一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统的制作方法

1.本发明涉及微纳科学与技术研究中的精密仪器领域，更具体地说，本发明涉及一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统。


背景技术：

2.afm广泛应用于半导体、微纳行业，是利用微悬臂上精密探针与被检测样品接触时的相互作用力来达到检测的目的。通过检测探针偏转量并作用反馈控制其排斥力的恒定，获得微悬臂对应于各点的位置变化，从而获得样品表面形貌的图像。受限于当今控制系统，控制不够灵活且扩展性较低，同时数模、模数转换芯片精度较低，导致微调不够精确。因此改进原子力显微镜硬件控制设计系统成为当前研究方向的关键。
3.本发明是基于国产化fpga芯片的设计，由于进口元器件研制生产没有保障、存在信息安全隐患、存在装备质量风险等问题，因此为了更好的应对国际复杂形势，本着元器件自主可控的原则，现阶段研发重点在保证功能实现的前提下，要合理的进行国产化替代，实现元器件级自主可控，并助力国家产业升级，保障国家电子产业的可持续发展。
4.因此我们提出了一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统来解决上述问题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统，该控制系统包括以下模块：
7.现场可编程门阵列电路模块；与上位机通信、完成对数模转换模块的控制以及模数转换模块的采集，实现数字电路中信号的输入/输出；
8.模数转换模块；对激光检测、电容传感器和压电陶瓷传感器数据的高精度采集；
9.通信模块；通过千兆网口实现fpga与上位机的通信；
10.数模转换模块；输出模拟信号对压电陶瓷进行操作；
11.数字电路模块；实现对xyz精调电机的控制。
12.本发明提供的基于fmql系列的原子力显微镜硬件控制系统，通过模块化设计和精准控制，实现了对fpga芯片各个模块的单元测试，可以实现对检测装置灵活的控制与操作，通过上位机软件即可对检测装置进行控制与监控，并通过存储模块提供了较大数据的缓存功能，大大简化了控制难度与流程，加快了设计开发周期。
13.在一个优选地实施方式中，现场可编程门阵列电路模块中采用国产fmql系列芯片作为核心控制芯片。
14.在一个优选地实施方式中，模数转换模块中采用25msps/10msps，16位a/d转换芯片ltc2202，来完成对激光检测数据的采集。
15.在一个优选地实施方式中，模数转换模块中采用24位、2msps、双通道逐次逼近寄
存器(sar)模数转换器ad4630_24来完成对电容传感器和压电陶瓷传感器数据的高精度采集。
16.在一个优选地实施方式中，网口设计模块中，采用rj45电口互联实现通信。
17.在一个优选地实施方式中，数模转换模块中采用1ppm分辨率、20位dac芯片ad5791作为压电陶瓷1的精准调控芯片；采用50msps，16位dac芯片ltc1668作为压电陶瓷2与压电陶瓷3的高速调控芯片。
18.在一个优选地实施方式中，主要控制芯片选型，包括现场可编程门阵列芯片、模数转换芯片与数模转换芯片。
19.在一个优选地实施方式中，模数转换电路的电路设计包括对ltc2202和ad4630_24的电路控制。
20.在一个优选地实施方式中，数模转换电路的电路设计包括对ad5791和ltc1668的电路控制。
21.本发明的技术效果和优点：
22.本发明提供的基于fmql系列的原子力显微镜硬件控制系统，通过模块化设计和精准控制，实现了对fpga芯片各个模块的单元测试，可以实现对检测装置灵活的控制与操作，通过上位机软件即可对检测装置进行控制与监控，并通过存储模块提供了较大数据的缓存功能，大大简化了控制难度与流程，加快了设计开发周期。
附图说明
23.图1为本发明提供的基于复旦微电子fmql系列芯片的原子力显微镜硬件控制系统架构图；
24.图2为本发明硬件控制系统的板卡俯视图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.参照图1-2，一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统，该控制系统包括以下模块：现场可编程门阵列电路模块(与上位机通信、完成对数模转换模块的控制以及模数转换模块的采集、实现数字电路中信号的输入/输出)；模数转换模块(对激光检测、电容传感器和压电陶瓷传感器数据的高精度采集)；通信模块(通过千兆网口实现fpga与上位机的通信)；数模转换模块(输出模拟信号对压电陶瓷进行操作)；数字电路模块(实现对xyz精调电机的控制)。
