纳米科技作为二十一世纪全球各国科学技术发展战略的重点，最终目标是在原子、分子尺度上对样品进行物理、化学和生物特性观测、操作和装配，从而推动整个科学和技术的进展。纳米科技研究需要借助各种观测、操作和装配仪器设备。1986年，诺贝尔物理学奖得主发明的原子力显微镜为实现这一目标奠定了研究基础，其具有较高分辨率和运动精度，可控、可重复的运动方式和独特的机械力加工方法，目前已基本可以在真空、常态、液态环境下原理性的实现对原子、分子尺度大小物体的观测、操作和装配等工作。虽然AFM具备诸多优点，但为了进一步提高其性能，扩展其应用范围（如在工业领域的应用）就面临着如何提高原子力显微镜的成像精度和扫描速度等问题，在此方面目前面临的主要挑战和难题是：1、由于扫描速率的增加，对AFM控制系统数据处理能力的需要大大提高；2、由于系统外部电磁辐射和背景光等因素的干扰，基于光电位置传感器设计的光电信号检测系统难以精确分辨出样品表面的微弱变化；3、由于工频干扰和电源噪声等影响，AFM成像出现失真等。以上问题的存在，直接影响了AFM应用范围的扩展，也阻碍了纳米科技发展的进程。本文针对上述主要问题，以自主研发的原子力显微镜控制系统为平台，对控制系统中高速信号处理电路、微弱光电信号采集和压电陶瓷驱动电路进行改进与优化，具体开展了以下工作：（1）基于DSP与FPGA的高速信号处理方案。选用通用性强，开发周期短，结构灵活的DSP+FPGA主体结构、多通道AD、DA模数混合设计、百兆以太网、PID控制算法等设计方案，实现原子力显微镜扫描过程中数据的精确传输与运算。（2）高速PCB设计信号完整性分析。针对控制系统中高速高密度PCB中存在的问题，以理论分析为基础，EDA设计软件为平台，通过PCB仿真工具实践验证，具体分析设计中存在的信号完整性问题，给出问题解决方案，提高PCB设计的可靠性，同时缩短系统设计周期。（3）基于PSD光电检测电路改进方案。针对目前存在的外场电磁辐射和背景光等干扰源，提出新的信号采集与信号传输方案：高精度的流压转换设计与信号差分输出。有效的减少了信号传输过程中电磁辐射对信号的干扰和外部光源对PSD检测的影响，提高了检测的灵敏度和精度。（4）压电陶瓷驱动电路优化方案设计。压电陶瓷驱动模块主要由低压运算放大器和高压运算放大器组成，为了有效的减少电源工频干扰和噪声，高压供电电源采用线性稳压电源模块，进一步解决压电陶瓷存在的非线性和温漂影响。本文的研究工作有效的解决了高速信号处理电路中存在的信号完整性问题，提高了PSD检测电路的信号采集精度，消除了电源工频干扰和噪声对压电陶瓷的影响，实现了对样本的精确扫描。