基于FPGA的数字锁相放大器在磁珠检测上的应用

发布时间：2017-06-15 11:09

  本文关键词：基于FPGA的数字锁相放大器在磁珠检测上的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：弱信号检测是信号检测领域中很重要的一部分,它的应用范围很广,如雷达、地质勘探、声谱光谱探测、环境气体监测、生物样品检测等都属于弱信号检测的应用。检测微弱信号的方法有很多,利用锁相放大器进行弱信号检测就是其中一种常用的方法。而目前常见的通用型锁相放大器,体积较大,价格昂贵,为了适用仪器化的需求,近几年各种专用的锁相放大器的研究受到人们普遍重视。本文以磁珠浓度的定量检测为背景,以FPGA做为技术实现手段,采用相关性原理设计了一款专用数字锁相放大器,并将它用于磁珠检测系统。由于巨磁电阻(Giant Magneto-Resistance,GMR)效应的发现,高灵敏度的GMR传感器也应运而生,通常,人们将用于生物样品检测的GMR传感器、检测电路和免疫磁珠一起统称为GMR生物传感器。它的基本工作原理是:将生物样品与免疫磁珠结合构成生物探针的一部分,另一部分生物探针固定在GMR传感器表面,当GMR传感器表面的生物探针捕获到结合有生物样品的免疫磁珠时,在免疫磁珠产生的微小磁场影响下,GMR传感器的电桥平衡会被打破,产生输出信号。建立输出信号变化量与磁珠浓度之间的对应关系便能完成对生物样品的检测。然而,由于GMR传感器输出的电信号很小,往往被淹没在噪声之中,检测电路若不能有效的将磁珠微弱的输出变化检测出来,对目标生物样本的检测也无从谈起,因此,检测电路能否检测到磁珠对输出变化量的影响是GMR生物传感器进行检测的第一步,其性能将直接决定和制约GMR生物传感器的整体性能。锁相放大技术是微弱信号检测技术当中应用较为广泛的一种,能够检测到信噪比为10~(-5)的微弱信号,其效果相当于一个中心频率可调且带宽宽度小于0.004HZ的带通滤波器,与窄带滤波法和取样积分与数字式平均法等其他微弱信号检测方法相比,锁相放大技术更加的高效、灵活和稳定。然而,目前市场上的商用锁相放大器需要基于通用性和多功能的考虑,往往设备庞大且价格昂贵,难以适应当今生物检测快捷、廉价、现场检测及易操作等需求。因此,需要设计一款用于磁珠检测系统的专用锁相放大器。本文以磁珠检测为目标,设计了一款磁珠检测专用锁相放大器,并以此为基础构建磁珠检测平台,做了相应的磁珠检测工作。主要工作如下:(1)通过Dsp Builder平台设计了基于FPGA的磁珠检测专用型数字锁相放大器,采用DDS截断算法和改进的并行分布式算法分别完成了参考信号模块和低通滤波器模块的设计;根据实际应用需求,设计了磁珠信号的前置预处理电路,完成放大、滤波和模数转换等相关功能。(2)在设计好的数字锁相放大器为基础加上信号前置预处理电路构成信号检测电路,将信号检测电路、亥姆霍兹线圈、GMR芯片等构建了完成的磁珠检测系统。确定了该实验系统GMR传感器的工作模式,并在GMR传感器的工作模式下测定了GMR传感器的特性曲线。(3)在搭建好的磁珠测试系统上进行磁珠检测实验。实验结果表明:磁珠在15.5高斯直流偏置磁场,0.5高斯和交流激励磁场的工作环境中,磁珠测试系统检测电路能够检测浓度量级为10~(-5)mg/mL的磁珠溶液引起的微弱输出变化,系统的检测灵敏度为:2.05×105mv.mL/mg。
【关键词】：GMR生物传感器 弱信号检测 锁相放大器 Dsp Builder
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN791;TN722;TN911.23
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 课题的背景及研究意义9-10
• 1.2 锁相放大器的国内外的研究现状10-12
• 1.3 本论文的主要研究内容12-13
• 2 弱信号检测的基本原理13-17
• 2.1 常见噪声分类与信噪改善比（SNIR）13
• 2.2 微弱信号检测原理13-14
• 2.3 常见的微弱信号检测技术14-16
• 2.4 本章小结16-17
• 3 磁珠检测系统的总体设计17-28
• 3.1 磁珠检测系统17-18
• 3.2 自旋阀GMR传感器工作原理18-22
• 3.2.1 自旋阀GMR简介18-19
• 3.2.2 自旋阀传感器的工作模式19-20
• 3.2.3 自旋阀GMR传感器的结构20-22
• 3.3 锁相放大器的基本原理22-26
• 3.3.1 自相关检测22-23
• 3.3.2 互相关检测23-24
• 3.3.3 信号的相关解调24-26
• 3.4 锁相放大器的构成26-27
• 3.5 本章小结27-28
• 4 数字锁相放大器的设计28-43
• 4.1 DSP Builder简介28-30
• 4.2 正交信号发生器的设计30-32
• 4.2.1 DDS原理简介30-31
• 4.2.2 DDS的Dsp Builder实现31-32
• 4.3 分布式低通滤波器的设计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 分布式算法低通滤波器的Dsp Builder实现35-37
• 4.4 数字锁相放大器前置电路的的设计37-41
• 4.5 其他模块功能设计41-42
• 4.6 本章小结42-43
• 5 硬件仿真与测试43-53
• 5.1 Dsp Builder的硬件环HIL仿真43-44
• 5.2 直接数字频率合成技术（DDS）的HIL硬件仿真44-46
• 5.3 基于分布式算法FIR数字低通滤波器的的HIL硬件仿真46-47
• 5.4 锁相放大器前置电路的性能测试47-50
• 5.4.1 放大电路及带通滤波器电路的性能测试48
• 5.4.2 模数转换电路测试48-50
• 5.5 磁珠检测电路的硬件仿真与改进50-52
• 5.6 本章小结52-53
• 6 实验结果及分析53-59
• 6.1 自旋阀GMR传感器的特性测试53-54
• 6.2 磁珠检测电路的性能测试54-55
• 6.3 磁珠浓度配比实验55-56
• 6.4 磁珠检测实验56-57
• 6.5 本章小结57-59
• 7 总结与展望59-60
• 7.1 总结59
• 7.2 展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-64
• 附录64
• A.作者在攻读硕士学位期间发表论文的目录64