27.本发明选用精度更高，稳定性更好的数模转换芯片和模数转换芯片。
28.选用25msps/10msps，16位a/d转换芯片ltc2202，来完成对激光检测数据的采集；选用24位、2msps、双通道逐次逼近寄存器(sar)模数转换器ad4630来完成对电容传感器和压电陶瓷传感器数据的高精度采集；选用1ppm分辨率、20位dac芯片ad5791作为压电陶瓷1的精准调控芯片；选用50msps，16位dac芯片ltc1668作为压电陶瓷2与压电陶瓷3的高速调
控芯片。
29.针对系统稳定性，本发明将数字部分与模拟部分完全隔离，对外数字接口电源采取独立电源供电，对外模拟接口采取单路射频同轴形式，尽可能避免信号与信号之间、信号与电源之间的干扰，以提高系统稳定性。
30.针对系统灵活性，由于数字部分受外界因素影响较小，本发明着重考虑了模拟部分的灵活性。
31.模拟部分分为高速模块与低速模块，并且考虑到模拟部分易受外界因素影响而损坏模数转换芯片，为了维修方便，本发明将模拟部分各个模块接口化设计，选择通用pcie x4连接器，模块做金手指板卡对应插拔。
32.本发明所设计的基于国产化fpga的原子力显微镜硬件控制架构如附图1所示。
33.基于国产化fpga的硬件控制模块，选用复旦微电子fmql系列芯片，包括最小硬件电路、数字接口电路、模拟接口电路三部分。
34.用来控制整个原子力显微镜的工作流程，处理检测过程中相关的数据，并通过千兆以太网实现与上位机的通信。
35.深层次所述，最小硬件系统电路包括：电源电路、复位电路、时钟电路、存储芯片、仿真器接口电路等。数字接口电路包括对外can接口、rs232接口、rs485接口、千兆以太网接口、do差分接口、do单端接口。模拟接口电路包括高速ad、低速ad、高速da、低速da。
36.本发明提供的基于fmql系列的原子力显微镜硬件控制系统，通过模块化设计和精准控制，实现了对fpga芯片各个模块的单元测试，可以实现灵活的控制与操作；
37.通过上位机软件即可对检测装置进行控制与监控，并通过存储模块提供了较大数据的缓存功能，大大简化控制难度与流程，加快了设计开发周期。
38.与传统设备对比分析见下表：
[0039][0040]
基于复旦微电子fmql系列芯片的原子力显微镜硬件控制系统包括模数转换电路和数模转换电路及数字部分电路组成。
[0041]
模数转换模块和数模转换模块由电源电路和模拟电路组成。
[0042]
电源
±
15v和
±
12v由定制线性电源输出，纹波可达到
±
10mv，在实际使用中可排除电源纹波对系统产生的影响。
[0043]
电源
±
5v由
±
12v经ldo电源模块lt3090edd和lt3088edd产生。
[0044]
模数转换电路共有6路，其中2路，作用是将原子力显微镜激光检测部分输出的光斑点位信息转换为数字信号，由芯片ltc2202完成，每一路模数转换电路均需一片ltc2202；
[0045]
其中2路，作用是将原子力显微镜移动上电容传感器输出的位置变动信号转换为数字信号，由芯片ad4630_24完成；
[0046]
其中2路，作用是将经过电压幅值变换的原子力显微镜上压电陶瓷的传感器输出的位置变动信号转换为数字信号，由芯片ad4630_24完成，每一路模数转换电路均需一片ad4630_24。
[0047]
数模转换电路共有6路，其中2路用于将压电陶瓷1的数字输出信号转换为模拟信号，由芯片ltc1668完成；
[0048]
其中2路用于将压电陶瓷2的数字输出信号转换为模拟信号，由芯片ad5791完成，每一路数字模拟转换均需一片ad5791；
[0049]
其中2路用于将压电陶瓷3的数字输出信号转换为模拟信号，由芯片ad5791完成，每一路数字模拟转换均需一片ad5791。
[0050]
实验验证本发明效果步骤：将模数转换模块、数模转换模块插入主板连接器插槽；将jtag烧录器正确连接；主控板卡上电，烧录测试代码；通过对外模拟接口输入电压来观测模数转换结果并记录，通过对内输入数据来观测数模转换结果并记录。
[0051]
表1可以看出模数转换测试结果数据对比，可以看出本发明能够实现精度较高的模数信号转换。
[0052]
