能/价格比。近年来, 我们实验室在 AFM的研制和应用方面做了大量的工作[2～4]。

　　本文所设计的 AFM系统的功能结构如图 1 所示, 当控制电路驱动工作台在 X、Y 方向扫描时, 探针针尖原子与样品表面原子之间的 Z 向距离发生变化, 原子间作用力与原子间距离成一定的曲线关系, 原子间作用力的变化引起微悬臂的偏转。该偏转量被光电转换器 ( PSD) 检测到并转化为电信号与 Z 向初始信号进行比较, 得到的偏差值经过 PI 校正后驱动工作台 Z 向移动。

　　根据 AFM系统框图, 将扫描控制电路分为以下三个模块: CPLD 控制模块、XY 向扫描控制模块以及 Z 向扫描控制模块。

　　2 CPLD 控制模块

　　采用ALTERA公司的MAX3000A系列芯片EPM3128A,它是一种具有高密度结构的可编程逻辑器件。它具有以下特征:

　　( 1) 2500 个可操作门,128 个宏单元和 8 个逻辑阵列块;

　　( 2) 最多 98 个通用 I/O 口;

　　( 3) 接口逻辑延时 5 ns, 计数频率高达 192.3 MHz;

　　( 4) 芯片核心运行电压 3.3 V, 高电平输出 3.3 V;

　　( 5) 通过 JTAG( 联合测试行动组) 技术, 可实现对系统内部编程。

　　在所设计的 AFM 系统中采用了两片 CPLD 控制芯片, 主要用于实现数字信号的通信以及串行数据、并行数据之间的转换。CPLD1 处理的信号包括: X、Y 方向位移信号和 Z 向初始信号。CPLD2 处理的信号为 PI 控制参数信号。

　　CPLD 通过串行 UART 操作实现了与计算机之间的数据通信, UART 与串口接口应用电路如图 2 所示。该UART 提供简单的两线( Tx 与 Rx) 半双工串口操作, 波特率 9600bps, 数据第 1 位起始位; 8 位数据位; 1 位停止位;无校验位。每次发送或接收最多 128 字节数据。

　　3 XY 向扫描控制模块

　　根据 AFM 系统框图可知, XY 向扫描控制模块由D/A 转换电路、位移负反馈、PI 调节电路和双向电压转换电路四部分组成, 它们构成了一个闭环控制子系统。

　　3.1 D/A 转换电路

　　CPLD1 接收来自于计算机的 X 向位移信号, 并将该信号转换成 8 位并行信号输出, 再经过由芯片 AD7523 组成的 8 位 D/A 转换电路, 输出 X 向模拟信号 XIN。D/A 转换电路如图 3 所示。图中参考电压接口 VrefIN+15 V稳压电源, 将+15 V 电压通过高精度稳压器AD581 实现稳压。X 向模拟电压输出范围是- 15 V~+15 V。