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基于DSP的数控扫描隧道显微镜研制

作　者: 李小飞
导　师: 李志扬
学　校: 华中师范大学
专　业: 电路与系统
关键词: 扫描隧道显微镜 DSP CPLD
分类号: TN16
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


STM具有原子量级的分辨率，在纳米检测、纳米电子学、纳米材料等领域有重要应用。将DSP与STM相结合，实现STM仪器的全数字化，使得仪器结构更加简洁、性能更加稳定、功能更加灵活，是STM仪器发展的一个重要方向。本论文设计研制了一套基于DSP的数控STM，它采用TMS320VC5416做主处理器，全面负责STM扫描成像的整个过程，包括X、Y向扫描控制和Z向高度反馈控制，以及隧道电流采集等，同时通过串口把图像数据传送给计算机进行后期处理、显示和存储，极大地减轻了计算机的负担。在所研制的数控STM中，我们采用转换时间为21ns的14位D／A转换器AD7840和转换时间为30ns的12位D／A转换器AD565分别控制STM压电陶瓷管的X、Y和Z向高精度运动，同时采用转换时间为1.6us的12位A／D转换器MAX120来采集隧道电流，用CPLD控制整个扫描成像过程，使得X、Y向扫描精度达到0.1nm，Z向控制精度达到0.01nm，反馈控制速度达到500KHz，满足STM扫描成像的精度和速度要求。论文在CCS环境下编制了TMS320VC5416的控制软件，同时采用VHDL语言实现了基于CPLD的逻辑控制，实验调试获得了正确的X、Y和Z向信号。实验表明本论文设计的基于DSP的数控STM比基于ISA总线的数控STM在反馈控制速度方面提高约5倍左右，从而为仪器的稳定运行奠定了基础。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
1. 绪论  8-18
  1.1 扫描隧道显微镜的历史发展与特点  8-10
  1.2 扫描隧道显微镜的工作原理  10-12
  1.3 扫描隧道显微镜的仪器结构和性能指标  12-15
  1.4 数字信号处理技术发展概况  15-17
  1.5 论文的结构安排  17-18
2. 基于 DSP 的数控扫描隧道显微镜系统的硬件设计  18-47
  2.1 系统总体设计  18-21
  2.2 DSP 模块  21-27
    2.2.1 DSP5416的存储器配置  22-24
    2.2.2 软件可编程等待状态发生器  24
    2.2.3 时钟发生器  24-25
    2.2.4 状态和控制寄存器  25-26
    2.2.5 堆栈  26
    2.2.6 中断  26-27
    2.2.7 仿真接口  27
  2.3 CPLD 模块  27-32
    2.3.1 数据建立时间的时序分析  28-30
    2.3.2 数据保持时间的时序分析  30-32
  2.4 FLASH 模块  32-33
  2.5 串口通信模块  33-34
  2.6 A/D 和 D/A 模块  34-38
    2.6.1 D/A 模块  34-37
    2.6.2 A/D 模块  37-38
  2.7 运算放大模块  38-41
    2.7.1 低压运放级  38-40
    2.7.2 高压运放级  40-41
  2.8 步进电机模块  41-42
  2.9 其他重要模块  42-46
    2.9.1 电源部分  42-44
    2.9.2 复位模块  44-45
    2.9.3 系统晶振  45-46
  2.10 系统 PCB 板设计  46-47
3. 基于 DSP 的数控扫描隧道显微镜系统的软件设计  47-59
  3.1 系统主程序设计  47-48
  3.2 X、Y 方向扫描控制程序  48-49
  3.3 隧道电流采集模块  49-50
  3.4 Z 方向反馈控制程序  50-52
  3.5 步进马达控制程序  52-53
  3.6 串口通信程序  53-54
  3.7 FLASH 编程和擦写程序设计  54-56
  3.8 DSP 模块程序设计  56-59
    3.8.1 存储器配置  56
    3.8.2 BOOT 程序设计  56-59
4. 系统硬件、软件调试和实验结果  59-65
  4.1 DSP5416下载程序和简单程序的运行  59
  4.2 CPLD 仿真  59-60
  4.3 D/A 转换模块工作和+X、-X、+Y、-Y 端口波形的输出  60-62
  4.4 A/D 和 D/A 转换模块工作和 Z 端口任意波形输出  62-63
  4.5 串口调试  63-65
5. 结论与展望  65-67
参考文献  67-69
附录  69-72
研究生期间发表论文  72-73
致谢  73

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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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