本文關鍵詞：基于FPGA的數字鎖相放大器在磁珠檢測上的應用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：弱信號檢測是信號檢測領域中很重要的一部分,它的應用范圍很廣,如雷達、地質勘探、聲譜光譜探測、環(huán)境氣體監(jiān)測、生物樣品檢測等都屬于弱信號檢測的應用。檢測微弱信號的方法有很多,利用鎖相放大器進行弱信號檢測就是其中一種常用的方法。而目前常見的通用型鎖相放大器,體積較大,價格昂貴,為了適用儀器化的需求,近幾年各種專用的鎖相放大器的研究受到人們普遍重視。本文以磁珠濃度的定量檢測為背景,以FPGA做為技術實現手段,采用相關性原理設計了一款專用數字鎖相放大器,并將它用于磁珠檢測系統(tǒng)。由于巨磁電阻(Giant Magneto-Resistance,GMR)效應的發(fā)現,高靈敏度的GMR傳感器也應運而生,通常,人們將用于生物樣品檢測的GMR傳感器、檢測電路和免疫磁珠一起統(tǒng)稱為GMR生物傳感器。它的基本工作原理是:將生物樣品與免疫磁珠結合構成生物探針的一部分,另一部分生物探針固定在GMR傳感器表面,當GMR傳感器表面的生物探針捕獲到結合有生物樣品的免疫磁珠時,在免疫磁珠產生的微小磁場影響下,GMR傳感器的電橋平衡會被打破,產生輸出信號。建立輸出信號變化量與磁珠濃度之間的對應關系便能完成對生物樣品的檢測。然而,由于GMR傳感器輸出的電信號很小,往往被淹沒在噪聲之中,檢測電路若不能有效的將磁珠微弱的輸出變化檢測出來,對目標生物樣本的檢測也無從談起,因此,檢測電路能否檢測到磁珠對輸出變化量的影響是GMR生物傳感器進行檢測的第一步,其性能將直接決定和制約GMR生物傳感器的整體性能。鎖相放大技術是微弱信號檢測技術當中應用較為廣泛的一種,能夠檢測到信噪比為10~(-5)的微弱信號,其效果相當于一個中心頻率可調且?guī)拰挾刃∮?.004HZ的帶通濾波器,與窄帶濾波法和取樣積分與數字式平均法等其他微弱信號檢測方法相比,鎖相放大技術更加的高效、靈活和穩(wěn)定。然而,目前市場上的商用鎖相放大器需要基于通用性和多功能的考慮,往往設備龐大且價格昂貴,難以適應當今生物檢測快捷、廉價、現場檢測及易操作等需求。因此,需要設計一款用于磁珠檢測系統(tǒng)的專用鎖相放大器。本文以磁珠檢測為目標,設計了一款磁珠檢測專用鎖相放大器,并以此為基礎構建磁珠檢測平臺,做了相應的磁珠檢測工作。主要工作如下:(1)通過Dsp Builder平臺設計了基于FPGA的磁珠檢測專用型數字鎖相放大器,采用DDS截斷算法和改進的并行分布式算法分別完成了參考信號模塊和低通濾波器模塊的設計;根據實際應用需求,設計了磁珠信號的前置預處理電路,完成放大、濾波和模數轉換等相關功能。(2)在設計好的數字鎖相放大器為基礎加上信號前置預處理電路構成信號檢測電路,將信號檢測電路、亥姆霍茲線圈、GMR芯片等構建了完成的磁珠檢測系統(tǒng)。確定了該實驗系統(tǒng)GMR傳感器的工作模式,并在GMR傳感器的工作模式下測定了GMR傳感器的特性曲線。(3)在搭建好的磁珠測試系統(tǒng)上進行磁珠檢測實驗。實驗結果表明:磁珠在15.5高斯直流偏置磁場,0.5高斯和交流激勵磁場的工作環(huán)境中,磁珠測試系統(tǒng)檢測電路能夠檢測濃度量級為10~(-5)mg/mL的磁珠溶液引起的微弱輸出變化,系統(tǒng)的檢測靈敏度為:2.05×105mv.mL/mg。
【關鍵詞】：GMR生物傳感器 弱信號檢測 鎖相放大器 Dsp Builder
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN791;TN722;TN911.23
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 緒論9-13
• 1.1 課題的背景及研究意義9-10
• 1.2 鎖相放大器的國內外的研究現狀10-12
• 1.3 本論文的主要研究內容12-13
• 2 弱信號檢測的基本原理13-17
• 2.1 常見噪聲分類與信噪改善比（SNIR）13
• 2.2 微弱信號檢測原理13-14
• 2.3 常見的微弱信號檢測技術14-16
• 2.4 本章小結16-17
• 3 磁珠檢測系統(tǒng)的總體設計17-28
• 3.1 磁珠檢測系統(tǒng)17-18
• 3.2 自旋閥GMR傳感器工作原理18-22
• 3.2.1 自旋閥GMR簡介18-19
• 3.2.2 自旋閥傳感器的工作模式19-20
• 3.2.3 自旋閥GMR傳感器的結構20-22
• 3.3 鎖相放大器的基本原理22-26
• 3.3.1 自相關檢測22-23
• 3.3.2 互相關檢測23-24
• 3.3.3 信號的相關解調24-26
• 3.4 鎖相放大器的構成26-27
• 3.5 本章小結27-28
• 4 數字鎖相放大器的設計28-43
• 4.1 DSP Builder簡介28-30
• 4.2 正交信號發(fā)生器的設計30-32
• 4.2.1 DDS原理簡介30-31
• 4.2.2 DDS的Dsp Builder實現31-32
• 4.3 分布式低通濾波器的設計32-37
• 4.3.1 FIR的基本概念32-33
• 4.3.2 分布式算法33-35
• 4.3.3 分布式算法低通濾波器的Dsp Builder實現35-37
• 4.4 數字鎖相放大器前置電路的的設計37-41
• 4.5 其他模塊功能設計41-42
• 4.6 本章小結42-43
• 5 硬件仿真與測試43-53
• 5.1 Dsp Builder的硬件環(huán)HIL仿真43-44
• 5.2 直接數字頻率合成技術（DDS）的HIL硬件仿真44-46
• 5.3 基于分布式算法FIR數字低通濾波器的的HIL硬件仿真46-47
• 5.4 鎖相放大器前置電路的性能測試47-50
• 5.4.1 放大電路及帶通濾波器電路的性能測試48
• 5.4.2 模數轉換電路測試48-50
• 5.5 磁珠檢測電路的硬件仿真與改進50-52
• 5.6 本章小結52-53
• 6 實驗結果及分析53-59
• 6.1 自旋閥GMR傳感器的特性測試53-54
• 6.2 磁珠檢測電路的性能測試54-55
• 6.3 磁珠濃度配比實驗55-56
• 6.4 磁珠檢測實驗56-57
• 6.5 本章小結57-59
• 7 總結與展望59-60
• 7.1 總結59
• 7.2 展望59-60
• 致謝60-61
• 參考文獻61-64
• 附錄64
• A.作者在攻讀碩士學位期間發(fā)表論文的目錄64

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