FPGA-LabVIEW原子力显微镜振动信号实时低噪声自制检测系统OA
Real-time FPGA-LabVIEW homebuilt system for noise reduction in AFM imaging
原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)中探针振动信号的低噪声、实时测量是实现高分辨成像和稳定反馈控制的关键.针对传统光束偏转检测系统中模拟信号处理噪声大、实时性不足的问题,本文提出了一种基于FPGA-LabVIEW的实时低噪声探针振动测量系统.该系统利用 FPGA 实现四象限光电探测器信号的高速并行采集与数字处理,通过级联的 FIR 低通滤波器和 IIR 带通滤波器,分别实现准静态光斑位置提取和探针共振振动信号的有效分离.在保证FPGA信号处理延时小于 5 μs 的前提下,实现了对 AFM 探针振动信号的实时优化.实验结果表明,与传统模拟检测系统相比,该系统的电压噪声密度和挠度噪声密度降低约 50%,信噪比提升约 5 dB,AFM 成像质量和测量稳定性显著改善.该研究为原子力显微镜及其他精密测量仪器的实时数字信号处理与低噪声系统设计提供了一种可行的工程实现方案.
Atomic force microscopy(AFM)probe vibration monitoring is essential for achieving accurate nanoscale imaging and reliable signal interpretation.This paper presents a low-noise vibration detection method based on a real-time FPGA-LabVIEW homebuilt system.The FPGA receives signals from a quadrant photodiode(QPD),performs analog-to-digital conversion and parallel processing,and integrates cascaded digital filters for noise reduction.A finite impulse response(FIR)low-pass filter extracts the static spot position,while an infinite impulse response(IIR)band-pass filter preserves the probe's resonance vibrations.Compared with conventional analog detection,the proposed system reduces background noise by approximately 50%(measured as 50.23%),enhances the signal-to-noise ratio(SNR)from 15 dB to 20 dB,and maintains FPGA signal-processing latency below 5 μs.This work demonstrates that the proposed real-time FPGA-LabVIEW AFM noise optimization system significantly improves signal-to-noise ratio and real-time performance,providing a practical solution for high-precision,low-noise AFM imaging.
孙秋园;马宗敏;刘俊;姚志飞;孙健恒;赵波慧;张珂童;姚浩然;魏久焱;温焕飞;唐军
中北大学 宽禁带半导体光电材料与器件国家重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 山西省量子传感与精密测量重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 半导体与物理学院,山西 太原 030051中北大学 宽禁带半导体光电材料与器件国家重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 山西省量子传感与精密测量重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 半导体与物理学院,山西 太原 030051中北大学 宽禁带半导体光电材料与器件国家重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 山西省量子传感与精密测量重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 仪器与电子学院,山西 太原 030051中北大学 宽禁带半导体光电材料与器件国家重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 山西省量子传感与精密测量重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 仪器与电子学院,山西 太原 030051中北大学 宽禁带半导体光电材料与器件国家重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 山西省量子传感与精密测量重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 半导体与物理学院,山西 太原 030051中北大学 宽禁带半导体光电材料与器件国家重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 山西省量子传感与精密测量重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 仪器与电子学院,山西 太原 030051中北大学 宽禁带半导体光电材料与器件国家重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 山西省量子传感与精密测量重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 半导体与物理学院,山西 太原 030051中北大学 宽禁带半导体光电材料与器件国家重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 山西省量子传感与精密测量重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 半导体与物理学院,山西 太原 030051中北大学 宽禁带半导体光电材料与器件国家重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 山西省量子传感与精密测量重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 半导体与物理学院,山西 太原 030051中北大学 宽禁带半导体光电材料与器件国家重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 山西省量子传感与精密测量重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 仪器与电子学院,山西 太原 030051中北大学 宽禁带半导体光电材料与器件国家重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 山西省量子传感与精密测量重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 半导体与物理学院,山西 太原 030051
原子力显微镜FPGA-LabVIEW系统实时信号处理低噪声测量数字滤波
atomic force microscopy(AFM)FPGA-LabVIEW homebuilt systemreal-time processingnoise reductiondigital filters
《测试科学与仪器》 2026 (2)
355-366,12
This work was supported by the National Key R&D Program of China(No.2022YFC2204104),NSFC Projects of International Cooperation and Exchanges(No.62220106012),and Key Lab of Quantum Sensing and Precision Measurement,Shanxi(No.201905D121001)
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