高速大扫描范围原子力显微镜系统的设计

针对目前高速扫描型原子力显微镜(AFM)主要是限于物检测且扫描速度和扫描范围均有待提高,提出了一种高速原子力显微镜结构设计方案。在压电陶瓷致动器驱动的柔性铰链结构式位移台的基础上,构建了AFM大范围扫描器,使原子力显微镜在x-y扫描方向的运动范围达到了100μm×100μm。通过傅里叶频谱分析,计算获得了AFM扫描器常用的三角波驱动信号和正弦波驱动信号的高次谐波特性及其对AFM高速扫描成像的影响程度。为了消除在扫描运动过程中的机械自激振荡,提出了将正弦波信号作为高速扫描的驱动信号,行扫速度达到50line/s。在正弦波驱动的基础上提出了一种基于位置采样的图像获取方法,有效地减小了AFM扫描器的非线性误差造成的图像畸变现象。     

分布反馈激光器驱动与波长扫描模块设计

分布反馈(DFB)激光器被广泛用于气体、水质的开放光程监测,其驱动的稳定性和波长扫描的精确性是影响监测系统性能的主要因素.为提高监测系统性能,通过分析分布反馈激光器的工作原理,研究高稳定驱动和高精度波长扫描方法,设计了驱动和波长扫描电路.以5 Hz的锯齿波作为扫描信号,以5 kHz的正弦波作为调制信号,用叠加的信号作为驱动芯片MAX3669的输入信号,获得了良好的实验效果.实验的成功,为提高整个开放光程气体监测系统的精度奠定了基础.     

空间高精度扫描伺服系统的驱动控制

研究了空间飞行器扫描伺服系统的高精度驱动控制技术。针对有效载荷对地面目标进行扫描时多要求其伺服系统提供高精度的低速性能,本文提出采用交流永磁同步电机直接驱动伺服系统,省去中间的减速器传动环节来提高伺服系统的驱动控制精度。伺服驱动控制系统用现场可编程门阵列(FPGA)作为高速信号处理芯片,提高信号的处理速度和控制精度;用高精度的绝对式光电编码器检测转动位置,提高位置检测和速度的精度;主电路采用功率线性放大技术,得到光滑,力矩脉动小的驱动波形。系统实验表明,由于该方法采用模拟正弦信号驱动,在低速时避免了脉宽调制(PWM)驱动信号开关和死区造成的速度波动,实现了高精度的速度控制,速度波动范围在1%以内;得到的电压、电流测试曲线光滑,无高次谐波干扰。该扫描伺服系统满足动态和静态要求,为实现空间低速高精度扫描提供了一种新的方法。     

一种信号合成电路的设计与实现

主要设计一种能够合成指定波形的信号波形发生电路,电路基于傅里叶合成,通过产生不同频率的正弦信号,将这些信号处理后送入加法电路可合成所需信号。主要由方波产生模块产生方波,分频与滤波模块对所得方波分频并滤成正弦波,放大模块对所得正弦波幅值进行调节,移相模块调整各频率正弦波相位,最终通过信号合成模块合成所需波形。     

X轴分离式高速原子力显微镜系统设计

为了提高原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)的成像速度,本文提出了一种新的AFM结构设计方案并搭建了相应的实验系统。在该方案中,Y、Z扫描器集成于测头内驱动探针进行慢轴扫描和形貌反馈;X扫描器与测头分离,驱动样品做快轴扫描。X扫描器采用高刚性的独立一维纳米位移台,能够承载尺寸和质量较大的样品高速往复运动而不易发生共振;同时Z扫描器的载荷实现最小化,固有频率得以显著提高。为了避免测头的扫描运动引起检测光束与探针相对位置的偏差,设计了一种随动式光杠杆光路;为了便于装卸探针以及精确调整激光在探针上的反射位置,设计了基于磁力的探针固定装置和相应的光路调节方案。对所搭建的AFM系统的初步测试结果表明,该系统在采用三角波驱动和简单PID控制算法的情况下,可搭载尺寸达数厘米且质量超过10g的较大样品实现13μm×13μm范围50Hz行频的高速成像。     

逆平行四连杆机构的非正弦波及工艺参数*

基于椭圆齿轮非正弦发生装置,开发逆平行四连杆驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置,并制造实验室样机.逆平行四连杆非正弦发生装置紧凑合理,可靠性高,易于实现静动平衡,其工作性能和成本都优于椭圆齿轮机构.通过运动分析,得到逆平行四连杆机构产生的非正弦波的位移、速度和加速度函数,其表达式较简单,由此推导出各工艺参数的解析表达式,并分析各工艺参数随非正弦振动基本参数的变化规律.通过几何参数替换,逆平行四连杆非正弦波的各计算公式可以转化为椭圆齿轮非正弦波相应的计算公式,计算简便且可以得到精确解.从而为实际应用中工艺参数的精确计算、工艺过程的精确控制提供了理论基础.     