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 赵自文;;锁相放大器的校准方法[J];计测技术;2007年01期

2 林践;;研究为导向之物理实验技术课程设计——以自制学生级锁相放大器教学课程之设计为例　　　　[J];物理与工程;2011年01期

3 麦麦提吐尔逊·努尔麦麦提;;锁相放大器的应用[J];佳木斯教育学院学报;2012年10期

4 张临杰,肖连团,李昌勇,李倩,贾锁堂,周国生;利用数字锁相放大器进行谐波探测的实验研究[J];激光与红外;2000年05期

5 白妙青,肖连团;对数字锁相放大器远程控制的谐波探测[J];电子工艺技术;2000年03期

6 郝学元,陈家胜;基于LabWindows/CVI5.0的程控锁相放大器研制[J];仪器仪表学报;2001年S1期

7 乔晓艳,贾莲凤;锁相放大器在生物量参数在线检测中的应用[J];测试技术学报;2003年02期

8 杨桂东;马慧莲;张旭琳;周柯江;金仲和;;一种应用于谐振式微型光学陀螺的高频锁相放大器的设计[J];传感技术学报;2005年04期

9 朱瑞;锁相放大器及其应用介绍[J];国外电子元器件;2005年01期

10 林凌,王小林,李刚,王朔,刘铭;一种新型锁相放大器检测电路[J];天津大学学报;2005年01期

中国重要会议论文全文数据库 前5条

1 胡庆荣;张嘉鹏;王自鑫;;一种新型数字锁相放大器的实现[A];广州市仪器仪表学会2009年学术年会论文集[C];2010年

2 郝学元;陈家胜;;基于LabWindows/CVI5.0的程控锁相放大器研制[A];中国仪器仪表学会第三届青年学术会议论文集（上）[C];2001年

3 吴明华;郑刚;江斌;杨晖;;一种数字正交矢量型锁相放大器的研究[A];第十二届全国光学测试学术讨论会论文（摘要集）[C];2008年

4 罗文建;;锁相放大器中的高灵敏度微弱光电信号检测技术[A];大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2004年学术大会论文集[C];2004年

5 董伟;原遵东;柏成玉;梁宇;;锁相放大器在材料热物性测量中的应用[A];2007'仪表，，自动化及先进集成技术大会论文集（二）[C];2007年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 邵欣;准连续信号相敏检测方法及其在光谱分析中的应用[D];河北工业大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 郭璐璐;数字锁相放大器的设计与实现[D];大连理工大学;2013年

2 刘云龙;面向TDLAS气体传感系统的锁相放大技术研究[D];电子科技大学;2015年

3 沈雁华;低损耗参数测量中的数字相关检测技术研究[D];西安工业大学;2013年

4 赵星;基于FPGA的锁相放大器在多组分气体检测中的应用研究[D];西南科技大学;2015年

5 余鑫;基于System Generator的数字锁相放大器研究[D];东华理工大学;2015年

6 商庆健;基于数字锁相放大器的微弱光电信号检测研究[D];兰州交通大学;2015年

7 张辉;光斑位置检测系统中数学锁相放大器的设计与实现[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2015年

8 丛景宇;基于数字锁相放大器的拉曼光谱信号检测[D];中国海洋大学;2015年

9 刘芳芳;基于AD630的锁相放大器的设计与分析[D];哈尔滨理工大学;2016年

10 武鹏飞;基于FPGA的数字锁相放大器在磁珠检测上的应用[D];重庆大学;2016年

  本文关键词：基于FPGA的数字锁相放大器在磁珠检测上的应用，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：452281