输入电压(v)转换结果(实际)转换结果(理论)-10v10-10-4v-4.04317-4 0v0.0070830 4v4.058133410v1010
[0053]
表1
[0054]
表2可以看出数模转换测试结果数据对比，可以看出本发明能够实现精度较高的数模信号转换。
[0055][0056][0057]
表2
[0058]
对外数字接口模块，fpga输出单端do经隔离芯片后控制xyz步进精调模块，输出对应的数据使能xyz三个方向的步进电机移动相对应的距离。
[0059]
原子力显微镜硬件控制系统中fpga的pl端与上位机通过千兆以太网通信，可用过上位机发送指令对控制系统进行操作并实时采集控制系统的状态信息。
[0060]
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统，其特征在于；该控制系统包括以下模块：现场可编程门阵列电路模块；与上位机通信完成对数模转换模块的控制以及模数转换模块的采集，实现数字电路中信号的输入/输出；模数转换模块；对激光检测、电容传感器和压电陶瓷传感器数据的高精度采集；通信模块；通过千兆网口实现fpga与上位机的通信；数模转换模块；输出模拟信号对压电陶瓷进行操作；数字电路模块；实现对xyz精调电机的控制。2.根据权利要求1所述的一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统，其特征在于：现场可编程门阵列电路模块中采用国产fmql系列芯片作为核心控制芯片。3.根据权利要求1所述的一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统，其特征在于：模数转换模块中采用25msps/10msps，16位a/d转换芯片ltc2202，来完成对激光检测数据的采集。4.根据权利要求1所述的一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统，其特征在于：模数转换模块中采用24位、2msps、双通道逐次逼近寄存器(sar)模数转换器ad4630_24来完成对电容传感器和压电陶瓷传感器数据的高精度采集。5.根据权利要求1所述的一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统，其特征在于：网口设计模块中，采用rj45电口互联实现通信。6.根据权利要求1所述的一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统，其特征在于：数模转换模块中采用1ppm分辨率、20位dac芯片ad5791作为压电陶瓷1的精准调控芯片；采用50msps，16位dac芯片ltc1668作为压电陶瓷2与压电陶瓷3的高速调控芯片。7.根据权利要求1所述的一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统，其特征在于：主要控制芯片选型，包括现场可编程门阵列芯片、模数转换芯片与数模转换芯片。8.根据权利要求1所述的一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统，其特征在于：模数转换电路的电路设计包括对ltc2202和ad4630_24的电路控制。9.根据权利要求1所述的一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统，其特征在于：数模转换电路的电路设计包括对ad5791和ltc1668的电路控制。

技术总结
本发明公开了一种原子力显微镜精确扫描硬件控制系统，该控制系统包括以下模块：现场可编程门阵列电路模块(与上位机通信、完成对数模转换模块的控制以及模数转换模块的采集、实现数字电路中信号的输入/输出)；模数转换模块(对激光检测、电容传感器和压电陶瓷传感器数据的高精度采集)；通信模块；数模转换模块；数字电路模块。本发明提供的基于FMQL系列的原子力显微镜硬件控制系统，通过模块化设计和精准控制，实现了对FPGA芯片各个模块的单元测试，可以实现对检测装置灵活的控制与操作，通过上位机软件可对检测装置进行控制与监控，并通过存储模块提供了较大数据的缓存功能，大大简化了控制难度与流程，加快了设计开发周期。加快了设计开发周期。加快了设计开发周期。


技术研发人员：陈晨
受保护的技术使用者：国科环宇（南京）电子技术有限公司
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/9/22