振动传感器宽频校准方法介绍

振动传感器宽频校准方法介绍＊邹冬冬贾叔仕孙月明张仲先（浙江大学机械系杭州３１００２７）（浙江大学光科系杭州３１００２７）０引言传统的传感器校准方法,不论是绝对法还是相对法,其激励信号都是正弦波。每次校准,只能获得正弦频率点上的灵敏度值,因此通常这类校...     

正弦信号发生器波形抖动的一种精确测量方法

介绍了一种用三参数正弦波拟合算法实现的、绝对收敛的四参数最小二乘正弦波拟合算法 ,给出了收敛区间、绝对收敛判据以及实现过程。在此基础上讨论实现了正弦信号发生器波形抖动的评价问题。使用一个周期的正弦波曲线模型的滑动拟合法 ,评价了幅度、频率、直流偏移的抖动 ,以及相位与理论值之偏差的抖动情况。在幅度、频率、相位和直流偏移分别存在固定抖动的情况下 ,仿真评价了四个正弦参数各自的抖动情况 ,同时 ,在一个实测正弦波形曲线上进行的抖动分析 ,获得了非常明确的抖动测量结果。本方法评价正弦波信号抖动时 ,准确度高、分辨力好 ,且指标全面。     

轮毂电机转矩脉动抑制的正弦驱动系统设计及实现

基于不对称规则采样算法的原理,设计了轮毂电机转矩脉动抑制的正弦驱动系统。利用主控单元MC9S08DZ60的电机控制专用通道产生双电机所需的两组三相正弦脉宽调制波,并根据霍尔位置传感器所提供的电机转子位置和速度信息,实时调整正弦波的幅值与周期以保证系统具有优良的动态性能。实验结果表明,该系统能够有效地抑制电磁转矩脉动,实现了电机的平稳运转,满足超微型电动车轮毂电机低转矩脉动的要求,验证了上述设计方法的正确性和实效性。     

空间超大幅宽低畸变红外成像扫描控制

本文以空间超大幅宽低畸变红外变焦扫描成像系统为研究对象,分析给出地面畸变与成像系统瞬时视场角的关系,提出变速扫描成像并推导了扫描角速度公式。为解决匀速360°旋转扫描效率低和双向摆动扫描成像需安装扫描线矫正器所导致的系统复杂性高、可靠性低的缺点,设计了一种正弦加速度快速回扫的方法。对变速扫描以及正弦加速度快速回扫方法进行了仿真及实验,结果表明扫描控制系统慢速扫描与快速回扫之间状态切换稳定,扫描起止角度误差仅为1.44角秒,扫描速度稳定度为±0.5%,扫描成像过程时间误差为83μs,回扫时间误差为250μs,整个扫描周期时间偏差小于1倍像元积分时间(355μs),扫描效率达86%,在提高了扫描效率的同时减小对扫描机构的冲击与振动,满足成像要求。正弦加速度快速回扫方法对机载红外扫描成像系统快速回扫运动设计也具有一定指导意义。     

一种用于电机铁芯磁性能测试的恒流源

针对电机铁芯磁性能测试中保持磁场强度H的波形为正弦形的问题,设计了一种基于数字信号处理器(DSP)全数字实时控制的逆变恒流源。分析了正弦波逆变电源斩波和逆变控制的一般方法和特点,控制系统前级采用同步Buck电路对母线电压斩波,斩波输出电压经过PI闭环控制实现了其在突加、突减负载时的稳定性。控制系统后级通过对电感电流的PID闭环控制和单极性正弦脉宽调制(SPWM)方式,实现瞬时跟踪给定的交流恒流源控制。实验结果表明逆变恒流源具有很好的静、动态性能和稳定性,输出信号谐波含量少,负载适应能力强,很好地实现了系统设计的要求。     

基于SOPC技术的视频图像处理系统研究

视频图像处理系统从最早期的以模拟系统为主逐步向数字化转变,而目前常用的用数字信号处理专用芯片(digital signal processor,DSP)做处理器的数字视频图像处理系统在高速信号实时处理中难以达到要求,系统可靠性低;相对而言,FPGA用于实时图像处理,在速度上具有很大的优势,其内部自身结构易于实现分布式的算法结构,使得各功能块可以同时工作,更有利于高速数字信号处理。FPGA(现场可编程门阵列)设计技术将尽可能大而完整的电路系统在单一SOPC(片上可编程系统)中实现,从而使得所设计的电路在规模、可靠性、开发成本、产品维护和硬件升级等多方面实现最优化。     

基于FPGA的异步电动机变频调速系统

针对传统的单片机(MCU)或数字信号处理器(DSP)以软件方式实现的控制系统普遍存在速度慢、稳定性差等问题,以实现全数字电机控制器的集成化为背景,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)硬件设计方案,并结合EDA模块化的设计方法和Verilog HDL硬件描述语言,在一片FPGA芯片中得到了验证和实现;采用"top-down"设计思想,对系统按功能划分模块进行了设计;首先对各功能模块进行了设计、仿真、验证,然后将整个系统组合起来进行了仿真、验证,最后利用FPGA进行了硬件验证;在此基础上,完成了异步电机SVPWM调制方式的V/F开环变频调速系统的实验。研究结果表明,该系统稳定性高、占用资源少、复用性高,在实时性、灵活性等方面有着MCU、DSP无法比拟的优越性,为设计高性能的电机控制专用芯片奠定了基础。     

无线传感器网络分布式数字信号处理的探讨

无线传感器有几个缺点,如发射距离短,计算处理能力差,以及发射功率低等。该文以协作信号处理概念为理论基础,讨论设计高效传感器网络。设想有一个由多个传感器节点组成的网络,每个节点与一个处理器对应。通过采用一种适当的协作运算法则和通信设计,把传感器当作分布式数字信号处理器(DDSP,Distributed Digital Signal Processor)使用,将DDSP用于快速傅里叶变换,使无线传感器网络性能得到提高。     

基于DDS相位差可调双通道信号发生器的设计

首先介绍了DDS（直接数字频率合成技术）的基本原理,之后给出基于FPGA器件实现相位可调双路同频正弦信号发生器的设计系统。采用VHDL实现了各个模块的功能,并同时在QuartusII中完成了设计与仿真,给出了软件仿真和试验的结果。实验结果表明,该系统生成的双路同频正弦信号具有波形失真小、频率和相位精度高、输出频率和相位可调等优点。     

Compensator design for improved counterbalancing in high speed atomic force microscopy

High speed atomic force microscopy can provide the possibility of many new scientific observations and applications ranging from nano-manufacturing to the study of biological processes. However, the limited imaging speed has been an imperative drawback of the atomic force microscopes. One of the main reasons behind this limitation is the excitation of the AFM dynamics at high scan speeds, severely undermining the reliability of the acquired images. In this research, we propose a piezo based, feedforward controlled, counter actuation mechanism to compensate for the excited out-of-plane scanner dynamics. For this purpose, the AFM controller output is properly filtered via a linear compensator and then applied to a counter actuating piezo. An effective algorithm for estimating the compensator parameters is developed. The information required for compensator design is extracted from the cantilever deflection signal, hence eliminating the need for any additional sensors. The proposed approach is implemented and experimentally evaluated on the dynamic response of a custom made AFM. It is further assessed by comparing the imaging performance of the AFM with and without the application of the proposed technique and in comparison with the conventional counterbalancing methodology. The experimental results substantiate the effectiveness of the method in significantly improving the imaging performance of AFM at high scan speeds.     

高速列车牵引供电系统建模及短时断电工况仿真

为研究不同丁况下高速列车牵引供电系统的工作状态和性能,根据CRH2型高速列车牵引供电系统的实际结构与参数,采用Matlab/Simulink软件建立了整个系统的仿真模型,模型中牵引变流器采用正弦脉宽渊制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)两种方式,牵引电机采用适用于高速列车的瞬态电流控制和转子磁场定向矢量控制策...     

电子式电流互感器数据采集系统的研究

为了更好地适应电力计量系统数字化发展的趋势,设计了一种新型的电子式电流互感器数据采集系统。采用高速数字信号处理器(DSP)TMS320F2812芯片,外接14位的AD7894和信号调理电路,为了更好、更快地进行信号传送,DSP和AD7894之间采用光纤传输。给出了A/D控制程序流程图、仿真波形,并分析了测试结果。该系统具有强大功能的芯片和效率更高的软件使系统增强了数据采集和数据传输的速度和精度。该数据采集系统具有低功耗、高性能及良好的电隔离性。试验结果表明,测量精度符合IEC0.2级标准。     

基于TMS320F240的双闭环调速系统

介绍了以DSP专用电机芯片TMS320F240为核心的高速无刷直流电动机控制器的设计方法。采用双闭环调速系统对高速无刷直流电动机进行控制，并对硬件及软件结构作了较详细的介绍。实验证明，该系统具备转速平稳、控制性能好、噪音低等诸多优点，已成为无刷直流电机控制的一种发展趋势。     

基于TMS320C6713的去噪自适应滤波器硬件实现

我们每天都会受到音频噪音的影响,原始信息会受到周围环境噪声信号的污染。为此,本文研究了一个多抽头自适应去噪实时硬件系统,它利用TMS320C6713上实现的最小均方算法（LMs）来去除与音频相关的应用程序中接收到的不期望出现的噪声信号。文章首先介绍了最小均方算法的c语言实现并在CodeComposerStudio上进行仿真,最后在C6713上实现。考虑不同的音频输入,进行了三项实验来测试所设计的自适应去噪系统的效率。实验采用300、500、800、1000和3000Hz的音频信号及男性语音信号为输入的参考信号,持续检测信号中的噪声,直至将它全部去除。此外,还研究了与自适应去噪系统性能相关的收敛速度、滤波器安排顺序以及信噪比。实验结果表明,所设计系统其信噪比有很大的改善。